某滑坡非飽和土的土水特征曲線試驗研究

王良川

(中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院, 云南昆明 650001)

某滑坡非飽和土的土水特征曲線試驗研究

王良川

(中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院, 云南昆明 650001)

巖土工程中絕大部分土體位于地下水位以上，處于非飽和狀態(tài)。對于土質(zhì)邊坡而言，降雨引起土體內(nèi)含水量的增加，吸力減小，使得非飽和土的抗剪強(qiáng)度降低，從而影響邊坡工程安全穩(wěn)定性。針對非飽和土的吸力與飽和度之間的關(guān)系，采用飽和鹽溶液控制吸力，測定了2種不同干密度滑坡非飽和土體的土水特征曲線。結(jié)果表明，低吸力段，干密度越大持水性能越低，而高吸力段干密度對土水特征曲線的影響不明顯。

土水特征曲線；含水量；非飽和土

0 引 言

當(dāng)前,在絕大多數(shù)巖土工程實踐中所采用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和施工規(guī)范均是建立在傳統(tǒng)的飽和土理論基礎(chǔ)之上。然而,實際的巖土工程中,絕大部分土體均位于地下水位之上,土體中的孔隙不僅存在孔隙水,還有部分氣體存在,處于一種固、液、氣三相共存的非飽和狀態(tài)。通常,發(fā)生滑坡的深厚殘積土或膨脹土邊坡,其地下水位埋深較深,靠近地面的土也是一種非飽和土[1-3]。非飽和土與飽和土的主要區(qū)別在于,因水—氣結(jié)合膜所產(chǎn)生的吸力的存在,致使土體的抗剪強(qiáng)度、滲透特性等主要工程性質(zhì)得到改善,從而對土坡的穩(wěn)定性起著重要作用[4]。

在非飽和土的研究中,土水特征曲線被定義為土體的飽和度或體積含水量與吸力之間的關(guān)系[4]。土水特征曲線是非飽和土的重要本構(gòu)特性之一,對于研究非飽和土的物理力學(xué)特性至關(guān)重要,也是非飽和土動態(tài)水力分析的必要條件[4-5]。根據(jù)非飽和土體的土水特征曲線,可以確定非飽和土的強(qiáng)度特性、體變特性和滲透性能[6-9]。由此可見,測定土水特征曲線是開展非飽和土研究的前提條件。在巖土工程領(lǐng)域中,邊坡穩(wěn)定性評價和降雨型滑坡預(yù)測等通常需要應(yīng)用土水特征曲線的相關(guān)理論,促進(jìn)了土水特征曲線的深入研究[4-10]。

建立土水特征曲線的方法分為直接法和間接法[5]。直接法主要是測量土樣在脫水干燥或吸水濕化過程中的吸力以及與之相對應(yīng)的含水量,包括控制吸力測定濕度和控制濕度測定吸力2種方法[4-5]。間接法是通過土水特征曲線的理論模型計算得到[4]。本文針對昆明地區(qū)某滑坡滑帶非飽和土體,采用滲析法和氣相法控制吸力,進(jìn)行了重塑土體的濕化過程的土水特征曲線研究,并討論了不同干密度對土水特征曲線的影響。

1 非飽和土土水特征試驗

1.1 試驗材料

該試驗用土取自昆明地區(qū)某公路滑坡處,根據(jù)該場地巖土工程勘察報告,為粉質(zhì)粘土。通過常規(guī)土工試驗獲得原狀土的基本物性指標(biāo)參數(shù),結(jié)果為:土粒比重2.53 t/m3,液限31.4%,塑限17.2%。為分析干密度對該試驗用土土水特征曲線的影響,采用JDS-2型電動標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實儀制取不同干密度的粉質(zhì)粘土試樣,擊實曲線如圖1所示,由圖1可知試驗用土的最優(yōu)含水率為16.8%,最大干密度為1.79 g/cm3。

圖1 試樣土擊實曲線

1.2 試驗方法及儀器

試驗采用飽和鹽溶液法控制吸力,吸力控制范圍為:0～300 MPa。其主要原理是通過控制放置試樣玻璃干燥皿中的相對濕度,并由Kelvin定律換求對應(yīng)的吸力值。飽和鹽溶液與試樣之間,通過水蒸氣方式發(fā)生水氣交換,當(dāng)交換達(dá)到平衡后,取出試樣并立即稱重,求取平衡后的土樣含水量,上述平衡時間約為7～10 d。本試驗采用的飽和鹽溶液、相對濕度與對應(yīng)吸力見表1[11]。

表1 飽和鹽溶液、相對濕度與對應(yīng)吸力

1.3 試驗設(shè)計

為了針對不同干密度土樣的土水特征曲線進(jìn)行對比研究,采用相同擊實功在不同含水率下?lián)魧嵵迫×?種不同干密度的試樣,不同干密度土樣的基本參數(shù)見表2,其中,試樣1為標(biāo)準(zhǔn)擊實的最大干密度試樣。

表2 不同干密度擊實土樣基本參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 土水特征曲線的基本形態(tài)

土水特征曲線是指處于非飽和狀態(tài)的土體,在吸濕或脫濕過程中,孔隙中的含水量不斷減小或者增大,吸力也隨之發(fā)生相應(yīng)變化,典型土水特征曲線的基本形態(tài)如圖2所示,可劃分為邊界效應(yīng)段、過渡段和非飽和殘余段[5]。在邊界效應(yīng)段,隨著吸力增大其飽和度并沒有明顯變化,基本處于飽和狀態(tài),土水結(jié)合膜完全連續(xù)；在過渡段,土水結(jié)合膜不再連續(xù),隨著吸力的增大,飽和度迅速減??；在非飽和殘余段,土水結(jié)合膜很少,要進(jìn)一步增加土體中的吸力將非常困難,同時飽和度的減小也非常緩慢和困難。此外,在吸濕和脫濕過程中,分別測得的土水特征曲線是明顯不同的,脫濕曲線總是高于吸濕曲線,即在相同吸力點脫濕階段的飽和度要高于吸濕階段的飽和度,這種現(xiàn)象稱為土水特征曲線的滯回特性。滯回區(qū)間與土體的顆粒大小、孔徑分布等因素有關(guān)。一般而言,粗粒土的滯回區(qū)間較小,細(xì)粒土的滯回區(qū)間較大。對粘性土而言,其滯回現(xiàn)象比較明顯。

圖2 土水特征曲線的典型形態(tài)[5]

2.2 土水特征曲線測試結(jié)果

通過各吸力點測到的土樣含水量計算當(dāng)前土樣的飽和度,根據(jù)各飽和度與吸力的關(guān)系,繪制干燥條件下不同干密度的滑坡非飽和土樣土水特征曲線,如圖3所示。

圖3 不同干密度壓實土樣土水特征曲線

圖3表明,隨著吸力的增大土樣飽和度迅速降低,當(dāng)吸力增大至4.2 MPa時,土樣的飽和度減少了近60%,當(dāng)吸力達(dá)到110 MPa時土樣的飽和度約為8%?？傮w表明該壓實土樣在試驗控制吸力階段的持水性能一般。同時,不同干密度的壓實土樣持水性能也不一樣。同一吸力控制時,1.79 g/cm3的壓實紅粘土土樣飽和度在各吸力點較1.70 g/cm3的土樣都要高。這是由于干密度1.70 g/cm3的土樣初始孔隙比大,同一吸力控制時,1.70 g/cm3的土樣含水量較1.79 g/cm3的土樣要高,從而飽和度也較大。

從圖3還可以發(fā)現(xiàn),用飽和度與吸力關(guān)系表示土水特征曲線時,隨著吸力的增大,不同干密度壓實土樣的飽和度差距越來越小。當(dāng)吸力小于50MPa時,2種干密度壓實粘土的土水特征曲線相差較大,干密度越小,孔隙越多,飽和度越大,土水特征曲線越低。當(dāng)吸力超過50 MPa時,2種干密度壓實粘土平衡后的飽和度逐漸靠近,最后幾乎相同,表明干密度對高吸力階段的土水特征曲線影響不明顯。

2.3 土水特征曲線形態(tài)分析

對比分析圖2與圖3,可以發(fā)現(xiàn),利用飽和鹽溶液測得的土水特征曲線,主要位于高吸力段(吸力＞4 MPa)。對大多數(shù)土體而言,吸力超過4 MPa即處于非飽和殘余段。例如,孫德安[11]等利用壓力板、濾紙法和飽和鹽溶液3種方法綜合測定了初始干密度為1.4 g/cm3的壓實紅粘土土水特征曲線(見圖4)。由圖4可以看出,壓實紅粘土的進(jìn)氣值約為20 kPa,當(dāng)吸力超過20 kPa時,紅粘土呈現(xiàn)非飽和狀態(tài),當(dāng)吸力超過10 MPa時,紅粘土飽和度低于30%,飽和度隨著吸力增加而減小緩慢,土體處于殘余飽和段。

圖4 壓實紅粘土土水特征曲線

3 結(jié) 論

采用飽和鹽溶液控制吸力,測定了2種不同干密度滑坡非飽和土體的土水特征曲線。結(jié)果表明,低吸力段,干密度越大持水性能越低,而高吸力段干密度對土水特征曲線的影響不明顯。在實際工程中,絕大多數(shù)巖土體處于非飽和土狀態(tài),因此,對于一些重要的土質(zhì)邊坡,一方面,平時需要加強(qiáng)對土體內(nèi)吸力的量測和監(jiān)控,隨時掌握土體中水分的儲存和遷移狀態(tài)；另一方面,降雨期要采取有效措施,控制土體內(nèi)吸力的迅速降低,從而確保工程安全。

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2015-04-14)

王良川(1971-)，男，四川鄰水人，工學(xué)碩士，高級工程師，主要從事巖土工程的設(shè)計與施工工作，Email: 47176135＠qq.com。