广西右江沿岸粘土三轴渗流剪切强度试验研究

王元战，郝林南，马殿光，肖 忠

（1.天津大学建筑工程学院天津市港口与海洋工程重点实验室，天津300072；2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

河道建设拦河坝形成水库以后，沿岸地区自然条件将发生显著变化，库区两岸水位的涨落，常使两岸很多岸坡坍塌破坏［1］。如广西右江上建设了那吉水利枢纽、鱼梁水利枢纽等水利设施，枢纽建坝后航道岸坡破坏域天然航道情况类似，但库区航道岸坡由于受枢纽调度影响，水位陡涨陡降更为明显，因而更易于使两岸很多岸坡坍塌破坏。

有关研究表明，河流和水库的边坡失稳多由渗流作用引起，水位骤降就是影响边坡失稳的重要因素［2-3］。目前边坡分析的最终着眼点一般都是边坡的稳定性，边坡的安全系数、潜在最危险滑动面一直以来都是问题的焦点［4-5］。研究这些问题，所依赖的重要的基本力学参数——土的抗剪强度指标是通过室内常规三轴剪切试验获得的。

为了获得理想的试验结果，试验条件原则上应与现场环境相一致。常规的室内渗透试验一般仅考虑孔隙比这一渗透性影响因素是不合理的，而且常规渗透试验过程中试样的应力状态与实际差异很大，采用三轴渗透试验则能够更好的模拟原状土的实际受力状态，从而可以在很大程度上克服室内常规渗透试验的先天不足，得到比较合理的渗透试验结果［6］。随着三轴渗透试验仪器的逐渐被采用，有一些学者进行了三轴渗透性试验研究。朱建华［7］对土坝心墙原状土进行了研究，得出了三轴渗流试验要比常规渗流试验更准确的结论，李永乐［8］等采用了特制的非饱和三轴渗流仪对黄河大堤非饱和粘土进行了渗流特性的研究，得出了非饱和粘土渗透系数与围压、渗透系数与含水率之间的关系及变化规律，雷红军［9］等利用改进的三轴渗透试验装置对高堆石坝心墙黏土进行了一系列剪切过程中的渗透试验，揭示了黏性土发生大剪切变形过程中其渗透系数随轴向应变的变化规律，并分别对围压、渗透压力、渗透方向等因素对土体渗透性的影响进行了探讨。不同地区，由于地质条件不同，粘性土的渗流特性及其抗剪强度特性也是不同的。因此，开展适用于广西右江沿岸地区渗流作用下饱和粘土抗剪强度变化规律的研究有着很大的工程价值和科研需要。

广西右江沿岸地区的表层覆盖有红土、赤红土为主的粘性土，土层厚度约4 m，有机质含量丰富，具有低孔隙比、低压缩性、低渗透性的特点，为深入了解和掌握广西右江沿岸地区粘土的渗流及抗剪强度特性，为边坡治理提供更多的试验数据和技术参考，文章在前人的理论和试验研究的基础上，根据三轴试验原理［10］，选取工程实地的粘土，研究土体在不同围压条件下受力压缩后渗流系数的变化特征及渗透压力作用下土的抗剪强度指标变化特征，并给出了不同围压状态下，比降—渗流速度、渗透压力—粘聚力、渗透压力—内摩擦角间的变化规律及相应关系曲线。

1 试验装置和试验方法

1.1 试样制备

饱和粘土试样取自广西壮族自治区右江上游那吉库区段，其土性为粘土。土样的参数经过测定如表1所示。参照土工试验规程SL 237-1999［11］的要求，制备出直径为39.1 mm，高度为80 mm的试样。

表1 土样参数Tab.1 Soils parameters

1.2 试验装置

饱和粘土的渗透特性及三轴抗剪试验的试验装置采用SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗流试验仪（图1）。该仪器可以对三轴试验进行等应力、等应变控制，可以进行UU、CU、CD试验，不等向固结、等向固结、反压力饱和、应力路径试验和渗透试验。仪器各部分采用单片机控制，各部分能够独立工作，而且能够与计算机数据交换，集中数据采集处理。该仪器属于多功能柔性控制三轴试验仪器。在进行三轴渗透试验时，可采用恒压差控制和恒流量控制两种渗透方式，且施加的轴向力可达20 kN；周围压力的施加范围为0～1.99 MPa；反压力最大可达0.99 MPa；体积变化量控制在480 ml以内。该套装置由2个部分组成：（1）加压系统，由压力室、压力环、液压无级升降机构和管路组成，压力室用来施加围压，压力环和液压无级升降机构用来施加轴向荷载，反压则通过管路施加到土样上；（2）控制反馈系统，由应力应变测量控制器、围压及孔压测量控制器和2个反压及体变量测控制器组成，通过传感器和管路，将控制器与加压系统各部分相连，即组成了控制反馈系统。

1.3 试验方法

将原状土切削成直径为39.1 mm，高度为80 mm的试样，同时测定土样的含水率，然后将试样放入饱和器中进行抽真空饱和。饱和完成后，将试样安放在三轴压力室底座上，为了使水流均匀，在试样的上下端均垫放了透水石和滤纸。同时准备好橡皮膜，并在试样帽和仪器底座处扎紧。然后通过围压及孔压测量控制器向试样施加围压σ3，经过约24 h试样在压力室内固结稳定后，同时通过反压及体变测量控制器1施加渗水压力1，通过反压及体变测量控制器2施加渗水压力2，渗水压力2一般设置为0。为了保证沿试样边壁不漏水，施加的渗水压力总是小于室压力。当试样的出水量稳定时，此时即为稳态渗流，通过试样流出的水量即为渗流量。保持这种稳定渗流状态，同时通过应力应变测量控制器施加轴向荷载，以0.1 mm/min的速率匀速剪切土样，直至土样变形达到20%，此时认为土样达到破坏状态。本系统的围压、反压控制器由内置的压强传感器和体变传感器组成，测量精度分别为1 kPa和0.1 mm3；孔压传感器为独立的传感器，用于测量试样孔隙水压力，精度为1 kPa。

表2 三轴渗流剪切试验方案Tab.2 Plan of shear and seepage triaxial test kPa

1.4 试验方案

本次试验采用的土样是来自广西右江沿岸的粘土，先进行了20 kPa、27 kPa和35 kPa 3种围压下5种不同水力坡降下的渗流试验，水力坡降分别为5、7.5、12.5、18.75和25。然后进行三轴渗流剪切试验。试验方案如表2所示。

2 试验结果分析

2.1 三轴渗流试验

饱和粘土的渗流试验结果如图2所示。

试验结果表明，不同于砂性土渗透速度与水力坡降的线性关系，粘性土渗透速度与水力坡降之间的关系，偏离达西定律，表现为非线性规律，渗流速度随着比降的增加，其增加的幅度越来越大。如图2所示，并对曲线进行拟合，如式（1）所示

式中：σ3为周围压力，kPa；i为比降；v为渗流速度，m/s。

对以上渗流试验结果分析可推测，试样所承受的围压越大，土颗粒之间会更加紧密，土颗粒越易于挤密产生颗粒重组，扁平状的粘土颗粒越易于重新定向排列，从而会有更多的细小颗粒填塞孔隙通道使渗透系数减小。

2.2 三轴渗流剪切试验结果分析

渗流作用下饱和粘土的应力应变关系曲线见图3～图5。

对于该组土样，进行了三轴渗流剪切试验，得到了抗剪强度指标（表3），并得到了渗透压力—内摩擦角、渗透压力—粘聚力关系图，如图6、图7所示。

由图6和图7知，土体抗剪强度指标内摩擦角在19.5°～22.5°变化，变化幅度为13%，且内摩擦角与渗透压力间没有较为明显的递增或者递减的变化趋势；粘聚力则由12.91 kPa降至5.87 kPa，变化幅度为55%，且有明显的变化趋势，粘聚力随着渗透压力的增加而减小，但减小的趋势逐渐减缓，拟合公式为

式中：c 为粘聚力，kPa；c0为渗水压力为 0 kPa 时的粘聚力，kPa；p为渗透压力，kPa；pa为大气压力，kPa。

从试验结果中可以看出，对饱和粘土而言，不同渗透压力对内摩擦角的影响不大，而对粘聚力的影响相对较大，其主要原因是由于粘土的内摩擦角和粘聚力的形成机理不同而造成的。

粘土的粘聚力主要来源于：（1）土颗粒之间的相互引力，粘土的颗粒粒径很小，总的比表面积比较大，所以颗粒间的相互引力很大；（2）含水量的影响。含水量增加时，抗剪强度降低，这是因为水分在较大土粒表面形成润滑剂，使摩擦阻力降低。对细小的粘土粒，含水量增加时，结合水膜变厚，甚至增加自由水，则土粒之间的电分子力减弱，使粘聚力降低；（3）有些粘土中还有一些胶结物；（4）原始密度的影响。土的原始密度越大，土料间的咬合作用越强，受剪时首先需克服咬合作用，才能产生相对滑动。此外，土的密度大也意味着土粒间孔隙小、接触紧密、原始内聚力较大。因此原始密度对抗剪强度有很大影响，密度高的土，抗剪强度大。

表3 抗剪强度指标Tab.3 Shear strength index

其中粘土颗粒间的胶结力对粘聚力的产生具有重要的作用。当2个土粒间存在胶结物时，土颗粒间由胶结物相互连接，因而在土粒间表现出一定的连结强度。因此可推测，随着渗透压力的增大，土颗粒之间的胶结作用逐渐发生破坏，从而导致了粘聚力降低。

3 结语

文章通过室内三轴渗流试验及渗流作用下的三轴剪切试验研究，得到了广西右江沿岸地区饱和粘土在不同围压状态下，比降—渗流速度、渗透压力—粘聚力、渗透压力—内摩擦角间的关系及变化规律，并对曲线进行了拟合，形式简单直观，拟合结果与试验值吻合较好。同时，通过对试验结果进行分析，可以得出以下结论：（1）饱和粘土的渗流系数不是一个常数，而是随着比降的变化而变化，比降越大，渗流系数就越大；（2）对饱和粘土而言，不同渗透压力对内摩擦角的影响不明显；（3）不同渗透压力对粘聚力的影响相对较大，这是由于粘聚力的形成机理造成的，随着渗透压力的增大，粘聚力逐渐减小，但减小的趋势减缓。

文章得到的广西地区粘土渗流特性及渗流作用下的抗剪强度对该地区边坡失稳研究具有十分重要的意义，也可为其他地区粘性土渗流及抗剪强度研究提供一定参考。

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