豎向應(yīng)力對(duì)非飽和玄武巖殘積土土-水特征曲線的影響

張 浪，雷學(xué)文，孟慶山，李 勇

(1.武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院， 湖北 武漢 430065；2.中國(guó)科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430071)

豎向應(yīng)力對(duì)非飽和玄武巖殘積土土-水特征曲線的影響

張 浪1，雷學(xué)文1，孟慶山2，李 勇1

(1.武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院， 湖北 武漢 430065；2.中國(guó)科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430071)

為探究應(yīng)力作用對(duì)土-水特征曲線的影響，采用非飽和土固結(jié)儀，測(cè)得了由低到高多級(jí)豎向應(yīng)力作用下的重塑紅棕色玄武巖殘積土土-水特征曲線，并在此基礎(chǔ)上分析了豎向應(yīng)力對(duì)玄武巖殘積土土-水特征曲線的影響，利用參數(shù)模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，獲得了土-水特征曲線的模型參數(shù)，并探討了其變化規(guī)律。結(jié)果表明：豎向應(yīng)力對(duì)土-水特征曲線有不可忽視的影響，豎向應(yīng)力越大，土體水分越不容易排出且減少的速率越慢，土體殘余含水率越大，增加相同的基質(zhì)吸力時(shí)，豎向應(yīng)力越大水分排出量越少，曲線越平緩；模型的擬合效果較好，隨著豎向應(yīng)力的增大，參數(shù)B0、t增加，參數(shù)B1減小，得到各參數(shù)與豎向應(yīng)力的定量關(guān)系式，建立了可以考慮較大范圍豎向應(yīng)力的土-水特征曲線函數(shù)表達(dá)式。

土-水特征曲線；玄武巖殘積土；豎向應(yīng)力；基質(zhì)吸力；擬合

非飽和土力學(xué)是伴隨著水文學(xué)、土力學(xué)及土壤物理學(xué)等多學(xué)科的發(fā)展而形成的[1]，在巖土工程中，如公路路基、地下水位以上的地基、邊坡等往往都是處于非飽和狀態(tài)。含水率或飽和度與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線稱為土-水特征曲線(Soil-Water Characteristic Curve，SWCC)。土-水特征曲線是非飽和土力學(xué)理論體系中重要的本構(gòu)關(guān)系之一，是解釋非飽和土性狀的一個(gè)重要的概念性工具，其關(guān)系到土的強(qiáng)度[2]、滲透系數(shù)[3]、土壤水分的運(yùn)動(dòng)方程[4]，從一定程度上可以反映非飽和土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，決定非飽和土的工程力學(xué)性質(zhì)。

在畢節(jié)至威寧高速公路沿線存在大量的玄武巖殘積土坡，且基本處于非飽和狀態(tài)。目前對(duì)于玄武巖殘積土非飽和特性的研究較少，且側(cè)重于天然狀態(tài)下表層非飽和土體的研究。褚進(jìn)晶等[5]試驗(yàn)表明，土體的干密度越大，土的進(jìn)氣值越大，脫水速率越小。余沛等[6]探究了干密度對(duì)重塑與原狀玄武巖殘積土土-水特征曲線的影響。結(jié)果表明，不同干密度下重塑與原狀玄武巖殘積土的土-水特征曲線形狀基本相似，干密度越大，土體的進(jìn)氣值越大，且干密度對(duì)土體進(jìn)氣值后的曲線斜率有較大影響。而邊坡土體與其它實(shí)際工程中土體大多會(huì)受到上覆荷載或者其它附加應(yīng)力的作用，因此有必要考慮應(yīng)力狀態(tài)對(duì)土-水特征曲線的影響。在已有的考慮應(yīng)力對(duì)土-水特征曲線影響的文獻(xiàn)中，大多考慮較小的應(yīng)力作用。宋亞亞等[7]測(cè)得了0～200 kPa應(yīng)力下重塑黏土的土-水特征曲線，分析認(rèn)為豎向應(yīng)力越大，曲線越平緩，水分越不容易排出。Ng C W W等[8]、王世梅等[9]考慮了固結(jié)壓力對(duì)土-水特征曲線的影響。馮君等[10]通過(guò)控制基質(zhì)吸力，逐級(jí)增加凈豎向應(yīng)力，確定土體的屈服應(yīng)力，探究了屈服應(yīng)力對(duì)土-水特征曲線的影響。羅啟迅等[11]、陳東霞等[12]、胡孝彭等[13]發(fā)現(xiàn)土體進(jìn)氣值隨著應(yīng)力的增加而增大。褚峰等[14]認(rèn)為西安原狀黃土在凈豎向應(yīng)力小于等于400 kPa時(shí)，可以不考慮凈豎向應(yīng)力的影響。扈勝霞等[15]認(rèn)為非飽和重塑黃土的壓縮指數(shù)除了受豎向壓力影響外，也受吸力作用影響。

土體由于上覆荷載或其它附加應(yīng)力使其受到一定的應(yīng)力作用，而殘積土邊坡土體的工程性質(zhì)與其應(yīng)力狀態(tài)和土中吸力密切相關(guān)[16]，且土體所處的埋深不同所受的應(yīng)力大小也會(huì)不一樣，為探究應(yīng)力狀態(tài)與玄武巖殘積土土-水特征曲線的關(guān)系，測(cè)得了從0～1 600 kPa范圍內(nèi)的不同豎向應(yīng)力作用下玄武巖殘積土的土-水特征曲線，分析了豎向應(yīng)力對(duì)土-水特征曲線的影響，并建立了關(guān)于體積含水率、基質(zhì)吸力和豎向應(yīng)力的函數(shù)表達(dá)式。

1 試驗(yàn)基本情況

1.1 試 樣

試驗(yàn)土樣取自畢威高速公路玄武巖殘積土坡，顏色為紅棕色，風(fēng)化程度高，通過(guò)XRD分析得知土樣主要礦物成分為高嶺石、赤鐵礦、石英，室內(nèi)測(cè)得土樣物性指標(biāo)見(jiàn)表1，根據(jù)物性指標(biāo)可以判斷其屬于黏性土。

表1 紅棕色玄武巖殘積土的物性指標(biāo)

根據(jù)密度、含水率配置土樣，配置好的土樣密封放入保濕缸中靜置24 h，讓水分充分均勻，將水分均勻后的土樣取出分層搗筑密實(shí)做成直徑為61.8 mm高度20 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器采用FGJ-20型非飽和土固結(jié)儀，該儀器由中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院、電力部電力自動(dòng)化院大壩所和江蘇省溧陽(yáng)市永昌工程實(shí)驗(yàn)儀器有限公司聯(lián)合研制生產(chǎn)。此固結(jié)儀的主要結(jié)構(gòu)有壓縮部件、容器罩子部件、加荷部件、臺(tái)架部件、數(shù)據(jù)采集。與常規(guī)固結(jié)儀相比，該儀器在試將取回后的土體風(fēng)干、去雜質(zhì)、碾磨，將磨細(xì)后的土樣過(guò)2 mm篩子，其中粒徑小于0.075 mm的占93.71%。然后根據(jù)試驗(yàn)所需的干樣底座上裝有一塊進(jìn)氣值為500 kPa的陶土板，飽和陶土板有透水不透氣的特性，可以控制試樣的基質(zhì)吸力。加載部件可以對(duì)試樣施加0～2 000 kPa的豎向應(yīng)力，能探究豎向應(yīng)力對(duì)土體土-水特征曲線的影響，試驗(yàn)過(guò)程中的排水量和豎向位移的數(shù)據(jù)可通過(guò)采集系統(tǒng)直接由電腦導(dǎo)出。

1.3 試驗(yàn)方案和步驟

試樣采用重塑土，初始質(zhì)量含水率為27.5%，初始干密度為1.25 g/cm3，試樣做好后經(jīng)過(guò)飽和—固結(jié)—脫濕三個(gè)過(guò)程：首先將試樣放入飽和缸中抽氣超過(guò)3 h，浸泡超過(guò)24 h，經(jīng)過(guò)計(jì)算飽和度，表明飽和效果較好；飽和后的試樣在豎向應(yīng)力分別為0 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 200 kPa、1 600 kPa下進(jìn)行固結(jié)；在豎向應(yīng)力下固結(jié)穩(wěn)定后，逐級(jí)施加基質(zhì)吸力，所施加的基質(zhì)吸力分別為25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa。待試樣在最后一級(jí)基質(zhì)吸力下穩(wěn)定后，打開(kāi)壓力罩，取出試樣測(cè)得其含水率，計(jì)算實(shí)際排水量并與測(cè)量排水量對(duì)比。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用非飽和固結(jié)儀測(cè)得多級(jí)豎向應(yīng)力作用下的土-水特征曲線試驗(yàn)結(jié)果，如圖1所示。

圖1豎向應(yīng)力對(duì)土-水特征曲線的影響

從圖1中可以看出：

(1) 相同初始含水率與干密度的試樣所受到的豎向應(yīng)力越大，曲線的起點(diǎn)越低，即固結(jié)后的含水率越小。

(2) 隨著豎向應(yīng)力的增大，施加相同的基質(zhì)吸力，土體的體積含水率隨基質(zhì)吸力的增大其減小的速率變慢，土-水特征曲線變平緩。豎向應(yīng)力越大時(shí)，土顆粒的膠結(jié)作用越強(qiáng)，土樣越密實(shí)，孔隙越小。而當(dāng)基質(zhì)吸力一定時(shí)，小于某一等效孔徑的土體孔隙中的水分不會(huì)被排出，只有大于此孔徑的土體孔隙水因基質(zhì)吸力作用而喪失，所以豎向應(yīng)力越大，孔隙越小，則土體中的孔隙水排出越困難，排出量也越少，使得土-水特征曲線變平緩，持水性能力增強(qiáng)。

(3) 土體的殘余含水率隨著豎向應(yīng)力的增大而增加。因?yàn)殡S著豎向應(yīng)力的增大，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，孔徑減小，毛細(xì)作用的影響增大，孔隙水在較小的孔隙與較大的豎向應(yīng)力下，吸力的大幅度增加只能引起土體含水率的很小變化。

(4) 隨著豎向應(yīng)力的增大，固結(jié)后的含水率減小，殘余含水率增加，說(shuō)明豎向應(yīng)力越大，含水率的變化范圍越小。豎向應(yīng)力增大，孔隙體積減小，孔隙水量減小，而毛細(xì)作用增強(qiáng)，水分不易排出，導(dǎo)致含水率的變化范圍減小。

(5) 不同豎向應(yīng)力對(duì)應(yīng)的土樣其殘余含水率之間存在一個(gè)差值，當(dāng)豎向應(yīng)力小于400 kPa時(shí)差值較大，而超過(guò)400 kPa后差值較小，說(shuō)明當(dāng)豎向應(yīng)力超過(guò)400 kPa時(shí)，對(duì)土-水特征曲線的影響減小。因?yàn)樨Q向應(yīng)力大于400 kPa時(shí)，土體已經(jīng)比較密實(shí)，土體的壓塑模量較大，豎向應(yīng)力的增加，引起土體的應(yīng)變較小，對(duì)土體的孔隙影響不大，因此繼續(xù)增加豎向應(yīng)力對(duì)土-水特征曲線的影響較小。

3 土-水特征曲線的函數(shù)擬合

3.1 體積含水率-基質(zhì)吸力關(guān)系函數(shù)擬合

目前對(duì)于土-水特征曲線還無(wú)法建立起統(tǒng)一的理論方程，本文根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)[7]和曲線形狀而選擇的指數(shù)衰減參數(shù)方程(1)對(duì)不同豎向應(yīng)力下土-水特征曲線進(jìn)行函數(shù)擬合。

θw=B0+B1e-Pc/t

(1)

式中：θw為體積含水率；Pc為基質(zhì)吸力；B0、B1、t為函數(shù)中的參數(shù)。

圖2為運(yùn)用Origin軟件對(duì)不同豎向應(yīng)力下試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合曲線，表2為擬合參數(shù)。擬合函數(shù)的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.97，擬合效果較好。

圖2 擬合后的土-水特征曲線

3.2 豎向應(yīng)力對(duì)各參數(shù)的影響

3.2.1 豎向應(yīng)力對(duì)B0的影響

對(duì)于公式(1)當(dāng)Pc趨于無(wú)窮大時(shí)θw=B0，即當(dāng)基質(zhì)吸力足夠大時(shí)，含水率不再變化而等于一個(gè)固定值B0。豎向應(yīng)力P與B0的關(guān)系曲線如圖3所示。

整體上參數(shù)B0隨著豎向應(yīng)力的增大而增大，對(duì)于豎向應(yīng)力小于等于400 kPa時(shí)，線性擬合發(fā)現(xiàn)其R2=0.9998，可認(rèn)為豎向應(yīng)力較小時(shí)B0基本呈線性變化，擬合函數(shù)表達(dá)式見(jiàn)式(2)；對(duì)豎向應(yīng)力大于或等于400 kPa用直線擬合，R2也高達(dá)0.9961，表達(dá)式見(jiàn)式(3)。整體趨于拋物線可用二次函數(shù)表達(dá)，其函數(shù)表達(dá)式見(jiàn)式(4)，R2=0.9801。

0 kPa≦P≦400 kPaB0=0.0084P+35.858

(2)

400 kPa≦P≦1 600 kPaB0=0.0024P+38.333

(3)

0 kPa≦P≦1 600 kPaB0=-2×10-6P2+0.0073P+36.126

(4)

由圖3可以看出，B0與豎向應(yīng)力前后兩段均呈線性變化，且前一段斜率大于后一段，即當(dāng)豎向應(yīng)力超過(guò)400 kPa時(shí)，對(duì)B0的影響減小，整體曲線中B0的增長(zhǎng)呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明隨著豎向應(yīng)力增大對(duì)殘余含水率的影響減小。

圖3豎向應(yīng)力P與B0關(guān)系圖

3.2.2 豎向應(yīng)力對(duì)B1的影響

B1=θw0-B0為可變含水率，θw0為基質(zhì)吸力等于0時(shí)的飽和含水率，即圖1中不同豎向應(yīng)力下土-水特征曲線的起點(diǎn)?；|(zhì)吸力為0時(shí)的飽和含水率隨著豎向應(yīng)力的增大而減小，而B(niǎo)0隨著豎向應(yīng)力的增大而增大，因此θw0與B0的差值即B1，隨豎向應(yīng)力的增大而減小。豎向應(yīng)力P與B1的關(guān)系曲線如圖4所示。

由圖4可知，整體上B1隨豎向應(yīng)力的增加而減小。當(dāng)豎向應(yīng)力小于等于400 kPa和大于等于400 kPa呈線性變化，前者下降的速度大于后者，對(duì)兩部分用一次函數(shù)擬合表達(dá)式見(jiàn)式(5)、式(6)，R2分別為0.9958、0.9929，而對(duì)整體用二次函數(shù)進(jìn)行擬合表達(dá)式見(jiàn)式(7)，R2為0.982。

0 kPa≦P≦400 kPaB1=-0.0172P+16.551

(5)

400 kPa≦P≦1 600 kPaB1=-0.0052P+11.682

(6)

0 kPa≦P≦1 600 kPaB1=5×-6P2-0.0151P+16.028

(7)

圖4豎向應(yīng)力P與B1關(guān)系圖

試樣經(jīng)過(guò)抽真空飽和放入固結(jié)儀中，在施加豎向應(yīng)力前，各試樣的初始含水率、干密度相同且處于飽和狀態(tài)，隨著豎向應(yīng)力的施加，土體產(chǎn)生變形，水分被排出，假定土顆粒與水分都不能被壓縮，則水分的排出量等于孔隙的減少量。在前期由于土體比較疏松施加一定的豎向應(yīng)力后，土體的壓縮變形較大，對(duì)θw0與B0都有較大影響，因此B1的減小速率較大。當(dāng)豎向應(yīng)力增加到一定值時(shí)其對(duì)孔隙的影響減小，則對(duì)水分的排出量影響也減小，所以θw0的減小速率變慢，而隨著豎向應(yīng)力的增大對(duì)B0的影響也減小，從而豎向應(yīng)力對(duì)B1的影響減小，導(dǎo)致B1的減小速率較小。

3.2.3 豎向應(yīng)力對(duì)t的影響

豎向應(yīng)力對(duì)擬合函數(shù)參數(shù)t也有較大的影響。豎向應(yīng)力P與t的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5豎向應(yīng)力P與t關(guān)系圖

t隨著豎向應(yīng)力的增加而增大，t越大表示單位基質(zhì)吸力的增加引起的含水率減小的幅度越小，因?yàn)樨Q向應(yīng)力越大孔隙越小，增加相同的基質(zhì)吸力，所能排出的水分越少。試驗(yàn)數(shù)據(jù)用二次函數(shù)進(jìn)行擬合，函數(shù)表達(dá)式見(jiàn)式(8)，R2=0.9935。

t=-1×10-5P2+0.0469P+28.758

(8)

3.3 只含有參數(shù)P的土-水特征曲線函數(shù)表達(dá)式

由于已經(jīng)得到參數(shù)B0、B1及t各自與豎向應(yīng)力P的定量函數(shù)關(guān)系式，可以將式(1)中的參數(shù)B0、B1及t用P代替，得到只含有參數(shù)P的土-水特征曲線函數(shù)表達(dá)式(9)：

θw=-2×10-6P2+0.0073P+36.126+

(5×10-6P2-0.0151P+16.028)e-Pc/(-1×10-5P2+0.0469P+28.758)

(9)

表達(dá)式適用于低、中、高各等級(jí)的豎向應(yīng)力，范圍為0～1 600 kPa。

4 結(jié) 論

采用非飽和土固結(jié)儀，對(duì)0～1 600 kPa范圍內(nèi)多級(jí)豎向應(yīng)力下的玄武巖殘積土土-水特征曲線進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

(1) 豎向應(yīng)力對(duì)玄武巖殘積土的土-水特征曲線會(huì)產(chǎn)生一定的影響，豎向應(yīng)力越大，增加相同的基質(zhì)吸力排出的水分越少，殘余含水率越大。當(dāng)豎向應(yīng)力大于400 kPa時(shí)，對(duì)土-水特征曲線的影響會(huì)減小。

(2) 在不同的豎向應(yīng)力下土-水特征曲線可以用同一經(jīng)驗(yàn)函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合函數(shù)的相關(guān)系數(shù)都超過(guò)0.97，擬合效果較好。

(3) 土-水特征曲線的擬合參數(shù)B0、B1、t意義明確，可以與豎向應(yīng)力進(jìn)行較好的擬合，得到與豎向應(yīng)力之間的定量函數(shù)關(guān)系式，能夠結(jié)合豎向應(yīng)力對(duì)土-水特征曲線給出解釋。

(4) 建立了把豎向應(yīng)力作為唯一參數(shù)的非飽和玄武巖殘積土的土-水特征曲線的函數(shù)表達(dá)式。

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InfluenceofVerticalStressonSoil-WaterCharacteristicCurveofUnsaturatedBasaltResidualSoil

ZHANG Lang1, LEI Xuewen1, MENG Qingshan2, LI Yong1

(1.CollegeofUrbanConstruction,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,Hubei430065,China; 2.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofScience,Wuhan,Hubei430071,China)

The multi-stage vertical stress under the action of red brown-basalt residual soil water characteristic curve by the utilization of unsaturated consolidation apparatus was adopted to analyze the vertical stress of basalt residual soil-water characteristic curve model parameter of soil-water characteristic curve is obtained by making use of parameter model to match the test result and exploration of changing rule is also made. The results show that vertical stress plays an unignorable influence on soil-water characteristic curve. The larger the vertical stress is, the more difficult soil moisture is discharged and the slower the reducing rate is; the larger the vertical stress is, the less discharge capacity of moisture and the greater residual moisture content. If model fitting effect is good, parametersB0andtincrease while parameterB1decreases along with magnification of vertical stress. Quantitative relational expressions between various parameters and vertical stress are acquired to establish the function expression of soil-water characteristic curve of vertical stress in consideration of wide range.

soil-watercharacteristicscurves;basaltresidualsoil;verticalstress;matrixsuction;fitting

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.020

2017-05-21

2017-06-20

西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(2009318802074)

張 浪(1990—)，男，湖北咸寧人，碩士研究生，研究方向?yàn)樘厥馔凉こ烫匦约盀?zāi)害治理。E-mail:1258509571@qq.com

雷學(xué)文(1962—)，男,湖北黃岡人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要從事巖土工程與地下工程方面的工作。

E-mail:leixuewen@wust.edu.cn

TU43

A

1672—1144(2017)05—0118—05