基于非飽和土壓強(qiáng)度計(jì)算模型的土濕吸力物理模型試驗(yàn)分析

王 鑫

(遼寧海闊水利水電工程有限公司，遼寧 遼陽 111000)

隨著土體含水率的變化，土體土濕吸力也在不斷變化，而土濕吸力是影響土體抗剪強(qiáng)度的重要指標(biāo)，也是影響水利工程設(shè)計(jì)穩(wěn)定性的重要因素[1- 2]，因此在工程設(shè)計(jì)前，需要對(duì)設(shè)計(jì)土體的土濕吸力與含水率的關(guān)系進(jìn)行分析。當(dāng)前，對(duì)于土濕吸力與含水率關(guān)系大都采用模型計(jì)算[3- 6]，但物理模型試驗(yàn)方式更為直觀，通過物理模型的方式可以分析不同土體干實(shí)密度下土體含水率與土濕吸力之間的關(guān)系，探討不同含水率與土濕吸力的相關(guān)性。本文結(jié)合在土體力學(xué)計(jì)算較為實(shí)用的非飽和土壓強(qiáng)度模型，采用物理模型試驗(yàn)的方式，探討土濕吸力與含水率的關(guān)系。研究成果可為水利工程設(shè)計(jì)中的土濕吸力指標(biāo)確定提供參考價(jià)值。

1 非飽和土壓強(qiáng)度計(jì)算模型

非飽和土壓強(qiáng)度計(jì)算模型主要計(jì)算土體表層的濕吸力，其計(jì)算方程為：

PS=(2σ/R)sin(θ+φ)/sinφ

(1)

式中，PS—土體表層的濕吸力；θ—接觸角度值；φ—飽和角度值；σ—土體表層張力系數(shù)；R—土體顆粒的半徑值。

在計(jì)算土地表層濕吸力的同時(shí)，非飽和土壓強(qiáng)度計(jì)算模型對(duì)土體宏觀濕吸力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方程為：

S=(σ/R)sin(θ+φ)(1-cosφ)/sinφ

(2)

式中，S—土體宏觀濕吸力。當(dāng)土地接觸角θ達(dá)到常量時(shí)，土體濕吸力與飽和角呈現(xiàn)線性關(guān)系，模型建立含水率與與飽和角之間的線性關(guān)系，不同土體顆粒之間的間隙容量計(jì)算方程為：

V1=πr2·2h

(3)

2V2=2·πh2·(R-h/3)

(4)

式中，V1—土體圓柱的體積；V2—土體圓球的體積；h—土體柱體側(cè)面高度；r—土地柱體的底部半徑。則土體顆粒之間的孔隙容積V計(jì)算方程為：

V=6πR3(1-cosφ)2(2cosφ+1)

(5)

公式(5)中各變量含義同公式(1)中變量含義。在土體孔隙率計(jì)算的基礎(chǔ)上，需要確定軟土地基的含水率，計(jì)算方程為：

w=1.0·V/2.7·(4πR3/3)

(6)

即為：

w=51(1-cosφ)2(2cosφ+1)/3

(7)

其中在公式(6)和(7)中變量含義同公式(1)中變量含義。

2 試驗(yàn)方法

本次進(jìn)行試驗(yàn)的土壤質(zhì)地為壤土，試驗(yàn)土樣的物理參數(shù)見表1，按照設(shè)計(jì)的土體含水率進(jìn)行試驗(yàn)水量的設(shè)置，將土樣進(jìn)行風(fēng)干后按照不同含水率進(jìn)行塑料封裝。在恒定溫度條件下將試驗(yàn)土樣進(jìn)行靜置，保證土樣中的水分進(jìn)行均勻分布，在靜置完成后，按照土樣設(shè)計(jì)的干密度進(jìn)行密實(shí)試驗(yàn)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)定時(shí)，在試驗(yàn)儀器中間放置用于測(cè)定土濕吸力的濾紙。為了保證濾紙測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要在進(jìn)行恒溫平衡處理，一般時(shí)間周期為10d。平衡結(jié)束后，取出試驗(yàn)濾紙，對(duì)濾紙進(jìn)行稱重分析，結(jié)合試驗(yàn)前后濾紙的重量，分析土濕吸力。

表1 試驗(yàn)土樣的物理性質(zhì)

3 試驗(yàn)成果

在進(jìn)行不同干密度、不同含水率下土樣濕吸力試驗(yàn)測(cè)定后，結(jié)合非飽和土壓強(qiáng)度模型對(duì)土濕吸力進(jìn)行計(jì)算，分析試驗(yàn)土樣不同干密度下土濕吸力與土樣含水率以及不同初始含水條件下土濕吸力與土樣含水率之間的關(guān)系。

3.1 不同干密度下土濕吸力和含水率之間關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同干密度條件下的土濕吸力進(jìn)行測(cè)定，并結(jié)合非飽和土壓強(qiáng)度確定土濕吸力與土樣含水率之間的關(guān)系，試驗(yàn)分析結(jié)果如圖1所示。

圖1為不同干密度下土體含水率及飽和度和土濕吸力的試驗(yàn)分析結(jié)果，從試驗(yàn)結(jié)果可以明顯看出，隨著干密度增加，隨著土體含水率和飽和度的增加，土濕吸力呈現(xiàn)較為明顯下降趨勢(shì)，當(dāng)土體含水率達(dá)到15%～20%之間，土濕吸力下降趨勢(shì)較為平穩(wěn)。從飽和度和土濕吸力的試驗(yàn)分析結(jié)果可以看出，和土壤含水率一致，當(dāng)土體含水率飽和度逐漸增加時(shí)，土濕吸力逐步減小。當(dāng)土體飽和度在40%～80%之間時(shí)，土濕吸力下降趨勢(shì)較為平穩(wěn)。

圖1 不同土體干密度下土體含水率及飽和度與土濕吸力的試驗(yàn)分析結(jié)果

3.2 不同初始土體含水率條件下土濕吸力和含水率之間關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果

為分析不同初設(shè)土體含水率條件下的土濕吸力和含水率以及飽和度的關(guān)系，分別針對(duì)4種初設(shè)土壤含水率條件，進(jìn)行9組不同飽和土和含水率下的土濕吸力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2及圖2。

表2 不同初設(shè)土含條件下土濕吸力與含水率的試驗(yàn)結(jié)果

圖2 不同初始土含條件下土壤含水率與土濕吸力試驗(yàn)結(jié)果

從表2中可以看出，隨著土體初始含水率的增加，在不同飽和度和含水率條件下，土體表層和宏觀上的土濕吸力均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且遞減速率較大。這主要是因?yàn)樵诓煌跏纪馏w含水量下，區(qū)域土體含水率的增加勢(shì)必減小土體孔隙之間的黏聚力和內(nèi)摩擦力，使得土體之間的土濕吸力逐步減小。從圖2中可以看出，不同初始土含條件下，土體含水率和土濕吸力的相關(guān)性逐步增加，當(dāng)土體含水率達(dá)到25%時(shí)，相關(guān)性達(dá)到最佳。

3.3 原狀土含水率抗剪強(qiáng)度與土濕吸力試驗(yàn)結(jié)果

為分析土體抗剪強(qiáng)度與土體濕吸力之間的關(guān)系，結(jié)合原狀土體，進(jìn)行了不同含水率條件下的土體抗剪強(qiáng)度與土濕吸力的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同干密度下土體抗剪強(qiáng)度與土濕吸力試驗(yàn)結(jié)果

從圖3中可以看出，相同土體抗剪強(qiáng)度，土體干密度越大，其土濕吸力越大。初始土體含水率越小，其土體抗剪強(qiáng)度和土濕吸力越大。在初始階段，土體土濕吸力和抗剪強(qiáng)度逐步增加，當(dāng)達(dá)到一定的土濕吸力后，土體抗剪強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)干密度等于1.5時(shí)，土濕吸力增加到10～15MPa后土體抗剪強(qiáng)度趨于穩(wěn)定值。而當(dāng)干密度等于2.0時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定階段時(shí)間有所延遲，當(dāng)土濕吸力增加到13～15MPa后，土體抗剪強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定。因此在水利工程設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合土體干密度確定土體抗剪強(qiáng)度的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

本文結(jié)合非飽和土壓強(qiáng)度模型，采用物理模型試驗(yàn)方式，對(duì)非飽和土體的土濕吸力和含水率之間的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)取得以下結(jié)論：

(1)含水率增加，土體土濕吸力呈現(xiàn)較為明顯的遞減變化特征，當(dāng)土體含水率達(dá)到15%～20%之間，土濕吸力下降趨勢(shì)較為平穩(wěn)。

(2)土體含水率的增加勢(shì)必減小土體孔隙之間的黏聚力和內(nèi)摩擦力，土體含水率達(dá)到25%時(shí)，土體含水率和土濕吸力相關(guān)性達(dá)到最佳。

(3)在水利工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合土體干密度確定土體抗剪強(qiáng)度的穩(wěn)定性，隨著土濕吸力的增加，土體抗剪強(qiáng)度在初始階段上漲明顯，而后區(qū)域穩(wěn)定。

[1] 李聚興, 韓勝杰, 周鵬程, 等. 土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定方法[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2014(12): 17- 18+26．

[2] 黃琨, 萬軍偉, 陳剛, 等. 非飽和土的抗剪強(qiáng)度與含水率關(guān)系的試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2012, 33(09): 2600- 2604．

[3] 楊鑫. 慶陽非飽和黃土濕陷性及其強(qiáng)度變形試驗(yàn)研究[D]. 蘭州理工大學(xué), 2016．

[4] 趙小龍. 含水率對(duì)重塑黏土力學(xué)特性的影響研究[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2017, 25(02): 71- 72+76．

[5] 邢義川, 謝定義, 李永紅. 非飽和黃土濕陷過程中有效應(yīng)力變化規(guī)律[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2004(07): 1100- 1103．

[6] 郭敏霞, 張少宏, 邢義川. 非飽和原狀黃土濕陷變形及孔隙壓力特性[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2000(06): 785- 788．