贛南凝灰?guī)r殘積土水-力相互作用特性研究

譚宏大,簡(jiǎn)文星,盧 游,宋 治

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

我國南方火成巖分布廣泛且風(fēng)化作用強(qiáng)烈，形成大量殘積土土質(zhì)斜坡，在降雨等因素作用下易產(chǎn)生斜坡的變形破壞。目前研究人員對(duì)花崗巖殘積土的研究較多[1-6]，對(duì)其他類型的殘積土的研究相對(duì)較少。凝灰?guī)r殘積土在我國東南沿海地區(qū)分布較為廣泛，對(duì)其工程特性進(jìn)行研究顯得十分必要。目前已有許多學(xué)者對(duì)凝灰?guī)r殘積土的有關(guān)工程特性進(jìn)行了研究，如丁少林等[7]通過試驗(yàn)探討了凝灰?guī)r殘積土基質(zhì)吸力隨含水率的變化規(guī)律；Zuo等[8]通過研究發(fā)現(xiàn)含水率和干濕循環(huán)對(duì)凝灰?guī)r殘積土的結(jié)構(gòu)具有顯著的影響；Wang等[9]研究了凝灰?guī)r殘積土與花崗巖殘積土在剪切條件下的差異。

土的水-力相互作用特性的研究包括土-水特征曲線、滲透系數(shù)函數(shù)、吸應(yīng)力和非飽和抗剪強(qiáng)度等方面。胡孝彭等[10]討論了不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)土-水特征曲線的影響規(guī)律；陳輝等[11]建立了一種確定非飽和土的土-水特征曲線的方法；祝艷波等[12]通過試驗(yàn)研究了巴東組非飽和紅土的基質(zhì)吸力特征，并提出了經(jīng)驗(yàn)抗剪強(qiáng)度公式；劉子振[13]基于非飽和土雙應(yīng)力理論，提出了不同含水率條件下非飽和土的抗剪強(qiáng)度公式，并分析了其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

贛南山區(qū)凝灰?guī)r殘積土風(fēng)化層較厚，區(qū)域內(nèi)降雨量較大，在高速公路建設(shè)過程中形成了大量凝灰?guī)r殘積土邊坡，在降雨入滲作用下邊坡土體的基質(zhì)吸力、滲透系數(shù)、吸應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度不斷發(fā)生變化，致使邊坡的安全穩(wěn)定性不斷變動(dòng)，容易導(dǎo)致邊坡的變形破壞。本文重點(diǎn)研究了凝灰?guī)r殘積土水-力相互作用的特性，可為贛南山區(qū)凝灰?guī)r殘積土邊坡的穩(wěn)定性分析和防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 凝灰?guī)r殘積土的物理性質(zhì)和抗剪強(qiáng)度特性

1. 1 凝灰?guī)r殘積土的物理性質(zhì)

本文通過采集江西安定高速公路A2標(biāo)段YK170+460～YK170+860右側(cè)試驗(yàn)邊坡處典型的凝灰?guī)r殘積土原狀試樣，對(duì)其進(jìn)行了物理性質(zhì)試驗(yàn)，得到該凝灰?guī)r殘積土原狀樣的基本物理性質(zhì)參數(shù)，詳見表1。

表1 凝灰?guī)r殘積土原狀樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

由表1可見，凝灰?guī)r殘積土原狀樣的孔隙率較大，滲透系數(shù)較小，滲透能力差，且塑性指數(shù)較大。

1. 2 凝灰?guī)r殘積土的抗剪強(qiáng)度特性

本文采用三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)研究了凝灰?guī)r殘積土原狀樣的抗剪強(qiáng)度特性。采用的試驗(yàn)儀器為南京泰克奧科技有限公司生產(chǎn)的TRA三軸剪切滲流儀。凝灰?guī)r殘積土原狀樣用切土器切削制成，試驗(yàn)樣品規(guī)格為直徑39.1 mm×高度80 mm，并采用抽真空飽和的方法使試樣充分飽和。通過試驗(yàn)得到試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，并根據(jù)摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則可得到凝灰?guī)r殘積土原狀樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)[14]，詳見表2。

表2 凝灰?guī)r殘積土原狀樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

由表2可見，凝灰?guī)r殘積土原狀樣的總黏聚力為14.0 kPa、總內(nèi)摩擦角為15.6°，有效黏聚力為7.8 kPa、有效內(nèi)摩擦角為28.0°。

2 凝灰?guī)r殘積土的水-力相互作用特性

2. 1 試驗(yàn)方法及原理

本次試驗(yàn)采用美國科羅拉多礦業(yè)大學(xué)Ning Lu等聯(lián)合研發(fā)的瞬態(tài)脫濕與吸濕試驗(yàn)系統(tǒng)[15]，可以得到脫濕與吸濕條件下全吸力范圍內(nèi)(0～106kPa)土樣的土-水特征曲線、滲透系數(shù)函數(shù)曲線和吸應(yīng)力曲線。試驗(yàn)樣品為直徑61.8 mm×高度40 mm的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀樣。試驗(yàn)土樣先經(jīng)抽真空飽和，脫濕狀態(tài)下在壓力室中先施加較小的空氣壓力使土樣進(jìn)行排水，待水不再排出時(shí)再施加較大的空氣壓力使土樣繼續(xù)排水直至平衡；脫濕過程結(jié)束后將氣壓調(diào)零，使土樣進(jìn)入吸濕狀態(tài)直至達(dá)到重新飽和。

土樣中水流出的瞬態(tài)改變量是土樣特有的時(shí)間函數(shù)關(guān)系。通過試驗(yàn)測(cè)得土樣中水的瞬態(tài)流出量可作為目標(biāo)函數(shù)曲線用于反演模擬計(jì)算[16]，利用Hydrus-1D程序反演計(jì)算可得到凝灰?guī)r殘積土原狀樣在脫濕與吸濕過程中水-力特征曲線的模型參數(shù)。本文選取的凝灰?guī)r殘積土原狀樣，試樣編號(hào)為NY-1、NY-2，通過試驗(yàn)獲取其流出水量與時(shí)間的關(guān)系曲線(見圖1)，通過反演計(jì)算可以得到試樣NY-1、NY-2在脫濕與吸濕過程中水-力特征曲線的各模型參數(shù)，見表3。

由表3可見，脫濕過程中α(進(jìn)氣值的倒數(shù))、n(與孔隙特征相關(guān)參數(shù))均大于吸濕過程中的α、n；脫濕過程中θs(飽和體積含水率)、Kw(飽和滲透系數(shù))均小于吸濕過程中的θs、Kw，而模型參數(shù)的不同決定了脫濕與吸濕過程中凝灰?guī)r殘積土水-力相互作用特性的差異。

圖1 凝灰?guī)r殘積土原狀樣中流出水量與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.1 Curves of outlet water of undisturbed samples of the tuff residual soil with time

試樣編號(hào)θrαd/(kPa-1)ndθdsKds/(m·s-1)αw/(kPa-1)nwθwsKws/(m·s-1)NY?10．180．0681．270．512．25×10-70．2331．470．451．47×10-7NY?20．200．0691．250．522．25×10-70．2811．440．441．63×10-7NY0．190．0691．260．522．25×10-70．2571．460．451．55×10-7

本研究選取試樣NY-1、NY-2兩者各模型參數(shù)的平均值作為凝灰?guī)r殘積土原狀樣的模型參數(shù)，試樣編號(hào)為NY(見表3)，來研究其水-力相互作用的特性。

參數(shù)α為土樣進(jìn)氣壓力值的倒數(shù)，由表3可見，凝灰?guī)r殘積土典型代表試樣NY在脫濕與吸濕條件下α值分別為0.069 kPa-1與0.257 kPa-1，因此可估算出凝灰?guī)r殘積土原狀樣在脫濕條件下的進(jìn)氣壓力值為14.6 kPa，在吸濕條件下的進(jìn)氣壓力值為3.89 kPa。

2.2 凝灰?guī)r殘積土的土-水特征曲線和滲透系數(shù)函數(shù)曲線

為了獲得土體基質(zhì)吸力隨含水率變化的關(guān)系式，眾多研究人員在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了多種本構(gòu)關(guān)系式，如Brooks-Corey(BC)模型、Fredlund-Xing(FX)模型和Van Genuchten(VG)模型。其中，VG模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式包含了曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)的信息，吸力范圍較廣，能更好地?cái)M合實(shí)際的土-水特征曲線的形狀。簡(jiǎn)化VG模型的表達(dá)式如下：

θ-θrθs-θr=11+[α|h|]n〗1-1n

(1)

式中:θ為土體任意時(shí)刻的體積含水率；θr為土體殘余體積含水率；θs為土體飽和體積含水率；h為土體基質(zhì)吸力水頭(m)；α為擬合參數(shù)，為土體進(jìn)氣值的倒數(shù)(kPa-1)；n為擬合參數(shù)，與土體孔隙尺寸分布有關(guān)。

隨著土體含水率的變化，土體的滲透系數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，因此測(cè)定非飽和土體不同含水率對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)非常困難。通過瞬態(tài)脫濕與吸濕試驗(yàn)，可得到用于確定非飽和土體滲透系數(shù)函數(shù)關(guān)系曲線的模型參數(shù)。本文采用Mualem模型，其表達(dá)式如下：

K=Ks{1-(α|h|)n-1[1+(α|h|)n]1n-1}2[1+(α|h|)n]12-12n

(2)

式中:K為非飽和土體的滲透系數(shù)函數(shù)(m/s)；Ks為土體的飽和滲透系數(shù)(m/s)，可通過試驗(yàn)測(cè)得；其余參數(shù)意義同上。

以凝灰?guī)r殘積土原狀樣NY為代表，根據(jù)表3中的參數(shù)，并結(jié)合式(1)和式(2)，可分別得到凝灰?guī)r殘積土的土-水特征(SWCC)曲線和滲透系數(shù)函數(shù)(HCF)曲線，見圖2。

圖2 凝灰?guī)r殘積土的SWCC和HCF曲線Fig.2 SWCC and HCF curves of the tuff residual soil

由圖2凝灰?guī)r殘積土的土-水特征曲線(SWCC)可以看出：凝灰?guī)r殘積土在脫濕和吸濕條件下的土-水特征曲線存在明顯的滯后效應(yīng)。隨著含水率的減小，土樣的基質(zhì)吸力不斷增大，且其增長(zhǎng)速率逐漸加快；從飽和含水率到殘余含水率的變化范圍，土樣的基質(zhì)吸力從0 kPa增長(zhǎng)到106kPa；在相同含水率時(shí)，脫濕條件下土樣的基質(zhì)吸力大于吸濕條件下的基質(zhì)吸力；基質(zhì)吸力相同時(shí)，土樣在脫濕過程中的含水率比吸濕過程中的含水率大；吸濕條件下土樣的飽和含水率比脫濕條件下的飽和含水率低，其原因是土樣經(jīng)過脫濕過程后，在進(jìn)行吸濕過程時(shí)試樣中產(chǎn)生了一定量的閉合氣泡，因而在吸濕過程結(jié)束后，試樣無法達(dá)到完全飽和的狀態(tài)。

由圖2中凝灰?guī)r殘積土的滲透系數(shù)函數(shù)(HCF)曲線可以看出：凝灰?guī)r殘積土在脫濕條件下的飽和滲透系數(shù)為2.25×10-7m/s，在吸濕條件下的飽和滲透系數(shù)為1.47×10-7m/s，滲透系數(shù)隨土樣含水率的減小而不斷減小，且在含水率較大時(shí)，土樣的滲透系數(shù)減小得更快；在基質(zhì)吸力相同時(shí)，脫濕條件下土樣的滲透系數(shù)大于吸濕條件下的滲透系數(shù)。

由此可知：凝灰?guī)r殘積土邊坡在脫濕條件下邊坡土體的滲透性能不斷減弱，在降雨入滲等吸濕條件下邊坡土體的滲透性不斷增強(qiáng)。

2. 3 凝灰?guī)r殘積土的吸應(yīng)力

Lu等[17-18]提出用吸應(yīng)力σs取代Bishop有效應(yīng)力參數(shù)χ和基質(zhì)吸力來定義土-水粒間力，并提出了土體吸應(yīng)力與基質(zhì)吸力或飽和度的函數(shù)關(guān)系式,即

σs=-Se(ua-uw)=-S-Sr1-Sr(ua-uw)

=-θ-θrθs-θr(ua-uw)

(3)

式中：σs為土體吸應(yīng)力(kPa)；S為土體飽和度；Sr為土體殘余飽和度；Se為土體有效飽和度；ua為土體孔隙氣壓力(kPa)；uw為土體孔隙水壓力(kPa)；其余參數(shù)意義同上。

Lu等[15]進(jìn)一步闡釋了吸應(yīng)力的熱力學(xué)意義：吸應(yīng)力是土-水粒間力儲(chǔ)存的能量。經(jīng)過公式推導(dǎo)，可得到以基質(zhì)吸力S[S=(ua-uw)]形式表示的土體吸應(yīng)力閉型方程:

σs=-S[1+(αS)n](n-1)n

(4)

式中：各參數(shù)意義同上。

根據(jù)表1中參數(shù)和式(4),可繪制凝灰?guī)r殘積土的吸應(yīng)力(SSCC)曲線,見圖3。

圖3 凝灰?guī)r殘積土的SWCC和SSCC曲線Fig.3 SWCC and SSCC curves of the tuff residual soil

由圖3可見，凝灰?guī)r殘積土的SSCC曲線與SWCC曲線呈一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，土樣的吸應(yīng)力小于基質(zhì)吸力，且隨著含水率的減小，吸應(yīng)力與基質(zhì)吸力的差距不斷增大，土樣的吸應(yīng)力隨含水率的增大而減?。辉诤氏嗤瑫r(shí)，土樣在脫濕條件下的吸應(yīng)力大于在吸濕條件下的吸應(yīng)力。

由此可知：凝灰?guī)r殘積土邊坡在降雨入滲、毛細(xì)水上升等吸濕過程中邊坡土體的吸應(yīng)力不斷減小，在蒸發(fā)、重力排水等脫濕過程中邊坡土體的吸應(yīng)力不斷增大。

2. 4 凝灰?guī)r殘積土的非飽和抗剪強(qiáng)度

Lu等[19]提出的吸應(yīng)力理論，可計(jì)算凝灰?guī)r殘積土的非飽和抗剪強(qiáng)度，其計(jì)算公式如下：

τf=c′+[(σ-ua)-σs]tanφ′

(5)

式中：τf為土體的抗剪強(qiáng)度(kPa)；c′為土體的有效黏聚力(kPa)；φ′為土體的有效內(nèi)摩擦角(°)；σ為土體的軸向壓力(kPa)；其余參數(shù)意義同上。

利用式(5)和表2中凝灰?guī)r殘積土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c′、φ′值，可得出凝灰?guī)r殘積土的非飽和抗剪強(qiáng)度計(jì)算表達(dá)式為

τf=7.8+[(σ-ua)-σs]tan28°

(6)

式中：各參數(shù)意義同上。

結(jié)合式(4)，(σ-ua)表示凈法向應(yīng)力，可得到凝灰?guī)r殘積土原狀樣(NY)在不同凈法向應(yīng)力條件下(100 kPa、200 kPa、300 kPa)脫濕與吸濕過程的非飽和抗剪強(qiáng)度曲線，見圖4和圖5。

圖4 凝灰?guī)r殘積土在不同凈法向應(yīng)力條件下脫濕過程的非飽和抗剪強(qiáng)度曲線Fig.4 Curves of unsaturated shear strength of the tuff residual soil under drying condition and different net normal stresses

圖5 凝灰?guī)r殘積土在不同凈法向應(yīng)力條件下吸濕過程的非飽和抗剪強(qiáng)度曲線Fig.5 Curves of unsaturated shear strength of the tuff residual soil under wetting condition and different net normal stresses

由圖4和圖5可見，凝灰?guī)r殘積土的抗剪強(qiáng)度隨含水率的增大而減小，且土體承受凈法向應(yīng)力越大，其抗剪強(qiáng)度越大；當(dāng)含水率較小時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度隨含水率的增大變化速率較快，當(dāng)含水率較大時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度隨含水率的增大變化速率明顯變小。

由此可知：凝灰?guī)r殘積土邊坡在降雨入滲等吸濕條件下，隨著含水率的增大，邊坡土體抗剪強(qiáng)度不斷減小，邊坡的安全穩(wěn)定性系數(shù)相應(yīng)減小，導(dǎo)致原本處于穩(wěn)定狀態(tài)的邊坡可能發(fā)生變形破壞。因此，在邊坡的穩(wěn)定性分析時(shí)必須充分考慮地下水及降雨等水的因素對(duì)邊坡的影響，且在邊坡的治理和防護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)將邊坡的截排水工程作為重要的治理和防護(hù)措施。

3 結(jié) 論

本文采用三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)和瞬態(tài)脫濕與吸濕試驗(yàn)，對(duì)贛南山區(qū)凝灰?guī)r殘積土的抗剪強(qiáng)度和水-土相互作用特性進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

(1) 凝灰?guī)r殘積土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)為c=14.0 kPa、φ=15.6°，c′=7.8 kPa、φ′=28.0°。

(2) 凝灰?guī)r殘積土在脫濕和吸濕條件下土-水特征曲線存在明顯的滯后效應(yīng)；凝灰?guī)r殘積土在脫濕和吸濕條件下的基質(zhì)吸力隨含水率的增大而減小，滲透系數(shù)隨含水率的增大而增大。

(3) 凝灰?guī)r殘積土在脫濕條件下的吸應(yīng)力大于吸濕條件下的吸應(yīng)力，且在脫濕和吸濕條件下凝灰?guī)r殘積土的吸應(yīng)力隨含水率的增大而減小。

(4) 凝灰?guī)r殘積土的抗剪強(qiáng)度隨含水率的增大而減小，當(dāng)含水率較大時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度隨含水率的增大變化速率明顯變小，且在接近殘余含水率時(shí)，土體的抗剪強(qiáng)度變化幅度較大。

[1] 吳能森.花崗巖殘積土的分類研究[J].巖土力學(xué),2006,27(12):2299-2304.

[2] Onodera T,Oda M,Minami K.Shear strength of undisturbed sample of decomposed granite soil[J].SoilsandFoundations,1976,16(1):17-26.

[3] 趙建軍,王思敬,尚彥軍,等.全風(fēng)化花崗巖抗剪強(qiáng)度影響因素分析[J].巖土力學(xué),2005,26(4):624-628.

[4] 肖晶晶.花崗巖殘積土的結(jié)構(gòu)性及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系試驗(yàn)研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2012.

[5] 周小文,劉攀,胡黎明,等.結(jié)構(gòu)性花崗巖殘積土的剪切屈服特性試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2015,36(S2):157-163.

[6] 許旭堂,簡(jiǎn)文彬,柳侃.含水率和干密度對(duì)殘積土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2015,11(2):364-369.

[7] 丁少林,左昌群,劉代國,等.非飽和殘積土土-水特性研究及基質(zhì)吸力估算[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2016,33(3):98-103.

[8] Zuo C Q,Liu D G,Ding S L,et al.Micro-characteristics of strength reduction of tuff residual soil with different moisture[J].JournalofCivilEngineering,2016,20(2):639-646.

[9] Wang Y H,Yan W M.Laboratory studies of two common saprolitic soils in Hong Kong[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,2006,132(7):923-930.

[10]胡孝彭,趙仲輝,倪曉雯.應(yīng)力狀態(tài)對(duì)土-水特征曲線的影響規(guī)律[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,41(2):150-155.

[11]陳輝,韋昌富,李幻,等.測(cè)定非飽和土土-水特征曲線的溢出水校正稱量法[J].巖土力學(xué),2010,31(7):2141-2145,2152.

[12]祝艷波,余宏明,高建偉,等.巴東組非飽和紅土強(qiáng)度與變形特性實(shí)驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2012,20(6):1050-1056.

[13]劉子振.持續(xù)降雨入滲非飽和黏土邊坡失穩(wěn)機(jī)理及其應(yīng)用研究[D].蘭州:蘭州大學(xué).2014.

[14]盧游,簡(jiǎn)文星,王立宸,等.贛南凝灰?guī)r殘積土物理力學(xué)與應(yīng)力-應(yīng)變特性研究[J].安全與環(huán)境工程,2017,24(1):16-21.

[15]Lu N,Godt J W.斜坡水文與穩(wěn)定[M].簡(jiǎn)文星，王菁莪，侯龍，譯.北京:高等教育出版社,2014.

[16]Sun P P,Zhang M S,Zhu L F,et al.Discussion on assessment in the collapse of loess:A case study of the Heifangtai terrace,Gansu,China[C]//LandslideScienceforaSaferGeoenvironment,Volume2:MethodsofLandslideStudies.WorldLandslideForum3.Beijing:[s.n.],2014:195-199.

[17]Lu N,Likos W J.Rate of capillary rise in soils[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,2004,130(6):646-650.

[18]Lu N,Wayllace A,Carrera J,et al.Constant flow method for concurrently measuring soil-water characteristic curve and hydraulic conductivity function[J].GeotechnicalTestingJournal,2006,29(3):256-266.

[19]Lu N,Lioks W J.Suction stress characteristics curve for unsaturated soil[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,2006,132(2):131-142.