非飽和土失水過程軸向位移變化規(guī)律試驗研究*

時紅蓮 戴 準(zhǔn) 馮曉臘

SHI Honglian DAI Zhun FENG Xiaola

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非飽和土失水過程軸向位移變化規(guī)律試驗研究*

時紅蓮 戴 準(zhǔn) 馮曉臘

隨著地下空間的大力開發(fā)，基坑降水導(dǎo)致的地面沉降對周邊建筑物穩(wěn)定性及地下管道系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響，開始引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。本文選擇武漢地區(qū)典型粉土，采用土-水特征曲線壓力板儀開展失水過程的土-水特征曲線試驗，得到了非飽和土的土-水特征曲線； 質(zhì)量含水率、軸向位移隨基質(zhì)吸力的變化規(guī)律及誤差修正； 不同基質(zhì)吸力作用下含水率和軸向位移隨時間的變化規(guī)律。根據(jù)測定曲線，非飽和土含水率隨基質(zhì)吸力的增大而減小，達(dá)到殘余含水率時不再變化； 隨著基質(zhì)吸力的增加，土體失水收縮，軸向位移增大，達(dá)到殘余含水率時不再變化； 加壓過程中不僅有軸向變形，還伴隨有一定徑向變形。除此，對儀器本身及試驗過程中可能出現(xiàn)的誤差進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為壓力板儀試驗提供參考依據(jù)。

非飽和土 土水特征曲線 基質(zhì)吸力 含水量 軸向位移

SHI Honglian DAI Zhun FENG Xiaola

0 引 言

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，基坑工程越來越深，傳統(tǒng)放坡開挖已經(jīng)不能滿足基坑施工要求，越來越多的支護(hù)開挖被采用，而支護(hù)開挖必然伴隨著降水。降水過程中，抽水引起含水率降低，使得地層中原本處于飽和狀態(tài)的土層變成非飽和狀態(tài)，而太沙基一維固結(jié)理論用于飽和土層在滲透固結(jié)過程中任意時間的變形，對于已經(jīng)處于非飽和狀態(tài)的土層的沉降及變形并不適用。因此，研究非飽和土的土水特征曲線及軸向位移的變化規(guī)律，對實際工程中地面沉降的預(yù)測有一定的必要。

土中吸力的理論概念是從土壤物理學(xué)中發(fā)展過來的，基質(zhì)吸力為土中水自由能的毛細(xì)部分——它是通過量測與土中水處于平衡的部分蒸氣壓(李保國， 2008)，即相對于與溶液(具有與土中水相同成分)處于平衡的部分蒸氣壓而確定的等值吸力，其值等于孔隙氣壓力與孔隙水壓力之差。

非飽和土是多相混合物，除了固相、氣相和液相外，土中水、氣分界面也應(yīng)看作是另一個獨立相，稱之為收縮膜(Fredlund et al.，1977， 1994)。正是由于收縮膜的存在，不能像對飽和土一樣，在描述應(yīng)力狀態(tài)時用有效應(yīng)力(Bishop et al.，1960)這個應(yīng)力變量，而應(yīng)使用基質(zhì)吸力s，所以研究非飽和土，對基質(zhì)吸力的測量顯得尤為重要。李志清等(2007)介紹了6種測量非飽和土土水特征曲線的方法及其適用范圍，分別是體積壓力板儀法、鹽溶液法、Temple儀法、濾紙法、Dew-point電位計法、TDR探頭法。

很多學(xué)者對非飽和土土水特征曲線(李志清， 2006; 張欽喜， 2012； 王曉峰， 2014)、本構(gòu)關(guān)系(戚國慶等， 2015)方面做了深入研究。欒茂田等(2005)基于熱力學(xué)理論和幾何分析建立了等直徑球形土粒之間的彎液面方程，并通過迭代求解從理論上確定了基質(zhì)吸力，以此提出了等效基質(zhì)吸力和廣義土-水特征曲線； 繆林昌等(1999)提出的非飽和土抗剪強度的雙曲模型能很好地描述吸力與抗剪強度的關(guān)系； 胡波等(2008)通過珞珈山土樣的土-水特征曲線試驗和非飽和三軸剪切試驗對非飽和土強度公式進(jìn)行比較研究，驗證了非飽和土雙變量強度公式的適用性； 周葆春等(2010)得出Mohr-Coulomb破壞包面是雙向彎曲的結(jié)論； 王世梅等(2008)利用能夠控制基質(zhì)吸力的4聯(lián)式非飽和土直剪儀，建立了能夠同時反映固結(jié)應(yīng)力、基質(zhì)吸力和含水率之間關(guān)系的函數(shù)表達(dá)式，彌補了其他方法不能考慮固結(jié)應(yīng)力的缺陷，對補充和發(fā)展土-水特征曲線試驗和理論具有重要意義。

但對于軸向位移隨基質(zhì)吸力的變化(戚國慶等， 2015)卻鮮有人研究。而在實際基坑工程應(yīng)用中，由于基坑降水，即土體失水引起土顆粒相互靠攏，地基土變密實而收縮產(chǎn)生軸向位移，導(dǎo)致的地基沉降，尤其是不均勻地基沉降對周邊建筑物的地基基礎(chǔ)穩(wěn)定性造成威脅，更會對被稱為“城市生命線”的供水、供電、供熱、輸油、燃?xì)獾裙补艿涝O(shè)施的安全產(chǎn)生不利影響。本文除了在前人的研究基礎(chǔ)上，模擬實際工程中抽水時含水率的變化引起基質(zhì)吸力的變動，對試樣進(jìn)行了土水特征曲線的測定試驗，研究土樣的持水能力及孔隙水變化引起的土體軸向位移。

1 試驗用土基本物理指標(biāo)

試驗用土在位于武漢市青山區(qū)建設(shè)五路、建設(shè)六路之間的勘察現(xiàn)場取得，其地貌單元屬于長江Ⅰ級階地。

試驗用土基本物理力學(xué)指標(biāo)和顆粒粒徑級配如表1和表2所示，以粒徑范圍在0.075～0.005mm的粉粒為主，屬粉土。

表1 土樣基本物理指標(biāo)

Table 1 Basic physical indicators of soil

干密度/g·cm-3含水量/%天然密度/g·cm-3土粒密度/g·cm-3塑限/%1.5830.31.362.4726.41

表2 土樣粒度成分

Table 2 Soil particle size distribution

>0.075mm0.075～0.050.05～0.005<0.005mm15.4%21.8%53.5%10.3%

2 土水特征曲線壓力板儀試驗方案

2.1 試驗設(shè)備簡介

土水特征曲線(SWCC)是非飽和土的一個重要基本性質(zhì)，表征土體在一定應(yīng)力狀態(tài)、不同吸力下的持水能力。試驗所用儀器為土水特征曲線壓力板儀，產(chǎn)于Geo-experts公司，型號為1D-SDSWCC，是一套簡便易用的非飽和土試驗裝置(圖1)。該設(shè)備有兩個用途：研究在一定應(yīng)力狀態(tài)下非飽和土的基質(zhì)吸力與含水量或飽和度之間的曲線關(guān)系； 研究在一定應(yīng)力狀態(tài)下，非飽和土的不同基質(zhì)吸力作用下，軸向位移隨時間的變化規(guī)律。

圖1 土水特征曲線壓力板儀

設(shè)備組成：由①垂直氣動加載系統(tǒng)， ②加載桿， ③壓力室、出水系統(tǒng)(包括位于壓力室底部的進(jìn)氣值為5bar的陶土板， ④出水管道， ⑤防蒸發(fā)高精度電子天平， ⑥雙精度壓力表與調(diào)節(jié)器、計算機， ⑦軸向位移傳感器(與電子天平和數(shù)據(jù)采集器相連)等幾部分組成。

2.2 試驗原理

試驗中，陶土板與土樣緊密接觸，土中水與陶土板、出水管連通，孔隙氣壓與孔隙水壓差值實際不變，即可認(rèn)為所加圍壓就是基質(zhì)吸力的值，這就是軸平移技術(shù)。在實驗室做非飽和土試驗時，為避免測量低于零絕對壓力的孔隙水壓力，通常采用軸平移技術(shù)。

加第一級氣壓時，土樣為了保持與壓力室的基質(zhì)吸力平衡，不斷排出土中水，隨著土樣含水率的減小，土樣與壓力室吸力平衡，出水穩(wěn)定； 再施加下一級氣壓，基質(zhì)吸力平衡后不再出水，如此循環(huán)至施加最后一級基質(zhì)吸力。

其中不同基質(zhì)吸力下對應(yīng)的質(zhì)量含水率的確定方法為：

(1)

式中，ω為質(zhì)量含水率(%)； m1為飽和環(huán)刀樣質(zhì)量(g)； m2為出水量(g)，為該壓力作用下電子天平前后讀數(shù)之差； m3為烘干后環(huán)刀樣質(zhì)量(g)； m0為環(huán)刀質(zhì)量(g)。

2.3 試驗方案

應(yīng)力狀態(tài)：初始一維豎向應(yīng)力K0為零，模擬的是不受上覆地層土荷載的地表土。

考慮到粉土進(jìn)氣值一般很小，故在對吸力進(jìn)行分級時，剛開始的吸力值較小且分布較密集，以0.1bar、0.2bar、0.3bar、0.5bar、1.0bar、1.5bar、2.0bar、2.5bar逐級對試樣和陶土板進(jìn)行加壓。

2.4 試驗步驟

(1)試樣制備。用該設(shè)備配套的內(nèi)徑為71mm、高為20mm的環(huán)刀切取原狀樣。稱取環(huán)刀及環(huán)刀樣的質(zhì)量，放入保濕缸以備用。土樣的飽和采用抽氣飽和。

(2)飽和陶土板。如圖2a所示，用洗耳球?qū)⑻胀涟灞砻鏇_洗干凈，吸干表面水，在壓力室中加水至其三分之一，封閉壓力室，施加2bar的圍壓。每隔6個小時打開壓力室底座的進(jìn)水閥門與出水閥門以排除陶土板內(nèi)氣泡，反復(fù)2～3d，直至不再有氣泡排出；

(3)試樣安裝。吸干陶土板表面水分，將環(huán)刀樣置于陶土板上，環(huán)刀樣頂部依次放置濾紙、已做飽和處理的透水石，底部緊密接觸陶土板，將壓力室頂蓋擰緊，試樣安裝完畢。

(4)分級加壓。按照試驗方案對土樣進(jìn)行分級加壓，待每級壓力施加后觀察出水量，若出水量在12h內(nèi)不超過0.1g則可認(rèn)為已達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定后將出水量、軸位移數(shù)據(jù)導(dǎo)出，施加下一級氣壓。

(5)4.0bar氣壓加壓后，待出水量穩(wěn)定，導(dǎo)出數(shù)據(jù)，卸載壓力，如圖2b所示，拆開壓力室頂蓋，取出環(huán)刀樣，稱其質(zhì)量。將環(huán)刀樣置于烘箱里， 106℃烘干48個小時，稱取環(huán)刀樣質(zhì)量。

圖2 試驗過程

3 成果分析

3.1 含水率隨基質(zhì)吸力變化規(guī)律

基質(zhì)吸力與質(zhì)量含水率的關(guān)系(圖3)，可以看出，在0.1bar到2.5bar的基質(zhì)吸力作用下，隨基質(zhì)吸力的增加，土樣出水，含水率總體呈逐步減小趨勢； 曲線斜率，即含水率減小速率在0～0.1bar壓力下最大，隨之逐漸變緩，直至1.0bar出現(xiàn)拐點，之后隨著基質(zhì)吸力的增加，含水率基本穩(wěn)定，說明當(dāng)達(dá)到殘余含水率之后，含水率不隨基質(zhì)吸力的變化而變化。

圖3 土水特征曲線

3.2 不同基質(zhì)吸力對出水速率的影響規(guī)律

不同基質(zhì)吸力下土樣質(zhì)量含水率隨時間的變化曲線(圖4)，可以看出：曲線斜率，即出水速率在0.1bar壓力下最大，且0.1bar吸力下排出6.49g水，相當(dāng)于總出水量的70%。加壓初期，土中水從較大孔隙排出，出水量大，出水速率快； 隨著基質(zhì)吸力不斷增大，較大孔隙中水被排出，大孔隙被固體土顆粒占據(jù)，土樣中水開始從小孔隙中排出，排水路徑增加，排水量減小，排水速率變慢，出水穩(wěn)定所需要的時間大幅度增加。圖4b中，基質(zhì)吸力為1.5bar時出現(xiàn)明顯異常：從96h開始含水率異常增加，直到144h后才開始趨于穩(wěn)定。

圖5 不同基質(zhì)吸力下軸向位移隨時間的變化規(guī)律

3.3 軸向位移隨基質(zhì)吸力變化規(guī)律

試驗開始時，調(diào)節(jié)氣動垂直加載系統(tǒng)的高度，使加載桿與壓力室頂蓋正好接觸上，當(dāng)基質(zhì)吸力的值較小時，如圖5a，軸向位移隨基質(zhì)吸力增加而增加，且增加速率先大后小。剛加壓時，大量排水，大孔隙被土顆粒占據(jù)，軸向變形相對較大，變化也較快； 隨著吸力的增大，土中水從小孔隙緩慢排出，其軸向變形量變小，變形速率變慢； 當(dāng)基質(zhì)吸力增加到一定值時，壓力室內(nèi)相對較大的氣壓對壓力室頂蓋有一個向上的推力，使得軸向傳感器不能正確反映土樣真實軸向位移值(圖5b)， 0.5bar之后軸向位移因為壓力室頂蓋受到向上的推力而減小，之后位移量便在-0.03mm到0.05mm內(nèi)波動。隨著壓力室壓力的增加，壓力室頂蓋受到向上的推力增大，軸向位移傳感器不能準(zhǔn)確追蹤土樣在軸向的變形，導(dǎo)致很難測出準(zhǔn)確的軸向位移，應(yīng)該改進(jìn)設(shè)備，使壓力室頂蓋能避免這種向上的推力。

最后一級吸力加載完畢，出水穩(wěn)定后，卸載取出土樣時發(fā)現(xiàn)，土樣已經(jīng)和環(huán)刀脫離開來，說明在加載過程當(dāng)中，土樣不僅在軸向有位移，徑向也有一定程度的收縮變形。

當(dāng)基質(zhì)吸力較小(低于0.5bar)時，壓力室頂蓋不至于受到向上推力的影響，能準(zhǔn)確反映試樣軸向位移隨基質(zhì)吸力的變化規(guī)律。由圖3 可以看出，土樣排水主要發(fā)生在0.1bar的壓力下，反映在圖6 中，軸向位移也主要發(fā)生在0.1bar的壓力下， 0.1bar之后曲線開始變緩，即軸向位移隨基質(zhì)吸力的增加速率下降。隨著基質(zhì)吸力的增加，水-土之間的彎液面(收縮膜)的曲率半徑減小，土顆粒相互靠近，孔隙率變小，土體收縮，即軸向位移變大。

當(dāng)基質(zhì)吸力達(dá)到一定值時，壓力室頂蓋受到向上的推力增大，軸向位移傳感器無法追蹤土樣在軸向的位移，致使曲線出現(xiàn)異常。將0.5bar后每級吸力作用下的位移分別加上0.3bar穩(wěn)定時的軸向位移進(jìn)行誤差的初步修正，得到：與SWCC相對應(yīng)，該曲線的拐點也出現(xiàn)在1.0bar， 1.0bar之后軸向位移變動基本停止，即再施加圍壓，軸向也不會產(chǎn)生位移。

圖6 基質(zhì)吸力與軸向位移的關(guān)系

3.4 軸向位移隨含水率變化規(guī)律

圖7中，按圖6相同的方法對軸向位移隨含水率變化規(guī)律進(jìn)行初步修正，得到軸向位移隨含水率的減小逐漸增大，達(dá)到殘余含水率時不再有明顯變化，這對于實際工程中地面沉降的預(yù)測有一定借鑒作用。

對于具有團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的非飽和土，其收縮變形一般分為結(jié)構(gòu)收縮階段、正常收縮階段、殘余收縮階段、零收縮階段等4個階段。結(jié)構(gòu)收縮階段，團(tuán)聚體間的大孔徑失水收縮，團(tuán)聚體之間更加密實，表現(xiàn)在軸向位移的增大及徑向一定程度的變形； 正常收縮階段，孔隙的失水體積與收縮體積相等； 殘余收縮階段，空氣進(jìn)入團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙，土體孔隙繼續(xù)收縮，但收縮速率減??； 零收縮階段，土體已達(dá)最密實狀態(tài)，不再收縮。

圖7 質(zhì)量含水率與軸向位移的關(guān)系

4 誤差分析

4.1 陶土板和透水石飽和

陶土板若沒有充分飽和，試樣在基質(zhì)吸力的作用下排出的水將留在陶土板孔隙中，無法進(jìn)入水體積測量系統(tǒng)，導(dǎo)致該基質(zhì)吸力作用下含水率測量值比實際值大。

試樣安裝時，環(huán)刀切口向上放置，下部與陶土板直接接觸，上部的透水石應(yīng)浸水2～3h，使其充分飽和后方可投入使用。若透水石沒有充分飽和，在試驗過程中透水石會從試樣中吸水，雖吸進(jìn)水量不大，仍會使含水率測量值較實際值偏大。

4.2 氣泡干擾

飽和陶土板時，需要時不時開啟沖刷系統(tǒng)去除氣泡。試驗過程中，由于時間效應(yīng)，空氣通過高進(jìn)氣值陶土板下面的水?dāng)U散(劉奉銀等， 2010)，擴散空氣積聚在陶土板下面且隨陶土板下槽內(nèi)水逸出，將給水體積變化的量測帶來一定誤差。在做一定應(yīng)力狀態(tài)下非飽和土的脫濕曲線和浸濕曲線試驗時，若出水管中聚集了氣泡，應(yīng)及時開啟沖刷系統(tǒng)沖刷氣泡，否則在出水管聚集的氣泡將會影響從試樣中排出的水分進(jìn)入集水瓶中。啟用沖刷功能時要注意集水瓶中的水量，防止其出現(xiàn)溢水現(xiàn)象，更要防止集水瓶與水量超出電子天平的量程導(dǎo)致無法讀數(shù)。

4.3 蒸發(fā)效應(yīng)

集水瓶瓶口預(yù)留的進(jìn)水孔比進(jìn)水管大，兩者之間存在間隙，而整個試驗耗時2～3月，每一級荷載作用下出水量很小，因此集水瓶進(jìn)水口處產(chǎn)生的水分蒸發(fā)不容忽視。試驗室應(yīng)盡量減小集水瓶為出水管預(yù)留的孔徑，以減少水分蒸發(fā)對試驗的影響。另外，試驗時采取空白對照試驗的方法對蒸發(fā)效應(yīng)帶來的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，空白對照試驗的集水瓶要與試驗所用集水瓶相同規(guī)格、相同預(yù)留孔徑、相同瓶中預(yù)留水量，且兩者應(yīng)處于同一溫度、濕度條件下，定時稱取空白組的水分蒸發(fā)量，從而校對試驗數(shù)據(jù)。

另外，長時間置于壓力室的土樣自身也會有少量的蒸發(fā)。其蒸發(fā)的水汽凝結(jié)成水滴，附著于壓力室側(cè)壁，但由于壓力室在試驗過程中一直處于封閉狀態(tài)，該誤差無法避免。

4.4 集水瓶擺放位置不當(dāng)

試驗時，出水管與陶土板底板應(yīng)處于同一高度，集水瓶進(jìn)水口高度一定要低于出水管的高度，利于排出的水順利進(jìn)入集水瓶。

在試驗中，如果集水瓶進(jìn)水口的位置比出水管高，出水管中排出的水需克服一定的水頭壓力才能進(jìn)入集水瓶，由于每級壓力下試樣出水量隨時間的推移而出水量越來越少，導(dǎo)致排出的水無法進(jìn)入集水瓶，從而造成一定的試驗誤差。因此，試驗時應(yīng)嚴(yán)格控制集水瓶孔口高度低于陶土板底部的高度，確保排出的水能有效地進(jìn)入水體積測量系統(tǒng)。

4.5 設(shè)備自身弊端所致誤差

基質(zhì)吸力達(dá)到一定值時，壓力室頂蓋因受到較大圍壓而產(chǎn)生向上推力，導(dǎo)致軸向位移傳感器無法準(zhǔn)確反映土樣軸向位移值，設(shè)備有待改進(jìn)，使壓力室頂蓋能避免這種向上的推力。

5 結(jié) 論

(1)土樣的質(zhì)量含水率隨基質(zhì)吸力的增加而減小； 隨著基質(zhì)吸力的增加，含水率減小速率變小，出水穩(wěn)定的時間增加； 達(dá)到殘余含水率時，基質(zhì)吸力對含水率不產(chǎn)生影響。

(2)隨著壓力的增加，試樣失水收縮，軸向位移變大，達(dá)到殘余含水率時，軸向不再發(fā)生位移。

(3)加載過程不僅有軸向位移，還伴隨有一定程度的徑向收縮變形。

(4)試驗過程中，陶土板和透水石飽和不到位、氣泡干擾、水分蒸發(fā)、儀器擺放位置不當(dāng)、設(shè)備自身弊端都會對試驗結(jié)果產(chǎn)生一定誤差，希望對今后的試驗者有一定的借鑒作用。

本文模擬的是地表土的軸向位移變化規(guī)律，更多不同負(fù)重土體的相關(guān)試驗有待進(jìn)一步完善。

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JournalofEngineeringGeology工程地質(zhì)學(xué)報 1004-9665/2016/24(5)- 0931- 10

AXIAL DISPLACEMENT VARIATION OF UNSATURATED SOIL DURING DEHYDRATION PROCESS

With the vigorous development of underground space， the ground settlement caused by dewatering has an impact on the stability of surrounding buildings and underground piping systems， which has attracted attentions of domestic and foreign scholars. This article uses typical silt of Wuhan to carry out dehydration process of SWCC test with the pressure plate apparatus. The following results are obtained： SWCC of unsaturated soil; mass moisture content， the axial displacement variation with the change of matric suction and their error correction; water and axial displacement variation with time under different matric suction. According to the measured curve， the water content of the unsaturated soil is reduced with the increasing matric suction before it reaches the residual moisture content; the soil shrinks because of water loss. The axial displacement increases with the increasing matric suction.，at a residual moisture content， axial displacement increase stops changing. During pressurization， axial deformation appears， accompanied by a certain degree of radial deformation. In addition， a detailed analysis is carried out about the instrument itself and the error that may occur during the test， which provides a reference to the pressure plate test.

Unsaturated soil， SWCC， Matrix suction， Moisture， Axial displacement

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.023

2016-06-09;

2016-07-27.

深基坑工程中砂土抗剪強度實驗研究與應(yīng)用項目(201418)資助.

時紅蓮(1969-)，女，碩士，副教授，主要從事非飽和土性質(zhì)及地基基礎(chǔ)研究. Email: shhl2000@126.com

簡介： 戴準(zhǔn)(1991-)，女，碩士生，主要從事非飽和土性質(zhì)及地基基礎(chǔ)研究. Email: 1406454138@qq.com

P642.3

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