非飽和土體與水利工程問題的聯(lián)系

馮濤

摘 要：基礎(chǔ)施工作為水利工程最為重要的環(huán)節(jié)，直接決定了工程整體質(zhì)量，并對后期水利工程運行的穩(wěn)定性造成直接影響，而非飽和土體是水利工程施工中較為常見的土體，因而深入研究非飽和土體，對水利工程施工技術(shù)水平的提高具有現(xiàn)實意義。本文主要針對水利工程所遇到的非飽和土進行了研究，分別針對非飽和土體對水利工程施工中遇到問題的影響進行了簡要敘述，從而為水利工程基礎(chǔ)處理技術(shù)的發(fā)展奠定更加堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：非飽和土；性狀；工程；吸力

中圖分類號：TU443 文獻標識碼：A

0.引言

非飽和土體是大多數(shù)表層土的狀態(tài)，尤其在水利工程施工中，常見非飽和狀態(tài)土體，例如膨脹土、殘積土、黃土等。但是目前針對非飽和土體的研究明顯落后于水利工程施工技術(shù)的發(fā)展，很多工程師在計算非飽和土體時仍舊使用飽和土體力學理論，并且認為該種方式更加安全，但事實上這種方式仍舊存在諸多隱患。

1.非飽和土體對水利工程的影響

1.1 非飽和土體水、氣運移問題

非飽和土體對工程施工的影響最根本的體現(xiàn)在水、氣運移問題上。非飽和土體吸力場由于受到流體壓力或流量條件變化的影響會發(fā)生改變，因此土體中水、氣會發(fā)生運移，由此改變土體形狀。包氣帶非飽和土層受到外界氣候條件影響較大，氣候條件改變，則土體形狀改變，例如包氣帶水分受到環(huán)境影響蒸發(fā)蒸騰，水分上移，則土體孔隙水壓減小，土體干縮開裂。雨季則水分下移，孔隙水壓上升，土體強度降低，尤其黃土和膨脹土，會發(fā)生膨脹、濕陷等問題。所以水利工程非飽和土體基礎(chǔ)施工必須解決水、氣運移問題。

1.2 非飽和土體濕度引發(fā)基礎(chǔ)變形問題

膨脹土以及黃土地區(qū)的水利工程施工中，干/濕條件變化對土體影響最大。由于土體含水率改變，基礎(chǔ)會發(fā)生隆起、下陷問題，而引發(fā)土體含水率變化的主要有兩方面原因：自然因素、人為因素。因此必須采取有效的排水、防滲設(shè)施以保證水利工程基礎(chǔ)含水率負符合施工需要。另一方面，對于膨脹土基礎(chǔ)，植被會直接影響基礎(chǔ)變形程度。因此對于此類地區(qū)不能盲目地砍伐、清理植被，并且依照實際需要還應(yīng)當適當進行植樹作業(yè)，并且保證植被布局合理。水利工程施工對膨脹土基礎(chǔ)含水率具有一定影響，因此施工中還應(yīng)當注意平衡土體水分收支。

而在黃土基礎(chǔ)中，最為明顯的問題為基礎(chǔ)濕陷變形。傳統(tǒng)的計算方法對于此類問題無法準確地進行計算、預(yù)測，因而必須采取針對性的理論以及研究方法，即非飽和土體力學研究方法、理論等。

1.3 非飽和土體對支擋結(jié)構(gòu)的土壓影響

支擋結(jié)構(gòu)后大多或部分為非飽和土體，其對支擋結(jié)構(gòu)土體壓力影響加大，主要體現(xiàn)在壓力系數(shù)、張裂區(qū)的改變上。靜止狀態(tài)下，非飽和土體顆粒受到表面的張拉作用，靠近地表的部分會出現(xiàn)開裂，其深度受到吸力剖面影響。而氣候條件改變會對非飽和土體吸力剖面造成直接性影響，氣候條件變化則吸力剖面變化，因而支擋結(jié)構(gòu)土壓也會隨著外界氣候條件變化而變化。設(shè)計師在進行設(shè)計時必須將氣候條件變化考慮在內(nèi)。此外，在進入被動狀態(tài)或主動狀態(tài)上，相比較飽和土體，非飽和土體的變形相對較小。值得一提的是，在膨脹土區(qū)域，土體吸濕膨脹力也會影響土壓，尤其對土體抗剪強度的影響，這一特性被合理利用可以有效提高土體穩(wěn)定性。不過，防滲、排水措施仍舊是無支護開挖作業(yè)中必不可少的，以此確保土體穩(wěn)定性。

1.4 非飽和土體對邊坡穩(wěn)定的影響

非飽和土邊坡穩(wěn)定最突出的問題是降雨入滲誘發(fā)的邊坡失穩(wěn)。降雨入滲使得邊坡淺層土體中含水率升高，并可能導(dǎo)致滯水的發(fā)生，以致土體中原有的吸力及其抗剪強度的貢獻降低甚至完全喪失，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)可能因此而降低。對于降雨條件下邊坡穩(wěn)定問題，邊坡淺層土體中孔隙水壓力分布剖面是最為關(guān)鍵的不確定因素，這是由于它不僅與降雨條件有關(guān)，而且還與邊坡中土層剖面、土性參數(shù)以及降雨前土層中初始含水率分布場有關(guān)。

（1）無黏性土邊坡

降雨入滲對邊坡中孔壓剖面的影響隨著土層深度的增加顯著降低，影響深度一般小于3m。長時間的降雨入滲往往會導(dǎo)致滯水層和順坡向?qū)娱g流的產(chǎn)生。邊坡表面的植被情況和覆蓋條件可能明顯影響降雨入滲強度及邊坡中孔壓場。土層剖面的非均質(zhì)性以及相對透水層或隔水層的存在將顯著改變降雨入滲條件下邊坡中的滲流場，以致影響邊坡中孔壓分布剖面。

（3）黏土邊坡

非飽和土體受到降雨入滲影響，土體孔壓場會發(fā)生改變，這種變化在弱脹縮土體中相對簡單，而在強漲縮土體中相對復(fù)雜。降雨入滲過程中，水和土之間會發(fā)生強烈的作用，淺層土孔壓場和含水率會在雨水入滲過程中改變，甚至邊坡變形場、應(yīng)力場也會發(fā)生變化。這一過程中是應(yīng)力、變形、抗剪強度和吸力耦合而成，且土體裂隙數(shù)量也是影響邊坡狀態(tài)改變的主要原因。

1.5 非飽和土體對地基承載力的影響

路基及建筑物的淺基礎(chǔ)往往是落在非飽和土層上，由于其中的吸力對土體的抗剪強度存在貢獻，所以地基承載力比相應(yīng)飽和土的高。如果非飽和土層中吸力會長期存在，工程師在地基承載力設(shè)計時可考慮由吸力引起的附加抗剪強度對承載力的貢獻，承載力計算時可認為吸力引起附加抗剪強度主要體現(xiàn)在表觀凝聚力，這樣地基承載力的計算公式與飽和土的一致。當然，若非飽和土中吸力會受當?shù)氐臍夂虻挠绊懚荒鼙ＷC時，必須考慮一定安全系數(shù)。

結(jié)語

工程實用原則是非飽和土體研究的核心原則，也是其研究的主要發(fā)展方向，只有圍繞工程需要，切實解決工程問題，才能可持續(xù)發(fā)展。目前我國水利工程施工中對于非飽和土體的研究仍舊存在諸多空白，無論在理論還是研究技術(shù)上都上不完善，缺乏必要的計算方法，工程的實際應(yīng)用中也相對籠統(tǒng)，因此必然會影響工程質(zhì)量，也對非飽和土體研究的發(fā)展造成阻礙，因此非飽和土體同水利工程問題的研究具有相當?shù)默F(xiàn)實意義。

參考文獻

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