渠坡非飽和膨脹土含水率與強(qiáng)度關(guān)系試驗(yàn)研究

李 斌，郝繼鋒，鞠遠(yuǎn)江，宋 博，章 博，羅小斌，王澤智，呂 寧

（1.中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司渠首分公司, 河南 南陽(yáng) 473200；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院, 江蘇 徐州 221116）

南水北調(diào)工程是世界上最大的水利樞紐工程，該工程牽涉到我國(guó)四大流域和十幾個(gè)省市區(qū)，涉及到大量復(fù)雜的地理環(huán)境和地質(zhì)情況，其中南水北調(diào)中線工程有近400 km 的渠道需要從膨脹巖土地區(qū)通過(guò)。南水北調(diào)中線渠首段目前面臨的工程難題之一是膨脹土渠坡的處理和維護(hù)。渠坡膨脹土屬于典型的非飽和土，其力學(xué)性質(zhì)與含水特征關(guān)系密切，含水特征又隨滲流過(guò)程而變化[1-2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)非飽和膨脹土力學(xué)性質(zhì)做了較多有意義的研究。Escario 等[3]通過(guò)非飽和土直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基質(zhì)吸力和非飽和土抗剪強(qiáng)度存在非線性關(guān)系，基質(zhì)吸力越大其非線性關(guān)系越顯著。郭倩怡等[4]發(fā)現(xiàn)基質(zhì)吸力與黏聚力呈線性函數(shù)關(guān)系，在一定吸力范圍內(nèi)，土體的黏聚力隨基質(zhì)吸力呈線性增加，且基質(zhì)吸力對(duì)內(nèi)摩擦角影響不大?？娏植萚5]利用改進(jìn)的非飽和土三軸儀對(duì)南陽(yáng)非飽和膨脹土做了大量剪切試驗(yàn)，結(jié)果顯示基質(zhì)吸力與吸附強(qiáng)度存在非線性關(guān)系。多位學(xué)者運(yùn)用單軸和三軸試驗(yàn)分別對(duì)膨脹潛勢(shì)、含水率、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)和循環(huán)次數(shù)等因素與非飽和膨脹土黏聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系做了很多研究：呂海波等[6]分析了膨脹土強(qiáng)度衰減的擬合曲線；郭永春等[7]設(shè)計(jì)了膨脹土連續(xù)吸水試驗(yàn)；崔穎等[8]設(shè)計(jì)了增設(shè)水力梯度控制裝置的GDS 非飽和土三軸試驗(yàn)；舒志樂(lè)等[9]構(gòu)建了不同干濕循環(huán)次數(shù)下膨脹土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；張琦等[10]探究了凍融循環(huán)對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響。通過(guò)一系列試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)膨脹土的土質(zhì)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，且常處于非飽和狀態(tài)，其抗剪強(qiáng)度與吸力或濕度狀態(tài)密切相關(guān)，這使得膨脹土抗剪強(qiáng)度具有動(dòng)態(tài)性特點(diǎn)。楊慶等[11]對(duì)非飽和膨脹土的重塑試樣進(jìn)行大量吸附強(qiáng)度試驗(yàn)和膨脹力試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)非飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度隨含水率不斷變化，且與其吸附強(qiáng)度和膨脹力存在良好的線性關(guān)系。除此之外，研究發(fā)現(xiàn)非飽和滲流對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響也十分關(guān)鍵。陳善雄等[12]分析了降雨條件下非飽和土邊坡的穩(wěn)定性，認(rèn)為土中吸力的喪失是邊坡失穩(wěn)的重要因素。陳亮勝等[13]發(fā)現(xiàn)非飽和滲流的時(shí)空分布對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響顯著，也易在飽和-非飽和分界帶形成剪應(yīng)力集中區(qū)。饒鴻等[14]發(fā)現(xiàn)在持續(xù)降雨過(guò)程中，雨水先在坡腳匯集再向坡體內(nèi)入滲，并集中形成降雨滲透區(qū)，區(qū)域內(nèi)土體軟化，強(qiáng)度降低，塑性變形增大，逐漸發(fā)展形成圓弧形滑動(dòng)面，最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。但目前對(duì)膨脹土體在非飽和-飽和之間變化時(shí)的動(dòng)態(tài)抗剪強(qiáng)度研究尚未深入開(kāi)展。

本文采用南水北調(diào)中線渠首段膨脹土試樣進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，通過(guò)土-水特征曲線試驗(yàn)和上滲試驗(yàn)討論了渠坡非飽和膨脹土含水率的變化過(guò)程，通過(guò)滴定直剪試驗(yàn)討論了含水率變化與抗剪強(qiáng)度變化的關(guān)系，為揭示渠坡膨脹土在非飽和-飽和之間變化時(shí)其整體和內(nèi)部的滲流特征對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省南陽(yáng)市淅川縣陶岔，屬南水北調(diào)中線工程渠首段（圖1）。研究區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，流量變化較大，汛期水量豐沛，枯水期水量很小。渠坡土體地下水受降水和渠道水位控制，也有較大變化。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of the study area

圖2 研究區(qū)1-1’截面地層剖面圖Fig.2 Stratigraphic profile of the section 1-1’ in the study area

表1 物理指標(biāo)與強(qiáng)度指標(biāo)值Table 1 Values of physical and strength indicators

2 試驗(yàn)方法

2.1 導(dǎo)水特征試驗(yàn)

非飽和土含水率變化會(huì)對(duì)其工程性質(zhì)產(chǎn)生影響[16]，而通過(guò)試驗(yàn)研究非飽和膨脹土的導(dǎo)水能力，可以獲得土體滲流特征對(duì)其含水率變化的影響[17]，從而進(jìn)一步探究含水率變化對(duì)工程性質(zhì)變化的影響。

非飽和土水分運(yùn)移量受基質(zhì)吸力（即基質(zhì)勢(shì)）梯度的影響，基質(zhì)勢(shì)又受土體含水率及其分布的影響。實(shí)踐中常用土-水特征曲線法和瞬時(shí)剖面法來(lái)獲取土體導(dǎo)水率，通過(guò)導(dǎo)水率可建立水分運(yùn)移量模型，從而獲得含水率空間分布的實(shí)時(shí)狀態(tài)。本文進(jìn)行了土水特征曲線試驗(yàn)和膨脹土上滲試驗(yàn)，對(duì)渠坡非飽和膨脹土導(dǎo)水率特征進(jìn)行了探討。

（1）土-水特征曲線法

利用土-水特征曲線試驗(yàn)計(jì)算非飽和細(xì)粒土導(dǎo)水率是獲取土體導(dǎo)水率的傳統(tǒng)方法[18]。非飽和土的導(dǎo)水率與作為水分運(yùn)移通道的孔隙大小密切相關(guān)[19]。導(dǎo)水率函數(shù)K(θ)i可以表示為一系列與基質(zhì)吸力有關(guān)項(xiàng)目之和[20]。如果將土-水特征曲線按體積含水率（ θ）分為m段，它的m個(gè)中點(diǎn)i都相應(yīng)的有1 個(gè)基質(zhì)吸力si和1 個(gè)體積含水率 θi，可以認(rèn)為，此時(shí)的每1 個(gè)體積含水率即對(duì)應(yīng)1 個(gè)導(dǎo)水率。對(duì)于任1 點(diǎn)i，其導(dǎo)水率K(θ)i可以寫(xiě)為：

式中：i—段的編號(hào)，i=1,2,3,···,m；

ks、ksc—單獨(dú)實(shí)測(cè)和由公式計(jì)算得到的飽和滲透系數(shù)/（m·s-1）；

sj—相應(yīng)于j間段的基質(zhì)吸力/Pa；

Ad—調(diào)整常數(shù)，計(jì)算式為：

式中：Ts—水的表面張力/（N·m-1）；

θs—飽和土的體積含水率/%；

ρw—水的密度/（kg·m-3）；

g—重力加速度/（m·s-2）；

N—計(jì)數(shù)段數(shù)；

p—孔隙尺寸影響系數(shù)，取2.0。

該試驗(yàn)先利用變水頭法實(shí)測(cè)出膨脹土重塑樣的滲透系數(shù)，然后選用TEN-30 土壤張力計(jì)按增濕和干燥過(guò)程分別測(cè)定出測(cè)試段重塑膨脹土的土-水特征曲線。增濕過(guò)程試驗(yàn)需在試驗(yàn)前測(cè)得試樣的含水率。試驗(yàn)時(shí)將插有張力計(jì)且含水率已測(cè)定的土樣裝入保鮮袋密封，觀測(cè)張力計(jì)壓力表讀數(shù)并記錄。張力計(jì)壓力表24 h 內(nèi)的穩(wěn)定讀數(shù)即為該含水率下的基質(zhì)吸力。每隔24 h 對(duì)保鮮膜內(nèi)土樣進(jìn)行階段性增濕，并記錄每次加水后的階段含水率和對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力。如此循環(huán)，直至加水后張力計(jì)穩(wěn)定讀數(shù)為0。干燥過(guò)程試驗(yàn)則需制備高含水率試樣，以渠坡膨脹土的液限為標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)時(shí)不封閉土樣，使其在室內(nèi)自然風(fēng)干，按相應(yīng)的時(shí)間間隔觀測(cè)和記錄試樣的實(shí)時(shí)含水率和基質(zhì)吸力。依據(jù)土水特征曲線，按式（1）計(jì)算并繪制導(dǎo)水率和體積含水率的關(guān)系曲線。

（2）上滲試驗(yàn)瞬時(shí)剖面法

大氣影響下地下水的豎向交換是渠坡膨脹土中水分運(yùn)移的主要形式，因此通過(guò)研究土中水分豎直方向上的運(yùn)移規(guī)律[21]，并根據(jù)試驗(yàn)可獲取水分豎向運(yùn)移時(shí)斷面水通量（q）及基質(zhì)吸力（s）的梯度。當(dāng)規(guī)定z坐標(biāo)向上為正時(shí)，非飽和土在垂直方向上的一維流動(dòng)可由達(dá)西定律推導(dǎo)出導(dǎo)水率K(θ)的計(jì)算公式，即式（3）。依據(jù)該式并結(jié)合瞬時(shí)剖面法可計(jì)算非飽和導(dǎo)水率[22]，對(duì)渠坡膨脹土水分運(yùn)移研究更有意義。其原理如圖3 所示。

圖3 含水率分布曲線Fig.3 Water content distribution curve

在非飽和土水分上滲試驗(yàn)中，由連續(xù)性原理可知：不同位置斷面體積含水率的變化值是由各斷面之間水分運(yùn)移量決定的，如式（4）所示，因此可以根據(jù)測(cè)得的t1和t2時(shí)刻不同位置斷面的體積含水率分布θ(t1)和θ(t2)，計(jì)算t1—t2時(shí)段內(nèi)任一斷面z處的水分通量q(z)：

對(duì)式（4）進(jìn)行積分，積分限由z0至z，則可得

令z0=0，則q(0)為飽和位置水通量，記為q0，其可通過(guò)裝置的總補(bǔ)水量扣除蒸發(fā)量后求得，式（5）可進(jìn)一步寫(xiě)為：

相鄰斷面的初始含水差異總量可由圖3 中1-4-5-6 的圖形面積求得。Δt=t2-t1時(shí)段內(nèi)相鄰斷面的含水差異總量可由圖3 中1-2-3-4 陰影部分的面積求得，該值除以 Δt即為t1—t2時(shí)段內(nèi)z斷面處的平均水分通量值q(z)。取不同的z值，分別求出z斷面處的平均q、?s/?z和θ（或s）值，便可得出K-θ（或K-s）關(guān)系。進(jìn)行室內(nèi)非飽和膨脹土水分上滲試驗(yàn)的裝置如圖4 所示。裝置主體為外徑50.0 mm、內(nèi)徑45.8 mm、長(zhǎng)400 mm 的對(duì)分透明有機(jī)玻璃管，試驗(yàn)膨脹土填入玻璃管，并用支架固定在底部的供水部分之上。玻璃管側(cè)壁標(biāo)明刻度，用于確定擬選的測(cè)試斷面位置。玻璃管均勻?qū)Ψ值哪康氖巧蠞B完成后，在不擾動(dòng)土樣的情況下取出不同斷面的土樣進(jìn)行含水率測(cè)試。整個(gè)玻璃管豎直向上按5 cm 間隔利用橡膠圈和箍扣進(jìn)行固定，防止玻璃管側(cè)壁透氣影響試驗(yàn)效果。供水裝置采用滲水盆，并始終保持滲水盆水位穩(wěn)定，用支架控制上滲土體與水面位置不發(fā)生變化，即保證上滲起點(diǎn)（滲水盆水面處）基質(zhì)吸力為0 且保持不變。

圖4 非飽和土體水分上滲試驗(yàn)裝置圖Fig.4 Diagram of test device for water infiltration in the unsaturated soil

試驗(yàn)土柱采用分層填入擊實(shí)的方法獲取，并控制其初始含水率和初始干密度。試驗(yàn)過(guò)程中為進(jìn)一步防止土柱水分從側(cè)壁蒸發(fā)，將土柱用保鮮膜纏繞密封。將土柱底部斷面固定于滲水盆水面處開(kāi)始試驗(yàn)，上滲結(jié)束后，及時(shí)打開(kāi)保鮮膜、箍扣和橡膠圈，并對(duì)各斷面位置土樣測(cè)試含水率，按初始干密度將含水率換算為體積含水率，獲得各組試驗(yàn)體積含水率隨斷面位置的變化規(guī)律。

2.2 直剪試驗(yàn)

膨脹土中含水率的變化對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響是多方面的：一方面土的抗剪強(qiáng)度會(huì)隨含水率的增加而降低，這是因?yàn)樗衷谕亮１砻嫫饾?rùn)滑作用，使其摩阻力降低；另一方面，由于膨脹土的脹縮性，含水率增加后，土體膨脹并產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致土體整體的穩(wěn)定性降低，且裂隙使土體內(nèi)部更易形成貫通通道，極大地增加了膨脹土的滲透性，使土體易失穩(wěn)。

地下水位以上的渠坡膨脹土為非飽和土[23]，其抗剪強(qiáng)度可視作飽和狀態(tài)下的有效抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力引起的吸附強(qiáng)度之和[24]。但在實(shí)際應(yīng)用中，基質(zhì)吸力的測(cè)定較困難，且其大小隨含水率變化迅速，難以用該假設(shè)獲取非飽和土抗剪強(qiáng)度值[25]。為此設(shè)計(jì)了滴定直剪試驗(yàn)，用以研究渠坡膨脹土在各級(jí)含水率下的非飽和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化。

該試驗(yàn)對(duì)已知初始干密度和含水率的重塑膨脹土，先進(jìn)行滴定膨脹試驗(yàn)，待試驗(yàn)土樣滴定至其膨脹穩(wěn)定后再進(jìn)行直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置主要由DZJ-1 型電動(dòng)等應(yīng)變直剪儀、固結(jié)容器、護(hù)環(huán)、百分表和鋁制透水板組成。

用加工的帶孔透水鋁板代替透水石作為加水通道。鋁制透水板直徑61.5 mm、厚15 mm，透水板軸向布置12 個(gè)孔徑4 mm 的小孔便于快速加水滴定。試驗(yàn)中，通過(guò)百分表觀測(cè)不同增濕含水率下土樣的變形，增濕含水率以初始含水率為基礎(chǔ)，根據(jù)每次滴定的水量，用最終實(shí)測(cè)含水率和初始含水率折算損失率后確定。滴定水用高精度注射器從透水板各孔內(nèi)均勻滴入試樣，每次滴定后按設(shè)計(jì)的時(shí)間間隔讀取和記錄百分表讀數(shù)，連續(xù)2 個(gè)讀數(shù)間隔的差值小于0.02 mm，可以認(rèn)為在該級(jí)滴定含水率下土樣膨脹穩(wěn)定，再進(jìn)行下一次滴定。直至最后1 級(jí)增濕含水率下土樣的濕脹總變形量不超過(guò)0.02 mm 為止。

在滴定過(guò)程中，由于蒸發(fā)、附著等因素，土樣每次滴定的實(shí)際吸水量一定比加水量少，因此滴定后土樣的增濕含水率不能由初始含水率與滴定加水量之和來(lái)確定，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)損失水量修正。在引用有效吸收比例Δmw/mw進(jìn)行修正后，土樣的第i級(jí)實(shí)際含水率可按下式計(jì)算：

式中：wi—第i級(jí)含水率/%；

w0—初始含水率/%；

mwi—第i次滴定加水量/g；

ms—干土的質(zhì)量/g；

Δmw—滴定后土樣增加的質(zhì)量/g；

mw—總滴定水量/g。

試驗(yàn)所得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值與特定初始條件下的增濕含水率一一對(duì)應(yīng)后，即可得到相應(yīng)的關(guān)系曲線。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 導(dǎo)水試驗(yàn)

上滲試驗(yàn)試樣選用自由膨脹率80%、塑限20%的土樣配置，控制其初始含水率為15%，初始干密度為1.65 g/cm3。試驗(yàn)共分7 組，分別使各組上滲時(shí)間為1～7 d，將7 組試驗(yàn)的結(jié)果統(tǒng)一列于圖5。

圖5 入滲7 d 內(nèi)體積含水率分布曲線Fig.5 Distribution curve of volumetric water content within 7 days of infiltration

分析圖5 可知，在試驗(yàn)開(kāi)始后，土體體積含水率快速增長(zhǎng)，相同高度位置處體積含水率增長(zhǎng)速度隨試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間的增加而減小。z0斷面的體積含水率穩(wěn)定，所有其他斷面的最大體積含水率均小于z0斷面體積含水率?？梢?jiàn)，非飽和滲流不可能使土體達(dá)到飽和狀態(tài)。每條試驗(yàn)曲線最高測(cè)試點(diǎn)處即為濕潤(rùn)鋒，相當(dāng)于自然條件下浸潤(rùn)線的位置。越接近浸潤(rùn)面，基質(zhì)吸力梯度越大，在浸潤(rùn)面處土體的體積含水率驟變?yōu)榻咏跏俭w積含水率，基質(zhì)吸力梯度達(dá)最大值。

將各組不同試驗(yàn)時(shí)間獲得的曲線結(jié)合式（4）—（6）計(jì)算出相鄰時(shí)間段內(nèi)通過(guò)各斷面的水通量，單位為mL。由于體積含水率梯度與對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力梯度一致，則可按式（3）計(jì)算出相鄰時(shí)段內(nèi)各斷面位置處各初始體積含水率所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)水率K(θ)。

將土-水特征曲線預(yù)測(cè)的導(dǎo)水率曲線與上滲試驗(yàn)瞬時(shí)剖面法計(jì)算得到的導(dǎo)水率曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 導(dǎo)水率曲線對(duì)比圖Fig.6 Comparison of hydraulic conductivity curves

分析圖6 可知，2 種方法下的非飽和膨脹土導(dǎo)水率K(θ)均隨體積含水率的減小而降低，且均呈指數(shù)分布。由于在導(dǎo)水率計(jì)算中，把只在孔隙中運(yùn)移的水分等價(jià)為全斷面運(yùn)移，這使得實(shí)際過(guò)水面積既小于非飽和狀態(tài)下的計(jì)算面積，又小于飽和狀態(tài)下的計(jì)算面積。土體體積含水率與飽和體積含水率的差值越大，計(jì)算面積的差值也越大。因此，在單位基質(zhì)吸力梯度作用下，體積含水率越低，水分實(shí)際運(yùn)移通道面積越小，即使水分在土體孔隙中的真實(shí)流速不減小，計(jì)算出的導(dǎo)水率也會(huì)越小。另外，在實(shí)際土體中，體積含水率越低，水分越容易存在于較小的孔隙中，導(dǎo)致水分運(yùn)移過(guò)程中，單位體積水分在小孔隙中所受阻力更大；因此單位基質(zhì)勢(shì)條件下，小孔隙中水分運(yùn)移的實(shí)際速度要小于大孔隙中的速度。上述2 個(gè)因素均導(dǎo)致導(dǎo)水率隨體積含水率降低而降低。

含水率低于塑限時(shí)，瞬時(shí)剖面法計(jì)算導(dǎo)水率曲線與土-水特征曲線預(yù)測(cè)導(dǎo)水率曲線基本重合，隨含水率的增大，兩者差別增大，瞬時(shí)剖面法曲線最大值約是土水特征曲線預(yù)測(cè)曲線最大值的5 倍。

膨脹土含水率低于塑限后，土中結(jié)合水含量增加，結(jié)合水膜增厚，吸力急劇降低。而采用土-水特征曲線法預(yù)測(cè)導(dǎo)水率時(shí)未考慮該情況，導(dǎo)致預(yù)測(cè)的導(dǎo)水率偏小。這從側(cè)面說(shuō)明，膨脹土渠坡水分豎向運(yùn)移規(guī)律分析中，瞬時(shí)剖面法計(jì)算更為適用。

3.2 直剪試驗(yàn)

對(duì)初始干密度1.65 g/cm3、不同初始含水率（w0=10%、15%、20%）的土樣按5～8 級(jí)進(jìn)行滴定增濕，實(shí)測(cè)最大增濕含水率為39.5%。各級(jí)滴定變形穩(wěn)定后，由直剪試驗(yàn)獲得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)如圖7 所示。

圖7 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨含水率的變化Fig.7 Change of shear strength index with water content

分析圖7 可知，試樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角均隨增濕含水率的增大而減小，可見(jiàn)滴定會(huì)使土樣增濕膨脹，土顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用降低。初始含水率越大，黏聚力越大，內(nèi)摩擦角越小。初始含水率低時(shí)，土樣擊實(shí)難度大，內(nèi)部均勻程度差；初始含水率接近土樣塑限時(shí)，擊實(shí)效果好，內(nèi)部均勻，初始黏聚力較大；而初始含水率高時(shí)，水的潤(rùn)滑作用會(huì)使得顆粒間的摩擦力降低，初始內(nèi)摩擦角較小。不同初始含水率土的黏聚力、內(nèi)摩擦角在較低增濕含水率時(shí)的差別更大，當(dāng)增濕含水率增大到30%以后，由于黏聚力、內(nèi)摩擦角都急劇降低，這種情況表現(xiàn)得不明顯。

試樣黏聚力隨含水率增加而降低的幅度先快后慢。增濕初期，黏聚力急劇降低，初始含水率為10%、15%和20%的土樣，在分別增濕到24%、28%和30%時(shí)，黏聚力的減小速度出現(xiàn)拐點(diǎn)，初始含水率越小，拐點(diǎn)出現(xiàn)的越早。內(nèi)摩擦角隨含水率增加而減小的幅度呈先慢后快的趨勢(shì)，其拐點(diǎn)在20%含水率附近；初始含水率20%的試樣緩慢變化段缺失。拐點(diǎn)后隨著含水率的不斷增大，內(nèi)摩擦角近似呈線性減小。

4 討論

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可知，膨脹土渠坡的水位開(kāi)始變化時(shí)，由于基質(zhì)吸力和重力的共同作用，水位線以上的非飽和膨脹土的含水率開(kāi)始變化，其導(dǎo)水率也隨之變化。含水率越低，導(dǎo)水率越小，但導(dǎo)水率變化速率越快，土體含水率分布變化也越快；反之，含水率越高，導(dǎo)水率越大，但導(dǎo)水率變化速率越慢，土體含水率趨于穩(wěn)定。通過(guò)滴定直剪試驗(yàn)可知，隨著含水率的增加，渠坡非飽和膨脹土的抗剪強(qiáng)度會(huì)隨之降低。初始含水率越低，黏聚力下降越慢，內(nèi)摩擦角下降越快。

初始含水率越低，土體導(dǎo)水率對(duì)含水率的變化率影響越強(qiáng)。由于含水率變化率與抗剪強(qiáng)度降低速率成正相關(guān)，因此低含水率渠坡非飽和膨脹土的抗剪強(qiáng)度受水位波動(dòng)影響更加明顯。降水入滲或渠坡水位上升，會(huì)導(dǎo)致地表與地下水位之間的土體含水率增加，強(qiáng)度降低明顯；反之，干燥少雨或渠坡水位下降，會(huì)導(dǎo)致地表與地下水位之間的土體含水率減小，強(qiáng)度增加。即非飽和膨脹土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)不等價(jià)于其天然含水率強(qiáng)度指標(biāo)，也比飽和強(qiáng)度指標(biāo)要高，并隨空間位置和水位條件變化而變化，使用勘察獲取的強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定性分析是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

在實(shí)際工程中，渠道水位升降、地表降水引起地下水位上升、人工排水引起地下水位下降等，都會(huì)使渠坡膨脹土含水率分布發(fā)生明顯變化，土體抗剪強(qiáng)度分布同時(shí)發(fā)生明顯變化，實(shí)際的最危險(xiǎn)滑面位置也會(huì)發(fā)生變化，因此在計(jì)算渠坡穩(wěn)定性時(shí)，不宜直接使用天然含水率強(qiáng)度或土體飽和強(qiáng)度，而應(yīng)考慮水位變化引起的渠坡不同位置含水率的變化，也就是應(yīng)在穩(wěn)定性分析模型的基礎(chǔ)上再建立1 個(gè)含水率變化模型，這個(gè)模型的飽和帶以潛水位的變化為代表，非飽和帶以對(duì)應(yīng)位置的導(dǎo)水率作為含水率的變化比率。本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)及其結(jié)果曲線可為含水率變化模型及渠坡穩(wěn)定性分析模型的建立提供計(jì)算參數(shù)和理論依據(jù)。

5 結(jié)論

（1）南水北調(diào)中線渠首段渠坡非飽和膨脹土的初始含水率會(huì)影響導(dǎo)水率，含水率變化速率受導(dǎo)水率影響較大，含水率的變化會(huì)引起抗剪強(qiáng)度相應(yīng)變化。

（2）含水率越低，導(dǎo)水率越小，導(dǎo)水率變化速率越快，反之導(dǎo)水率變化速率越慢，土體含水率趨于穩(wěn)定。

（3）抗剪強(qiáng)度隨含水率增加而明顯衰減；初始含水率越低，黏聚力下降越慢，內(nèi)摩擦角下降越快。強(qiáng)度衰減過(guò)程先快后慢；不同初始含水率試樣的抗剪強(qiáng)度均在增濕至30%左右時(shí)產(chǎn)生拐點(diǎn)，衰減速率降低并趨于穩(wěn)定。