南水北調(diào)中線工程禹州段膨脹土的非飽和性質(zhì)研究

黃志全，李明霞，劉瑩瑩

(華北水利水電大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450045)

在自然界和工程實(shí)踐中遇到的絕大部分土都是非飽和土，非飽和土與飽和土的最大區(qū)別就在于前者有基質(zhì)吸力.而膨脹土就是一種典型的非飽和土，因此研究基質(zhì)吸力對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響，對(duì)工程實(shí)踐具有重要的意義.

早在1956 年，Donald［1］通過(guò)一系列控制孔隙水壓力的直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在基質(zhì)吸力小于101 kPa 范圍內(nèi)，細(xì)砂、粗粉土的抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力增長(zhǎng)而提高.扈勝霞等［2］對(duì)非飽和原狀黃土的研究結(jié)果表明:基質(zhì)吸力對(duì)有效內(nèi)摩擦角影響不大，但對(duì)黏聚力影響顯著.黃志全等［3］對(duì)三門(mén)峽地區(qū)黃土狀粉質(zhì)黏土的研究結(jié)果表明:基質(zhì)吸力的變化規(guī)律與土的基本狀態(tài)有著密切關(guān)系，尤其是在相同含水率、相同圍壓、不同干密度的狀態(tài)下，基質(zhì)吸力會(huì)隨著飽和度的增加出現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律.文獻(xiàn)［4－7］的研究結(jié)果表明:非飽和粉質(zhì)黏土、黃土、粉細(xì)砂、砂質(zhì)粉土和粉質(zhì)黏土的抗剪強(qiáng)度中的φb并不是一個(gè)常量，隨基質(zhì)吸力的增大而減小，并且總是小于φ'.以上的一些研究結(jié)果都是針對(duì)粉質(zhì)黏土、黃土、粉土或砂土，其他種類的土(如膨脹土)是否同樣符合上述規(guī)律，需要進(jìn)一步研究.

筆者以南水北調(diào)中線工程禹州段膨脹土為研究對(duì)象，研究基質(zhì)吸力對(duì)其抗剪強(qiáng)度的影響.

1 膨脹土基本物理力學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)土樣均取自南水北調(diào)工程中線禹州段，取樣位置埋深約4 m，呈紅褐色，偶見(jiàn)少量鈣質(zhì)結(jié)核.顆粒分析結(jié)果表明:試驗(yàn)用土以0.005～0.050 mm 粒組含量為主，占總含量的63.5%，0.100～0.250 mm 粒組含量為6.6%，0.075～0.100 mm 及0.050～0.075 mm 粒組含量分別為3.3%和6.4%，小于0.005 mm 的粒組占20.2%;液限為40%，塑限為22%，屬于低液限粉質(zhì)黏土;土樣自由膨脹率為42%，屬于弱膨脹土.天然含水率為18%，天然干密度為1.61 g/cm3，相對(duì)密度為2.72.

2 非飽和試驗(yàn)

GDS 非飽和三軸試驗(yàn)系統(tǒng)是傳統(tǒng)三軸試驗(yàn)的擴(kuò)展，增加了控制孔隙氣壓和孔隙水壓的功能，而且軸壓和圍壓、孔隙氣壓和水壓可以同時(shí)變化.GDS非飽和三軸試驗(yàn)系統(tǒng)可以研究地下水位以上的土體特性，可以模擬現(xiàn)場(chǎng)土體的非飽和狀態(tài).

2.1 試驗(yàn)方案

非飽和膨脹土的三軸剪切試驗(yàn)分成4 組(控制基質(zhì)吸力分別為0，50，100，200 kPa)，每個(gè)基質(zhì)吸力作用下控制凈圍壓分別為100，200，300 kPa，共制備12 個(gè)壓實(shí)試樣進(jìn)行三軸試驗(yàn).該試驗(yàn)包括吸力平衡、等吸力固結(jié)和等吸力剪切3 個(gè)階段.首先在儀器上對(duì)制備好的試樣進(jìn)行反壓飽和，隨后在保持試樣中孔隙水壓力為零的條件下，施加孔隙氣壓力改變土體中的基質(zhì)吸力，使其達(dá)到設(shè)定的值;之后保持基質(zhì)吸力不變，緩慢施加圍壓至試驗(yàn)預(yù)定的固結(jié)壓力;最后，施加軸向壓力對(duì)試樣進(jìn)行剪切，剪切速率設(shè)定為0.008 mm/min.針對(duì)試樣在剪切過(guò)程中不同的破壞形式，采用不同的破壞標(biāo)準(zhǔn)，由于試驗(yàn)中試樣是應(yīng)變硬化的試樣，取軸向應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為破壞值.

2.2 試驗(yàn)儀器

非飽和膨脹土所采用的試驗(yàn)儀器為GDS 非飽和三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1 所示.該試驗(yàn)儀器由3 部分構(gòu)成.①壓力控制系統(tǒng).由軸壓控制器、圍壓控制器、反壓控制器和氣壓控制器4 部分組成，壓力由液壓系統(tǒng)傳遞.②數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).包括8 通道數(shù)據(jù)采集板和轉(zhuǎn)換器.③測(cè)壓系統(tǒng).包括內(nèi)置水下的荷重傳感器+RFM(遠(yuǎn)程反饋模版)、軸向位移傳感器和孔壓傳感器.

圖1 GDS 非飽和三軸試驗(yàn)系統(tǒng)組成

2.3 制樣過(guò)程

按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1999)配置一定含水率土樣，放置在保濕器中靜置24 h，采用壓實(shí)方法制備三軸試樣.按照設(shè)計(jì)的干密度和制樣器的體積計(jì)算出所需土樣的質(zhì)量，將其平均分成3 份.采用千斤頂靜力壓實(shí)的方法分3 層壓實(shí)，每壓實(shí)一層后要用道具把表面刮毛，最后一層壓實(shí)后，用刮刀把上、下表面刮平.制出的三軸試樣的直徑和高度分別為50 mm 和100 mm，其干密度為1.69 g/cm3.試樣經(jīng)抽氣飽和后放入保濕器中備用.

2.4 試驗(yàn)步驟

進(jìn)入GDS 軟件和非飽和試驗(yàn)?zāi)K4D Unsaturated，設(shè)定保存路徑、土樣參數(shù)、初始值、試驗(yàn)階段.

第1 步:反壓飽和.安裝試樣，進(jìn)入試驗(yàn)的飽和階段，設(shè)定圍壓和反壓進(jìn)行飽和.

第2 步:吸力平衡.試樣飽和后，根據(jù)設(shè)定的試驗(yàn)方案，設(shè)定目標(biāo)圍壓、反壓和氣壓力值，通過(guò)控制孔隙氣壓和孔隙水壓來(lái)改變?cè)嚇又械脑形?，并使目?biāo)吸力在整個(gè)試樣中分布均勻，讓試樣在此狀態(tài)下進(jìn)行吸力平衡.平衡的標(biāo)準(zhǔn)為2 h 內(nèi)的體積變形量小于0.01 mm3或者24 h 內(nèi)測(cè)得試樣排水或吸水量小于試樣體積的0.02%.此階段是應(yīng)力控制.

第3 步:等吸力固結(jié).進(jìn)入等吸力固結(jié)階段，保持基質(zhì)吸力不變，緩慢施加圍壓至試驗(yàn)預(yù)定的固結(jié)壓力，固結(jié)時(shí)間至少為24 h.此階段也是應(yīng)力控制.

第4 步:等吸力剪切.按預(yù)先設(shè)定的剪切速率，施加軸向壓力對(duì)試樣進(jìn)行剪切，當(dāng)試樣軸向應(yīng)變達(dá)到18%時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束.此階段改為應(yīng)變控制.

需要遵循原則的是:圍壓必須高于孔隙氣壓和孔隙水壓;孔隙氣壓必須高于孔隙水壓;孔隙氣壓與孔隙水壓之差不能超過(guò)底座上陶土板的進(jìn)氣值.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

孔隙氣壓力(ua)是基于外界氣壓下土顆?？紫吨械南鄬?duì)氣壓，它對(duì)土顆粒間的力學(xué)作用有貢獻(xiàn).孔隙水壓力(uw)指的是基于外界氣壓下土顆粒間的水壓力.某一單元土體中平均孔隙水壓力與平均孔隙氣壓力之差(ua－uw)稱為基質(zhì)吸力，它表示土體吸水的能力.

Fredlund 于1978 年提出了非飽和土抗剪強(qiáng)度公式:

公式中抗剪強(qiáng)度由3 部分組成:第1 部分為土樣黏聚力c'對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響項(xiàng);第2 部分為作用力和內(nèi)摩擦角對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響項(xiàng)(σ－ua)tanφ;第3 部分為基質(zhì)吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響項(xiàng)(ua－uw)tanφb.將第1 部分和第3 部分合并成一項(xiàng)，即總內(nèi)聚力

則非飽和土的抗剪強(qiáng)度公式可簡(jiǎn)化為類似于飽和土抗剪強(qiáng)度公式的形式，即

因此基質(zhì)吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響包含在基質(zhì)吸力對(duì)總內(nèi)聚力的影響內(nèi).若分析基質(zhì)吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，則可以轉(zhuǎn)化為分析其對(duì)總內(nèi)聚力的影響.

根據(jù)非飽和三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的摩爾－庫(kù)侖破壞包絡(luò)線，對(duì)非線性包絡(luò)線采用簡(jiǎn)化成一條直線包絡(luò)線的方法處理［8］.試樣在不同基質(zhì)吸力情況下庫(kù)侖強(qiáng)度包絡(luò)線如圖2 所示，從圖中可以確定膨脹土的總內(nèi)聚力和有效內(nèi)摩擦角.當(dāng)基質(zhì)吸力分別為0，50，100，200 kPa 時(shí)，黏聚力分別為17.9，29.7，38.6，56.4 kPa，有效內(nèi)摩擦角分別為14.5°，13.9°，13.3°，12.6°.

黏聚力與有效內(nèi)摩擦角隨基質(zhì)吸力的變化曲線分別如圖3 和圖4 所示.

由圖3 可知，黏聚力隨著基質(zhì)吸力的增大而增大，且增幅十分明顯.這是因?yàn)樵囼?yàn)中所測(cè)得的黏聚力是總內(nèi)聚力，它包含土體的有效內(nèi)聚力和基質(zhì)吸力對(duì)強(qiáng)度的增強(qiáng)力，從公式(2)可知這種增強(qiáng)力隨著基質(zhì)吸力的增大而呈線性增加狀.試驗(yàn)結(jié)果就是總內(nèi)聚力隨基質(zhì)吸力的增大而增大，且增大幅度也逐漸變大，基質(zhì)吸力對(duì)強(qiáng)度的增強(qiáng)力就是非飽和土強(qiáng)度要大于飽和強(qiáng)度的原因.

由圖4 可知，隨著基質(zhì)吸力的增大，土體有效內(nèi)摩擦角有減小的趨勢(shì).但是這種減小幅度非常小，因此可以認(rèn)為基質(zhì)吸力對(duì)有效內(nèi)摩擦角幾乎沒(méi)有影響.

膨脹土的抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力和圍壓的變化曲線如圖5 所示.基質(zhì)吸力試驗(yàn)結(jié)果表明:非飽和膨脹土的抗剪強(qiáng)度不僅取決于所承受的圍壓，而且還與基質(zhì)吸力大小密切相關(guān)，且隨圍壓和基質(zhì)吸力的增大而增強(qiáng).由土結(jié)構(gòu)直接產(chǎn)生的吸力稱為結(jié)構(gòu)吸力，它主要來(lái)源于土顆粒間的膠結(jié)作用、齒合力、表面力、磁性力、離子—靜電力和偶極力等.結(jié)構(gòu)吸力為土顆粒之間的內(nèi)部拉應(yīng)力，相當(dāng)于土體外受壓應(yīng)力，它對(duì)抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)即是內(nèi)聚力的一部分.從結(jié)構(gòu)吸力的角度也可以解釋黏聚力隨吸力增大而增加的現(xiàn)象.

圖5 不同基質(zhì)吸力作用下，圍壓與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)南水北調(diào)中線工程禹州段膨脹土的非飽和性質(zhì)研究，得到如下結(jié)論.

1)非飽和膨脹土的黏聚力隨基質(zhì)吸力的增大呈非線性增大狀，且增幅明顯.

2)非飽和膨脹土的有效內(nèi)摩擦角隨著基質(zhì)吸力的增大，有減小的趨勢(shì)，但是這種減小幅度非常小，因此可以認(rèn)為基質(zhì)吸力對(duì)有效內(nèi)摩擦角幾乎沒(méi)有影響.

3)非飽和膨脹土的抗剪強(qiáng)度不僅取決于所承受的圍壓，而且還與基質(zhì)吸力的大小密切相關(guān)，且抗剪強(qiáng)度隨圍壓和基質(zhì)吸力的增大而增強(qiáng).

［1］Donald I.Shear strength measurements in unsaturated noncohesive soils with negative pore pressures［C］∥Proceedings of the 2nd Australia-New Zealand Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering，Christchurch.New Zealand:Technical Publications Ltd.，1956.

［2］扈勝霞，周云東，陳正漢.非飽和原狀黃土強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2005，26(4):660－663.

［3］黃志全，陳宇，宋日英，等.三門(mén)峽地區(qū)黃土狀粉質(zhì)黏土非飽和性質(zhì)試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2010，31(6):1759－1762.

［4］黃志全，陳賢挺，劉豐收，等.基質(zhì)吸力對(duì)小浪底水庫(kù)1#滑坡非飽和土強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)水運(yùn)，2007，7(7):123－125.

［5］閆亞景，文寶萍，計(jì)博勛.基質(zhì)吸力對(duì)非飽和重塑黃土抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2011，19(6):865－874.

［6］林鴻州，李廣信，于玉貞，等.基質(zhì)吸力對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度的影響［J］.巖土力學(xué)，2007，28(9):1931－1936.

［7］孟黔靈，姚海林，邱倫鋒.吸力對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)［J］.巖土力學(xué)，2001，22(4):423－426.

［8］黃志全，陳賢挺，姜彤，等.小浪底水庫(kù)1#滑坡體非飽和土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2009，30(3):640－644.