周　莉,張慶海,韓　雪,趙子龍

(黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

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阿勒錦島岸坡非飽和土土-水特性曲線實(shí)驗(yàn)研究

周莉,張慶海,韓雪,趙子龍

(黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

研究基質(zhì)吸力與含水率或飽和度的關(guān)系,對天然岸坡無堤利用具有重要意義。采用TFB-1型非飽和土應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸儀,對阿勒錦島天然岸坡非飽和原狀土土-水特征曲線及變化規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。運(yùn)用兩種實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行對比,采用軸平移技術(shù)控制基質(zhì)吸力,用Van Genuchten模型對土-水特征曲線作擬合分析。結(jié)果表明:非飽和土體積含水率隨著基質(zhì)吸力的增加而遞減,逐漸趨于穩(wěn)定值,約為15%,當(dāng)體積含水率小于15%后,非飽和土的抗剪強(qiáng)度將逐漸提高;整個土-水特征曲線呈現(xiàn)“S”形,符合經(jīng)典土-水特征曲線大致趨勢,且具有明顯的階段性特征。

非飽和土;基質(zhì)吸力;體積含水率;土-水特征曲線

0　引　言

阿勒錦島位于松花江哈爾濱段,2013年8月經(jīng)歷了1998年以來15年一遇的最高水位119.49 m的洗禮,洪水將該島大部分淹沒。洪水過后,島周邊天然岸坡多處發(fā)生坍塌失穩(wěn),江岸后退,嚴(yán)重影響阿勒錦島無堤利用的開發(fā)建設(shè)規(guī)劃。為此,文中從非飽和土土-水特征曲線入手,開展對阿勒錦島天然岸坡非飽和土體的穩(wěn)定性研究。

土-水特征曲線是非飽和土研究中的重要內(nèi)容。它描述非飽和土中含水率(重力含水率、體積含水率)或飽和度與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系。非飽和土的抗剪強(qiáng)度受基質(zhì)吸力的直接影響,邊坡或岸坡雨后容易失穩(wěn),均因?yàn)橛晁霛B后土體含水率提高,基質(zhì)吸力下降,導(dǎo)致強(qiáng)度降低。近年來,國內(nèi)外很多學(xué)者從理論及工程應(yīng)用兩方面,研究基質(zhì)吸力與含水率或飽和度的關(guān)系[1-5],取得了很多成果。但非飽和土的土-水特征曲線受多種因素影響[6],情況復(fù)雜。筆者利用TFB-1型非飽和土應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸儀,對阿勒錦島天然岸坡非飽和原狀土土-水特征及變化規(guī)律進(jìn)行研究。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1試樣與設(shè)備

試樣選取天然岸坡穩(wěn)定性比較差、受河水沖刷比較嚴(yán)重地段的阿勒錦島北岸松浦大橋東約150 m處原狀土。該處初見地下水位1.2 m,取土深度為1 m,共取11塊φ39.1 mm×80.0 mm砂質(zhì)粉土試樣。1～11號試樣的天然含水率為26%,比重為2.69,液限為29.19%,塑限為20.68%,密度分別為1.96、1.89、1.98、1.88、1.89、1.89、1.85、1.91、1.93、1.90、1.92 g/cm3。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的TFB-1型非飽和土應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸儀,試樣中量測基質(zhì)吸力精度±0.01 mL,基質(zhì)吸力控制采用高進(jìn)氣值陶土板,其最大進(jìn)氣值為800 kPa。當(dāng)試樣和陶土板之間的壓力小于陶土板的進(jìn)氣值(800 kPa)時,試樣中的水通過陶土板而氣體被隔絕,水進(jìn)入三軸儀量測系統(tǒng),通過電子顯示窗可以觀察試樣中排出的水;相反,試樣與陶土板壓力大于進(jìn)氣值時,試樣中孔隙水和空氣一同排出,量測的試樣排出的水包括孔隙氣與孔隙水,實(shí)驗(yàn)結(jié)果將出現(xiàn)誤差。因此,實(shí)驗(yàn)必須在控制吸力的同時還要考慮陶土板的上限進(jìn)氣值。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

非飽和土在大氣壓力下孔隙水壓力為負(fù)值,在進(jìn)行非飽和土實(shí)驗(yàn)時,當(dāng)土中的孔隙水壓力接近負(fù)一個大氣壓力時,水會氣化,使排水系統(tǒng)進(jìn)氣而無法正確讀數(shù)。因此,實(shí)驗(yàn)采用軸平移技術(shù)[7],通過提升孔隙氣壓ua來使孔隙水壓uw達(dá)到正值,以避免排水系統(tǒng)中發(fā)生汽化[8]。實(shí)驗(yàn)用控制基質(zhì)吸力法,求出脫濕過程的土-水特征曲線,施加每級進(jìn)氣值的同時施加圍壓σ3,使孔隙水壓力隨進(jìn)氣值的變化而變化。即將孔隙氣壓力與孔隙水壓力都增加(平移)相同壓力值,但土中的基質(zhì)吸力始終保持不變。為了消除初始基質(zhì)吸力,首先對制備好的試樣進(jìn)行真空抽氣飽和,然后在默認(rèn)陶土板孔隙水壓力(uw)為0的情況下開始實(shí)驗(yàn)。

由于實(shí)驗(yàn)采用天然土樣,所以不存在擊實(shí)功的影響。同時盡量減少如應(yīng)力歷史、凈平均應(yīng)力等因素的影響,實(shí)驗(yàn)過程中凈平均應(yīng)力統(tǒng)一設(shè)置為5 kPa。取樣為同一地位、統(tǒng)一深度、同一種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),故應(yīng)力歷史相同。實(shí)驗(yàn)著重討論體積含水率(w)與基質(zhì)吸力(F)的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)分兩組進(jìn)行,第一組為多個試樣控制不同級別基質(zhì)吸力,第二組為兩個試樣控制不同級別基質(zhì)吸力,通過對兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比,得出阿勒錦島天然岸坡非飽和土的土-水特征曲線。

方法一:對制備好的1～9號試樣施加不同的進(jìn)氣值(ua),使每個試樣對應(yīng)一個基質(zhì)吸力值(ua-uw),基質(zhì)吸力值分別控制在0、50、100、150、200、250、300、350、400 kPa。首先,將每個試樣裝入壓力室中,施加5 kPa的預(yù)壓荷載(σ3)[9],等待試樣變形和內(nèi)體積變化穩(wěn)定后,記錄相應(yīng)數(shù)值,并且以此作為變形和內(nèi)體積變化的參照零點(diǎn)。之后，同步施加圍壓σ3和孔隙氣壓(進(jìn)氣值),到預(yù)定的基質(zhì)吸力值(ua<σ3),并控制凈圍壓(σ3-ua)為5 kPa,直到變形和內(nèi)體積變化穩(wěn)定,即內(nèi)體積變化連續(xù)2 h不超過0.01 mL,且每個試樣基質(zhì)吸力控制實(shí)驗(yàn)歷時不少于96 h,記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)。取下試樣清洗陶土板,進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

方法二:將制備好的第10、11號試樣分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn),試樣逐級施加不同圍壓和孔隙氣壓,逐級控制基質(zhì)吸力值為0、50、100、150、200、250、300、350、400 kPa。首先,將試樣裝入壓力室中,同方法一操作完全相同。然后,逐級施加圍壓和孔隙氣壓到預(yù)定的基質(zhì)吸力值,凈圍壓(σ3-ua)控制在5 kPa,每級加載直到變形和內(nèi)體積變化穩(wěn)定,即內(nèi)體積變化連續(xù)2 h不超過0.01 mL,且每級基質(zhì)吸力控制實(shí)驗(yàn)歷時不少于96 h,并記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)。再進(jìn)行下一級控制基質(zhì)吸力實(shí)驗(yàn),以此類推,直至最后一級實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與曲線擬合分析

2.1土-水特征曲線

兩種測試方法中,重力含水率均通過測試間接取得,即通過系統(tǒng)排出水的質(zhì)量,換算出試樣本級基質(zhì)吸力所對應(yīng)的重力含水率,再通過重力含水率換算出體積含水率。式(1)為質(zhì)量含水率換算式,式(2)為體積含水率換算式[10]。

(1)

wQ=wjρd/ρw,

(2)

式中:wj——本級基質(zhì)吸力下試樣的重力含水率,%;

wi——上級基質(zhì)吸力下試樣的重力含水率,%;

ws——試樣飽和重力含水率,%;

m——飽和試樣的總質(zhì)量,g;

Δmj——本級基質(zhì)吸力排出水的質(zhì)量,g;

wQ——本級基質(zhì)吸力下試樣的體積含水率,%;

ρd——試樣的干密度,g/cm3;

ρw——4 ℃時蒸餾水密度,g/cm3。

由此得到各試樣基質(zhì)吸力與體積含水率的關(guān)系如表1,對應(yīng)的土-水特征曲線如圖1所示。

圖1　土-水特征曲線

從圖1和表1可見,兩種方法所測得的數(shù)據(jù)非常接近,路徑趨勢也相同。方法二中兩組數(shù)據(jù)中的最大差值僅為2%。說明如果土質(zhì)比較均勻,兩種方法均可用來進(jìn)行非飽和土土-水特征曲線的實(shí)驗(yàn)研究。要強(qiáng)調(diào)的是,如果單獨(dú)采用方法二,至少要選2～3個試樣進(jìn)行,以避免實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偶然性。

表1　基質(zhì)吸力與體積含水率的關(guān)系

2.2土-水特征曲線擬合分析

為了使土-水特征曲線得到精確描述和準(zhǔn)確運(yùn)用,因此采用數(shù)學(xué)關(guān)系對土-水特征曲線擬合。近年來,許多學(xué)者提出多個數(shù)學(xué)模型描述土-水特征曲線,常用的包括Van Genuchten(1980)[11]模型、Frendlund-Xing[12]模型、Garden[13]模型等。這些模型均為非線性“S”形曲線,通過比較[14],Van Genuchten方程在低吸力范圍(0～1 000 kPa)[15]內(nèi)實(shí)測數(shù)據(jù)曲線擬合程度比較好,Van Genuchten模型既連續(xù)又有連續(xù)斜率,曲線光滑,在非飽和土土-水特征曲線研究中得到廣泛應(yīng)用。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，表達(dá)式為

(3)

式中:ws——飽和體積含水率;

wr——?dú)堄囿w積含水率;

h——壓力水頭,cm;

α、m、n——經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

對于數(shù)據(jù)處理及曲線擬合的方法很多,文中選用sigmaplot軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合,其中wr的確定趨于最小值,ws趨于最大值。擬合參數(shù)如表2,擬合曲線如圖2。

表2　數(shù)據(jù)擬合參數(shù)

圖2　土-水特征擬合曲線

由表2可知,兩種方法各擬合參數(shù)均比較接近,兩條擬合曲線相關(guān)系數(shù)均在0.993以上,說明應(yīng)用Van Genuchten模型擬合阿勒錦島土-水特征曲線比較適合。

由圖2可見,兩種方法的土-水特征曲線與經(jīng)典非飽和土土-水特征曲線相比,實(shí)驗(yàn)曲線符合經(jīng)典曲線大致趨勢,隨著基質(zhì)吸力的增大,體積含水率逐漸減小,直到趨于某一特定值,即殘余體積含水率wr約為15%。由于儀器的最大進(jìn)氣值限制,很難確定wr值,文中實(shí)驗(yàn)wr是采用公式擬合確定的。

圖2顯示,特征曲線變化路徑近似“S”形,表現(xiàn)出體積含水率隨基質(zhì)吸力增加而遞減的趨勢,中間區(qū)域變化比較大,而兩端變化比較小,兩個特征點(diǎn)(基質(zhì)吸力為150和250 kPa坐標(biāo)點(diǎn))將曲線劃分為三個區(qū)域,即邊界效應(yīng)區(qū)、過渡區(qū)和非飽和殘余區(qū)。曲線中基質(zhì)吸力在0～150、250～400 kPa范圍內(nèi),曲線平緩,各點(diǎn)斜率比較小,150～250 kPa時曲線急劇下降,斜率比較大?；|(zhì)吸力在0～150 kPa區(qū)段,土中的基質(zhì)吸力小于空氣進(jìn)氣值,土中的氣相以封閉氣泡的形式存在,封閉氣泡隨土中的水自由流動,氣泡處于游離狀態(tài),這時土中有少量水排出,體積含水率變化很小,幾乎接近飽和含水率,故土-水特征曲線平緩;在250～400 kPa區(qū)段,土中孔隙被大部分氣體占據(jù),只有少量水在孔隙邊角存在,這部分液體很難再從土體中排出,土中體積含水率趨于穩(wěn)定,故在這個階段曲線變化平緩。在150～250 kPa區(qū)段,土中基質(zhì)吸力值等于或者大于空氣進(jìn)氣值,土體中的孔隙部分被大部分空氣占據(jù),孔隙中的氣相處于連通狀態(tài)和部分連通,被氣體占據(jù)的孔隙中水被排除土體外,體積含水率急劇下降。這個結(jié)果與White等[16](1970年)對土-水特征曲線脫濕過程的定義相吻合。

3　結(jié)　論

(1)采用一個試樣對應(yīng)一種基質(zhì)吸力和兩個試樣對應(yīng)多種基質(zhì)吸力兩種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),兩種方法各擬合參數(shù)接近,相關(guān)系數(shù)均在0.993以上。

(2)非飽和土體積含水率隨著基質(zhì)吸力的增加而遞減,逐漸趨于穩(wěn)定值,約為15%,當(dāng)體積含水率小于15%后,基質(zhì)吸力將大于250 kPa,非飽和土的抗剪強(qiáng)度將逐漸提高。

(3)整個土-水特征曲線呈現(xiàn)“S”形,符合經(jīng)典土-水特征曲線大致趨勢,具有明顯的階段性,曲線可劃分為三個區(qū)域,邊界效應(yīng)區(qū)、過渡區(qū)和非飽和殘余區(qū)。通過對該土-水特征曲線的分段性進(jìn)一步研究,可以起到對阿勒錦島天然岸坡無堤利用的指導(dǎo)作用。

(4)基質(zhì)吸力的最大值受設(shè)備性能限制,在確定殘余體積含水率的精度問題上還有待研究。

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(編輯徐巖)

Test research of unsaturated soil in Alejindao bank slope soil water characteristic curve

ZHOU Li,ZHANG Qinghai,HAN Xue,ZHAO Zilong

(School of Civil Engineering,Heilongjiang University of Science &Technology,Harbin 150022,China)

This paper is devoted specifically to a novel experimental research arising out of the insight that research on the relationship between matric suction and moisture content or saturation is of significance to using the natural bank without reinforcement.The targeted research consists of using TFB-1 non-saturated soil stress strain controlled tri-axial text apparatus to define soil-water characteristic curve and variation of unsaturated undisturbed soil of the natural bank in Alejindao;performing contrasts using two test methods;controlling matrix suction using the axis-translation technique and performing fitting analysis of soil-water characteristic curve by using the model of Van-Genuchten.The results demanstrate that as the matrix suction increases， the unsaturated soil is likely to have a progressively decreasing volumetric water content,gradually tending to a stable value of about 15%;following the volumetric water content of less than 15%，unsaturated soil has a step-by-step increase in shear strength； the soil-water characteristic curve assumes an “S” shape， conforming to the general trend of classical soil-water characteristic curve and presenting obvious stage characteristics.

unsaturated soil;matric suction;volumetric water content;soil-water characteristic curve

2015-01-13

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E201462)

周莉(1958-),女,黑龍江省寶清人,教授,博士,研究方向:巖土工程,E-mail:mengte5891@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.02.015

TU411

2095-7262(2015)02-0187-05

A