堤防土體材料增濕變形及持水特性試驗研究

周松松，孫益松，葉柏陽

( 1.淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 淮安 223005；2.江蘇淮源工程建設(shè)監(jiān)理有限公司， 江蘇 淮安 223005 )

河道治理工程中不可避免需要考慮提防工程的安全穩(wěn)定性，而水利工程的安全穩(wěn)定與結(jié)構(gòu)巖土材料息息相關(guān)，研究巖土材料變形以及持水特性對提高水利工程設(shè)計水平具有重要作用[1- 3]。堤防工程的安全穩(wěn)定考量的一個重要方面即是滲漏安全性，而堤防土體材料的入滲特性以及在積水條件下受壓縮變形特征均是影響工程滲漏的重要方面，因而開展土體增濕變形以及持水特性分析具有重要參考意義[4- 6]。已有一些學者與水利工程師通過對土體材料開展各種形式的三軸剪切試驗，研究土體在增濕過程中變形特性，探討土-水特征曲線[7- 8]。另有一些水利工程師設(shè)計適合土體材料的土柱試驗系統(tǒng)，為探討土體滲水特性以及壓縮變形提供重要研究手段[9- 10]。文章將在前人研究基礎(chǔ)上，重點開拓土體增濕變形與持水特征受豎向壓力、干密度、實驗方法等影響的特性，為推動土-水特性認識水平提供一定參考。

1 實驗概況

1.1 實驗介紹

華中某地區(qū)在河道治理時，需對某區(qū)段內(nèi)堤防工程開展?jié)B漏特性分析評價，故而對該堤防工程土體材料取樣開展室內(nèi)試驗研究。根據(jù)工程現(xiàn)場標準擊實試驗可知(圖1)，最佳含水量為18.1%，為確保室內(nèi)試驗結(jié)果準確性，將土體重塑后開展試驗分析研究，以靜壓法逐層按壓，保證每層土樣高度達到5cm，土工試驗室內(nèi)亦可采用氣壓裝填按壓，確保每層土體達到設(shè)計干密度值，重塑后土體試樣干密度分別為1.42、1.54、1.62g/cm3。

圖1 擊實試驗曲線

入滲試驗采用一維土柱滲透儀，該儀器包括土柱筒以及數(shù)據(jù)采集等裝置，系統(tǒng)測試精度較高，以水泵作為外接供水設(shè)備，可精確控制進水流量。土柱筒為多層式設(shè)計，方便不同層土樣開展入滲試驗，筒直徑為12cm，高度為55cm。入滲加載裝置可實現(xiàn)最大10kN加載測試，變形傳感器可采用應(yīng)變片測試，直連采集系統(tǒng)，亦可選用試驗系統(tǒng)配套的位移傳感器，其測試范圍為-20～20mm，精度可達0.2%。水泵設(shè)備在實驗過程中始終保持水頭恒定，架設(shè)馬氏瓶2個，距離土柱筒底部50cm，入滲量精確控制在0.1cm3/s。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集間隔為0.5s，實時采集變形以及試樣含水量參數(shù)，其中含水量參數(shù)由試驗系統(tǒng)中內(nèi)置的水分測量器感應(yīng)水分子測定，精度可達1%，另外，吸力傳感器為電阻式測量設(shè)備，可測定最大吸力為500kPa。該試驗系統(tǒng)可實現(xiàn)全穩(wěn)定入滲、半穩(wěn)定入滲以及模擬降雨入滲三種不同試驗條件，調(diào)節(jié)水泵供水裝置滿足試驗水頭要求即可，因而，文章將以該試驗系統(tǒng)開展堤防土體材料增濕變形及持水特性試驗研究。

1.2 實驗步驟

以土柱滲透儀開展土體材料持水以及增濕特性，按照如下試驗步驟進行。

(1)將試驗系統(tǒng)中各測量傳感器標定，完成實驗前標定準備工作后，安裝試樣并連接測試傳感器，確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作正常穩(wěn)定。

(2)穩(wěn)定吸力，調(diào)整基質(zhì)吸力加壓系統(tǒng)，確保試樣含水量與基質(zhì)吸力均處于穩(wěn)定狀態(tài)后，施加豎向壓力至目標試驗值，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中實時觀測加壓過程中試樣各項參數(shù)變化。

(3)加壓穩(wěn)定后，打開供水裝置，確保試樣上下端水頭均穩(wěn)定，測定積水入滲過程中試樣含水量以及變形量等參數(shù)，當試樣含水量以及基質(zhì)吸力不變時，認為此時土樣處于飽和狀態(tài)，測定飽和入滲狀態(tài)量。

(4)完成試驗，關(guān)閉供水裝置，卸下豎向壓力與基質(zhì)吸力，取出試樣后再次測定其含水量等參數(shù)，按照以上步驟重復開展第二塊試樣試驗。

2 堤防土壓縮變形特性

設(shè)計相同含水量15%、不同干密度分別開展不同恒定豎向壓力下土柱試驗，獲得土體壓縮變形特性；另一方面，設(shè)計含水量分別為15%、20%、25%、33%，不同干密度下開展常規(guī)壓縮試驗，對比兩種實驗結(jié)果所測定的壓縮變形。

2.1 孔隙比特征

為準確分析土樣壓縮變形，文章以土體孔隙比作為衡量土體壓縮特性參數(shù)，圖2為兩種壓縮試驗所測定的各干密度試驗組下的孔隙比與壓應(yīng)力曲線。從圖2中各實驗組整體表現(xiàn)來看，土樣壓縮過程中孔隙比變化主要分為兩階段：平緩下降、快速下降；土柱筒測試實驗中壓應(yīng)力為100kPa下孔隙比相比壓應(yīng)力為0kPa時減少了2.8%，而在壓應(yīng)力為100～200kPa過程中，孔隙比降低幅度達10.2%，分析表明，土樣初期壓縮變形主要由彈性變形引起，并不會對試樣內(nèi)部孔隙產(chǎn)生實質(zhì)性影響；而當壓縮應(yīng)力超過彈性壓密臨界點后，試樣內(nèi)部變形為次生損傷性，孔隙擠壓變形，進而導致孔隙比快速下降。對比同種試驗不同干密度試樣測試的孔隙比可知，不論是常規(guī)壓縮試驗亦或是土柱筒壓縮試驗，均呈現(xiàn)干密度愈大，孔隙比愈低，在常規(guī)壓縮試驗組中，同為100kPa壓應(yīng)力時干密度為1.42g/cm3的孔隙比為0.88，同等壓應(yīng)力試驗條件下干密度為1.62g/cm3的孔隙比相比前者降低了25%，為0.66。分析表明，土體材料干密度愈大，內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)結(jié)合愈緊密，內(nèi)部封閉孔隙愈少，故而實驗中呈現(xiàn)孔隙比與干密度呈負相關(guān)特征。對比兩種不同實驗測定的孔隙比可知，在平緩下降階段，兩種實驗所測定的孔隙比幾乎一致，而在快速下降階段中，土柱筒壓縮試驗測定的孔隙比稍高于常規(guī)壓縮試驗，即實驗方法對土體壓縮特性測試影響僅在塑性變形階段。

圖2 各密度下孔隙比特征參數(shù)變化曲線

2.2 壓縮變形特征參數(shù)

圖3為兩種實驗壓縮變形測試所得到的試樣壓縮系數(shù)與彈性指數(shù)，當實驗方法一致時，干密度愈大，彈性指數(shù)愈小，土柱筒壓縮試驗測定下干密度為1.62g/cm3的彈性指數(shù)為0.005，相比干密度為1.42g/cm3時降低了70.6%；壓縮系數(shù)與干密度關(guān)系亦呈逐漸降低態(tài)勢；另外，對比兩種實驗方法測定結(jié)果可知，土柱筒試驗所測定的彈性指數(shù)或壓縮系數(shù)均高于常規(guī)壓縮試驗，分析是由于土柱筒試驗中試樣尺寸較常規(guī)壓縮所用試樣大，另外土柱筒壓縮試驗中分級加壓，在一定程度上會造成變形不均勻，因而測定變形參數(shù)結(jié)果偏大。

圖3 土樣壓縮變形特征參數(shù)

3 堤防土增濕變形特性

限于篇幅，文章增濕變形僅討論土柱筒壓縮試驗后開展的全穩(wěn)定入滲測試，試驗方案組分別由含水量15%、20%、25%、33%，干密度1.42、1.54、1.62g/cm3組成，探討土體材料增濕變形特性。

3.1 增濕應(yīng)變特征

圖4為試驗測定不同壓應(yīng)力、干密度下增濕應(yīng)變與時間變化關(guān)系曲線，從不同壓力下增濕變形變化特征可知，增濕變形全過程分為快速增大與平緩變化兩個階段，快速增大階段持續(xù)時長較短，且豎向壓應(yīng)力愈小，快速增大階段持續(xù)時間愈短，豎向壓應(yīng)力為50kPa時其持續(xù)時長僅為508min，而豎向壓應(yīng)力為300kPa下持續(xù)時長超過4000min。在平緩變化階段，豎向壓應(yīng)力愈大，則極限增濕應(yīng)變愈大，豎向壓應(yīng)力為300kPa下的極限應(yīng)變達9.4%，相比100、200kPa分別增大了36.9%、15.3%。對比快速增大階段各豎向壓應(yīng)力下增長速率可知，豎向壓應(yīng)力為50kPa的平均每分鐘增長應(yīng)變?yōu)?.003%，而豎向壓應(yīng)力為100、200、300kPa時的增長幅度分別為0.0025%、0.002%、0.0015%，即豎向壓應(yīng)力愈大，試樣增濕變形快速增長階段增長速率愈小。

圖4 增濕應(yīng)變-時間關(guān)系

對比相同豎向壓應(yīng)力下不同干密度增濕變形變化曲線可知，干密度與增濕變形為負相關(guān)關(guān)系，相同試驗時間下干密度愈大，則增濕應(yīng)變愈小，在第3000min時干密度1.62g/cm3的增濕應(yīng)變?yōu)?.6%，相比干密度為1.42、1.54g/cm3相同時刻時的增濕應(yīng)變分別降低了75.1%、44%。分析表明，試樣干密度愈大，則試樣對水敏感性愈弱，增濕變形能力愈弱。

3.2 持水特征

為分析土柱筒壓縮試驗后全穩(wěn)定入滲過程中試樣持水特征，文章對增濕應(yīng)變與基質(zhì)吸力、含水量開展探討分析。從圖5中變化曲線可知，增濕應(yīng)變隨基質(zhì)吸力呈“陡升—平緩變化—緩慢上升”變化，陡升階段中在基質(zhì)吸力不變條件下增濕應(yīng)變漲幅較顯著，且豎向壓應(yīng)力愈大，則增濕應(yīng)變漲幅幅度愈大，豎向壓力為300kPa下在陡升階段中增濕應(yīng)變增大幅度達2個量級之多。隨著水分入滲，基質(zhì)吸力減小，增濕應(yīng)變進入平緩變化階段，但仍然以高豎向壓應(yīng)力下的增濕應(yīng)變?yōu)樽畲?，當基質(zhì)吸力為60kPa時，豎向壓應(yīng)力為300kPa的增濕應(yīng)變是50kPa下的1.8倍。當水分入滲完成后，試樣達到飽和狀態(tài)，增濕應(yīng)變增幅較低，100kPa下基質(zhì)吸力每減小1kPa，增濕應(yīng)變增大0.13%；同樣條件下，豎向壓應(yīng)力為200、300kPa的幅度參數(shù)分別為0.17%、0.19%；表明即使在試樣飽和狀態(tài)下，引起增濕變形愈強的仍然為高豎向壓應(yīng)力。

圖5 基質(zhì)吸力-增濕應(yīng)變-含水量關(guān)系

增濕應(yīng)變與含水量變化階段與基質(zhì)吸力有所類似，分為“陡升—平緩變化—緩慢上升”，不同的是各階段中隨含水量增大，增濕應(yīng)變才增長。在陡升階段，含水量不變，但增濕應(yīng)變快速增長，其中高豎向壓應(yīng)力下增濕變形愈大，在含水量為24%時，高豎向壓力為300kPa所達到的最大增濕應(yīng)變是100kPa下的1.2倍。引起增濕應(yīng)變平緩變化與緩慢上升階段的內(nèi)因?qū)嵸|(zhì)上與前述隨基質(zhì)吸力減少增濕應(yīng)變平緩變化與緩慢上升一致，緩慢上升與平緩變化臨界含水量為34.5%，對應(yīng)的基質(zhì)吸力為22.5kPa，該基質(zhì)吸力與含水量實質(zhì)為全穩(wěn)定入滲過程中土樣飽和狀態(tài)參數(shù)。

同理類似，文章給出不同干密度測試條件下增濕應(yīng)變分別與基質(zhì)吸力、含水量之間關(guān)系，如圖6所示。從圖6中可看出，各干密度試樣增濕應(yīng)變與基質(zhì)吸力、含水量變化關(guān)系均是一致的，呈“陡升—平穩(wěn)—緩慢上升”三階段特征。對比不同干密度試樣增濕應(yīng)變差異可知，干密度愈大，增濕應(yīng)變愈低，且緩慢上升階段中增長速率愈低，干密度為1.42g/cm3下的增濕變形在緩慢上升階段平均含水量每增長1%，增濕應(yīng)變增大0.6%，分析表明全過程增濕變形均以干密度愈低者為最大，且干密度影響增濕變形在緩慢上升階段的增長速率，干密度愈大者的增濕應(yīng)變受抑制愈強。

圖6 基質(zhì)吸力-增濕應(yīng)變-含水量關(guān)系(豎向壓力100kPa)

4 結(jié)論

(1)研究了土樣壓縮過程孔隙比呈“平緩下降、快速下降”兩階段特征；干密度愈大，孔隙比愈低， 100kPa壓應(yīng)力試驗條件下干密度為1.62g/cm3的孔隙比相比1.42g/cm3降低了25%；平緩下降階段兩種測試方法孔隙比均一致，但快速下降階段以土柱筒壓縮試驗測定孔隙比較高。

(2)獲得了土樣壓縮變形特征參數(shù)均與干密度呈負相關(guān)，土柱筒試驗條件下干密度為1.62g/cm3的彈性指數(shù)為0.005，相比干密度為1.42g/cm3時降低了70.6%，實驗結(jié)果仍然以土柱筒試驗方法偏高。

(3)研究了堤防土體材料增濕變形特征，全過程分為快速增大與平緩變化兩個階段，豎向壓應(yīng)力愈小，快速增大階段持續(xù)時間愈短，且豎向壓應(yīng)力愈大，該階段增長速率愈??；平緩變化階段，豎向壓應(yīng)力愈大，則極限增濕應(yīng)變愈大，豎向壓應(yīng)力300kPa下的極限應(yīng)變相比100、200kPa分別增大了36.9%、15.3%；干密度與增濕變形呈負相關(guān)。

(4)分析了土樣入滲過程持水特征，增濕應(yīng)變隨基質(zhì)吸力減小呈“陡升—平緩變化—緩慢上升”變化，其隨含水量增大亦是該三階段；高豎向壓應(yīng)力下的增濕應(yīng)變?yōu)樽畲螅敾|(zhì)吸力為60kPa時，豎向壓應(yīng)力300kPa的增濕應(yīng)變是50kPa下的1.8倍；干密度愈大，增濕應(yīng)變愈低。