周　莉,张庆海,韩　雪,赵子龙

(黑龙江科技大学 建筑工程学院,哈尔滨 150022)



阿勒锦岛岸坡非饱和土土-水特性曲线实验研究

周莉,张庆海,韩雪,赵子龙

(黑龙江科技大学 建筑工程学院,哈尔滨 150022)

研究基质吸力与含水率或饱和度的关系,对天然岸坡无堤利用具有重要意义。采用TFB-1型非饱和土应力应变控制式三轴仪,对阿勒锦岛天然岸坡非饱和原状土土-水特征曲线及变化规律进行实验研究。运用两种实验方法进行对比,采用轴平移技术控制基质吸力,用Van Genuchten模型对土-水特征曲线作拟合分析。结果表明:非饱和土体积含水率随着基质吸力的增加而递减,逐渐趋于稳定值,约为15%,当体积含水率小于15%后,非饱和土的抗剪强度将逐渐提高;整个土-水特征曲线呈现“S”形,符合经典土-水特征曲线大致趋势,且具有明显的阶段性特征。

非饱和土;基质吸力;体积含水率;土-水特征曲线

0　引　言

阿勒锦岛位于松花江哈尔滨段,2013年8月经历了1998年以来15年一遇的最高水位119.49 m的洗礼,洪水将该岛大部分淹没。洪水过后,岛周边天然岸坡多处发生坍塌失稳,江岸后退,严重影响阿勒锦岛无堤利用的开发建设规划。为此,文中从非饱和土土-水特征曲线入手,开展对阿勒锦岛天然岸坡非饱和土体的稳定性研究。

土-水特征曲线是非饱和土研究中的重要内容。它描述非饱和土中含水率(重力含水率、体积含水率)或饱和度与基质吸力之间的关系。非饱和土的抗剪强度受基质吸力的直接影响,边坡或岸坡雨后容易失稳,均因为雨水入渗后土体含水率提高,基质吸力下降,导致强度降低。近年来,国内外很多学者从理论及工程应用两方面,研究基质吸力与含水率或饱和度的关系[1-5],取得了很多成果。但非饱和土的土-水特征曲线受多种因素影响[6],情况复杂。笔者利用TFB-1型非饱和土应力应变控制式三轴仪,对阿勒锦岛天然岸坡非饱和原状土土-水特征及变化规律进行研究。

1　实　验

1.1试样与设备

试样选取天然岸坡稳定性比较差、受河水冲刷比较严重地段的阿勒锦岛北岸松浦大桥东约150 m处原状土。该处初见地下水位1.2 m,取土深度为1 m,共取11块φ39.1 mm×80.0 mm砂质粉土试样。1～11号试样的天然含水率为26%,比重为2.69,液限为29.19%,塑限为20.68%,密度分别为1.96、1.89、1.98、1.88、1.89、1.89、1.85、1.91、1.93、1.90、1.92 g/cm3。

实验设备为南京土壤仪器厂有限公司生产的TFB-1型非饱和土应力应变控制式三轴仪,试样中量测基质吸力精度±0.01 mL,基质吸力控制采用高进气值陶土板,其最大进气值为800 kPa。当试样和陶土板之间的压力小于陶土板的进气值(800 kPa)时,试样中的水通过陶土板而气体被隔绝,水进入三轴仪量测系统,通过电子显示窗可以观察试样中排出的水;相反,试样与陶土板压力大于进气值时,试样中孔隙水和空气一同排出,量测的试样排出的水包括孔隙气与孔隙水,实验结果将出现误差。因此,实验必须在控制吸力的同时还要考虑陶土板的上限进气值。

1.2实验方法

非饱和土在大气压力下孔隙水压力为负值,在进行非饱和土实验时,当土中的孔隙水压力接近负一个大气压力时,水会气化,使排水系统进气而无法正确读数。因此,实验采用轴平移技术[7],通过提升孔隙气压ua来使孔隙水压uw达到正值,以避免排水系统中发生汽化[8]。实验用控制基质吸力法,求出脱湿过程的土-水特征曲线,施加每级进气值的同时施加围压σ3,使孔隙水压力随进气值的变化而变化。即将孔隙气压力与孔隙水压力都增加(平移)相同压力值,但土中的基质吸力始终保持不变。为了消除初始基质吸力,首先对制备好的试样进行真空抽气饱和,然后在默认陶土板孔隙水压力(uw)为0的情况下开始实验。

由于实验采用天然土样,所以不存在击实功的影响。同时尽量减少如应力历史、净平均应力等因素的影响,实验过程中净平均应力统一设置为5 kPa。取样为同一地位、统一深度、同一种实验系统,故应力历史相同。实验着重讨论体积含水率(w)与基质吸力(F)的关系。

实验分两组进行,第一组为多个试样控制不同级别基质吸力,第二组为两个试样控制不同级别基质吸力,通过对两种实验结果对比,得出阿勒锦岛天然岸坡非饱和土的土-水特征曲线。

方法一:对制备好的1～9号试样施加不同的进气值(ua),使每个试样对应一个基质吸力值(ua-uw),基质吸力值分别控制在0、50、100、150、200、250、300、350、400 kPa。首先,将每个试样装入压力室中,施加5 kPa的预压荷载(σ3)[9],等待试样变形和内体积变化稳定后,记录相应数值,并且以此作为变形和内体积变化的参照零点。之后，同步施加围压σ3和孔隙气压(进气值),到预定的基质吸力值(ua<σ3),并控制净围压(σ3-ua)为5 kPa,直到变形和内体积变化稳定,即内体积变化连续2 h不超过0.01 mL,且每个试样基质吸力控制实验历时不少于96 h,记录相应的数据。取下试样清洗陶土板,进行下一组实验。

方法二:将制备好的第10、11号试样分别进行实验,试样逐级施加不同围压和孔隙气压,逐级控制基质吸力值为0、50、100、150、200、250、300、350、400 kPa。首先,将试样装入压力室中,同方法一操作完全相同。然后,逐级施加围压和孔隙气压到预定的基质吸力值,净围压(σ3-ua)控制在5 kPa,每级加载直到变形和内体积变化稳定,即内体积变化连续2 h不超过0.01 mL,且每级基质吸力控制实验历时不少于96 h,并记录相应的数据。再进行下一级控制基质吸力实验,以此类推,直至最后一级实验结束。

2　实验结果与曲线拟合分析

2.1土-水特征曲线

两种测试方法中,重力含水率均通过测试间接取得,即通过系统排出水的质量,换算出试样本级基质吸力所对应的重力含水率,再通过重力含水率换算出体积含水率。式(1)为质量含水率换算式,式(2)为体积含水率换算式[10]。

(1)

wQ=wjρd/ρw,

(2)

式中:wj——本级基质吸力下试样的重力含水率,%;

wi——上级基质吸力下试样的重力含水率,%;

ws——试样饱和重力含水率,%;

m——饱和试样的总质量,g;

Δmj——本级基质吸力排出水的质量,g;

wQ——本级基质吸力下试样的体积含水率,%;

ρd——试样的干密度,g/cm3;

ρw——4 ℃时蒸馏水密度,g/cm3。

由此得到各试样基质吸力与体积含水率的关系如表1,对应的土-水特征曲线如图1所示。

图1　土-水特征曲线

从图1和表1可见,两种方法所测得的数据非常接近,路径趋势也相同。方法二中两组数据中的最大差值仅为2%。说明如果土质比较均匀,两种方法均可用来进行非饱和土土-水特征曲线的实验研究。要强调的是,如果单独采用方法二,至少要选2～3个试样进行,以避免实验数据的偶然性。

表1　基质吸力与体积含水率的关系

2.2土-水特征曲线拟合分析

为了使土-水特征曲线得到精确描述和准确运用,因此采用数学关系对土-水特征曲线拟合。近年来,许多学者提出多个数学模型描述土-水特征曲线,常用的包括Van Genuchten(1980)[11]模型、Frendlund-Xing[12]模型、Garden[13]模型等。这些模型均为非线性“S”形曲线,通过比较[14],Van Genuchten方程在低吸力范围(0～1 000 kPa)[15]内实测数据曲线拟合程度比较好,Van Genuchten模型既连续又有连续斜率,曲线光滑,在非饱和土土-水特征曲线研究中得到广泛应用。

根据文献[11]，表达式为

(3)

式中:ws——饱和体积含水率;

wr——残余体积含水率;

h——压力水头,cm;

α、m、n——经验参数。

对于数据处理及曲线拟合的方法很多,文中选用sigmaplot软件进行实验数据的拟合,其中wr的确定趋于最小值,ws趋于最大值。拟合参数如表2,拟合曲线如图2。

表2　数据拟合参数

图2　土-水特征拟合曲线

由表2可知,两种方法各拟合参数均比较接近,两条拟合曲线相关系数均在0.993以上,说明应用Van Genuchten模型拟合阿勒锦岛土-水特征曲线比较适合。

由图2可见,两种方法的土-水特征曲线与经典非饱和土土-水特征曲线相比,实验曲线符合经典曲线大致趋势,随着基质吸力的增大,体积含水率逐渐减小,直到趋于某一特定值,即残余体积含水率wr约为15%。由于仪器的最大进气值限制,很难确定wr值,文中实验wr是采用公式拟合确定的。

图2显示,特征曲线变化路径近似“S”形,表现出体积含水率随基质吸力增加而递减的趋势,中间区域变化比较大,而两端变化比较小,两个特征点(基质吸力为150和250 kPa坐标点)将曲线划分为三个区域,即边界效应区、过渡区和非饱和残余区。曲线中基质吸力在0～150、250～400 kPa范围内,曲线平缓,各点斜率比较小,150～250 kPa时曲线急剧下降,斜率比较大。基质吸力在0～150 kPa区段,土中的基质吸力小于空气进气值,土中的气相以封闭气泡的形式存在,封闭气泡随土中的水自由流动,气泡处于游离状态,这时土中有少量水排出,体积含水率变化很小,几乎接近饱和含水率,故土-水特征曲线平缓;在250～400 kPa区段,土中孔隙被大部分气体占据,只有少量水在孔隙边角存在,这部分液体很难再从土体中排出,土中体积含水率趋于稳定,故在这个阶段曲线变化平缓。在150～250 kPa区段,土中基质吸力值等于或者大于空气进气值,土体中的孔隙部分被大部分空气占据,孔隙中的气相处于连通状态和部分连通,被气体占据的孔隙中水被排除土体外,体积含水率急剧下降。这个结果与White等[16](1970年)对土-水特征曲线脱湿过程的定义相吻合。

3　结　论

(1)采用一个试样对应一种基质吸力和两个试样对应多种基质吸力两种方法进行实验,两种方法各拟合参数接近,相关系数均在0.993以上。

(2)非饱和土体积含水率随着基质吸力的增加而递减,逐渐趋于稳定值,约为15%,当体积含水率小于15%后,基质吸力将大于250 kPa,非饱和土的抗剪强度将逐渐提高。

(3)整个土-水特征曲线呈现“S”形,符合经典土-水特征曲线大致趋势,具有明显的阶段性,曲线可划分为三个区域,边界效应区、过渡区和非饱和残余区。通过对该土-水特征曲线的分段性进一步研究,可以起到对阿勒锦岛天然岸坡无堤利用的指导作用。

(4)基质吸力的最大值受设备性能限制,在确定残余体积含水率的精度问题上还有待研究。

[1]梅岭,姜朋明,李鹏,等.非饱和土的土水特征曲线试验研究[J].岩土工程学报,2013,35(S1):124-128.

[2]林鸿州,李广信,于玉贞,等.基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响[J].岩土力学,2007,28(9):1932-1936.

[3]李永乐,刘汉东,刘海宁,等.黄河大堤非饱和土土-水特性试验研究[J].岩土力学,2005,29(3):348-350.

[4]苗强强,张磊,陈正汉,等.非饱和含黏砂土的广义土-水特征曲线试验研究[J].岩土力学,2010,31(1):101-104.

[5]伊盼盼,牛圣宽,韦昌富.干密度和初始含水率对非饱和重塑粉土土水特征曲线的影响[J].水文地质工程地质,2012,39(1):43-45.

[6]汪东林,栾茂田,杨庆.重塑性非饱和黏土的土-水特征曲线及其影响因素研究[J].岩土力学,2009,30(3):752-756.

[7]HILF J W.An investigation of pore water pressure in compacted cohesive soils[D].Denver:Bureau of Reclamation,1956.

[8]吴宏伟,陈锐.非饱和土试验中的先进吸力控制技术[J].岩土工程学报,2006,28(2):123-128.

[9]张芳枝.河流冲刷作用下堤岸稳定性研究[D].广州:暨南大学,2010.

[10]刘新华.黄土状填土应力相关的土水特征曲线及其强度[D].太原:太原理工大学,2012.

[11]VAN GENUCHTEN M T.A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J].Soil Science Society of America Journal,1980,44:892-898.

[12]FREDLUND D G,XING A.Equation for the soil-water characteristic curve [J].Canadian Geotechnical Journal,1994,31(3):521-532.

[13]GARDNER W R.Some steady-state solutions of the unsaturated moisture flow equations with application to evaporation from a water table [J].Soil Science,1958,85(4):228-232.

[14]周晓菊.非饱和土的土水特征曲线试验研究及应用[D].北京:北京工业大学,2009.

[15]谭晓慧,李丹,沈梦芬,等.土水特征曲线参数的概率统计及敏感性分析[J].土木建筑与环境工程,2012,34(6):98-103.

[16]WHITE N F,DUKE H R,SUNADA D K,et al.Physics of desaturation in porous materials[J].Journal of Irrigation and Drainage Division,ASCE,1970,96(2):165-191.

(编辑徐岩)

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

黑龙江省自然科学基金项目(E201462)

周莉(1958-),女,黑龙江省宝清人,教授,博士,研究方向:岩土工程,E-mail:mengte5891@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.02.015

TU411

2095-7262(2015)02-0187-05

A