陈贤挺 蒋 峰 闫纲丽
非饱和土孔隙中水、气共存,毛细管吸力使得水气分界面呈弯液面,造成面上下的孔隙气压力 ua与孔隙水压力uw不相等,成负值的uw在土体中会产生基质吸力,即ua-uw。基质吸力对非饱和土的力学特性起着重要的影响作用,它随着含水率的变化而变化。含水率和基质吸力的关系称为土—水特征曲线(SWCC),表征的是土壤含水率与基质吸力之间的关系[1]。
国内外很多学者针对这一问题进行了大量的研究,如Van Genchten M[2]对之展开数学拟合并建立了简化S形曲线模型,李永乐等[3]结合工程实际针对土水特征关系展开试验及数学模型模拟研究。本文结合洛阳地区非饱和土三轴试验对不同受力状态条件下的土水特性展开试验研究,以期研究得到其内在规律。
1)制作试件,土样采自洛阳地区粉质黏土,采用分层压实法制作重塑试件。
2)饱和陶瓷板,即在安装试件前关闭压力室各阀门,并给压力室充满无气水,然后打开排水阀门,施加 300 kPa~400 kPa的围压,直到排水阀有连续的水流排出,此时陶瓷板饱和;再打开冲水阀门,让无气水流过陶瓷板下面的螺旋槽,冲洗30 s并保证有连续的水流流出以排出陶瓷板下可能聚集的气泡,关闭冲水阀门。
3)装入试件,开启计算机及试验记录系统,打开排水阀门,施加5 kPa围压(σ3),待试验变形和排水稳定后记录其数值并作为变形和排水的零点;同步缓慢施加围压和气压到预定的吸力值,使二者差保持5 kPa,直到变形和排水量稳定;稳定的标准是:体变连续2 h不超过0.01 cm3,排水连续2 h不超过0.01 cm3,且历时不少于48 h。
4)首先施加第一级围压使σ3-ua等于预定值,直到排水和变形稳定,记录其孔隙气压力ua和孔隙水压力uw,再加下一级围压,试验中每隔8 h~10 h冲洗陶瓷板底部空气一次。
图1给出了不同围压下SWCC实测曲线,从图1中可以发现随体积含水率的增大,基质吸力连续减小;体积含水率同基质吸力之间的关系是连续的,曲线呈反“S”形;在高含水率下基质吸力随含水量变化的变化幅度很小,在低含水率下基质吸力随含水率的增大而缓慢减小,在中间段(天然含水率)变化迅速,由此可见在天然含水率下非饱和土的工程性质受含水率的影响很大。
各体积含水率试件的围压—基质吸力关系见图2,从图2中可看到相同体积含水率试件的基质吸力随围压的增大而成非线性减小,且幅度随体积含水率减缓;同一围压下基质吸力随体积含水率的变化成反向变化,且幅度随体积含水率的升高而减缓,因此应力状态对非饱和土抗剪强度有重要影响,在对非饱和土的强度和边坡稳定分析中应重视应力状态的研究。
通过对试验结果的统计分析得到了以下结论:
1)非饱和土 SWCC呈“S”形,含水率同基质吸力之间的关系是连续的;在高、低含水率下基质吸力随含水率变化的幅度很小,在中间段(天然含水率)变化迅速,由此可见在天然含水率下非饱和土的工程性质受含水率的影响很大。
2)非饱和土存在基质吸力,并随体积含水率的变化成非线性反向变化,且变化幅度随体积含水率的升高而减缓;相同体积含水率试件的基质吸力随围压的增大而成非线性减小,且幅度随体积含水率减缓;同一围压下基质吸力随体积含水率的变化成反向变化,且幅度随体积含水率的升高而减缓。
[1] D G弗雷德隆德,H拉哈尔佐.非饱和土土力学[M].陈仲颐,译.北京:中国建筑工业出版社,1997:78-98.
[2] Van Genchten M.A closed form equation for predicating the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J].Soil Science Society of America,1980,24(6):238-242.
[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,2005,26(3):347-350.