含水量对原状残积土初始基质吸力影响的试验研究

刘汉东，李 信，刘海宁，张亚峰

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

福建省为地质灾害多发区，其中暴雨型滑坡地质灾害尤为突出，点多、分布广、规模小，多为土质滑坡，约占滑坡总数的95%以上;在土质滑坡中，95%以上是浅层土质滑坡(滑体厚度小于6 m)［1］． 由于福建省气候湿热，风化作用强烈，斜坡上残积土发育．残积土为岩石风化后残留在原地的风化物，土体结构较松散，透水性较好，暴雨后大量雨水的入渗，引起残积土体的非饱和状态发生变化，含水量增大，饱和度增加，吸力锐减，进而引起抗剪强度大幅度下降，容易诱发浅层滑坡［2］．

根据非饱和土力学理论，非饱和土中存在的基质吸力对土的强度、渗流和变形等都有着十分重要的影响，也是非饱和土研究的核心问题［3］． 目前有很多学者采用不同方法研究边坡稳定性与土体基质吸力的关系．黄润秋等［4］根据普遍极限平衡分析法公式推导出边坡稳定性系数随基质吸力的变化关系，说明基质吸力的减小会导致边坡稳定系数的减小．吴俊杰等［5］通过试验和稳定分析的计算程序，绘制了边坡安全系数和基质吸力的关系曲线，得出基质吸力对边坡稳定有着显著影响的结论，并且揭示了由于降雨和地下水位上升引起的基质吸力下降及消失将诱发滑坡的机理． 罗晓辉等［6］在土坡极限平衡分析法中把基质吸力考虑进去，结果表明当降雨入渗时，基质吸力的减小会导致土体条间作用力的下降，是降雨期间土坡失稳的一个重要原因．由此可见，研究土体的基质吸力对边坡稳定性分析及揭示滑坡机理至关重要．

从20 世纪60 年代至今，国内外学者对基质吸力的量测和评估做了大量的研究工作． 非饱和土的基质吸力测量主要有直接测量法和间接测量法两种．常用的直接测量法包括湿度计、张力计、轴平移技术等;间接测量法有探针法、时域反射法、电导传感器法、热导传感器法、滤纸法、电容式吸力仪法、粒基传感器法［7－9］等． 刘国楠［10］、白福青［11］和黄志全［12］等分别采用改进的三轴仪法、滤纸法和GDS量测膨胀土的基质吸力与含水量的关系;党进谦等［13］采用压力板仪、李永乐等［14］采用改进的三轴仪以及齐明山等［15］采用GDS 分别量测出非饱和黄土的基质吸力与含水量的关系;刘小文、陈东霞等［16－17］采用滤纸法分别量测了非饱和红土、重塑残积土的基质吸力与含水量的关系;刘海宁等［18－19］采用应力应变式非饱和土三轴仪量测了重塑粉质黏土的基质吸力与含水量的关系．

GDS 三轴试验系统是利用轴平移技术对基质吸力进行测量．该仪器自动化程度高，测量精度高，它能灵活地控制围压、反压、轴压和气压，对所有试验数据采用全自动电脑采集并能进行适当的处理，而且它还具有很强的稳定性，在不断电情况下能长时间运行数星期．为了解福建省降雨滑坡带的非饱和原状残积土基质吸力随含水量变化的规律，笔者采用GDS 三轴试验系统对一系列具有不同含水量的非饱和原状残积土试样的初始基质吸力进行测定，得到了初始基质吸力随时间和含水量变化的规律．

1 土样的基本物理性质指标

此次试验土样取自福建省西北部原状残积土．取土深度1．85 ～2．10 m，土呈红褐色，硬塑状态，天然含水量为29． 2% 左右，天然密度为1． 72 ～1．74 g/cm3，天然孔隙比为1．03，有虫孔、细树根和草根、少量蜗牛壳和蚁穴，土质较均匀．

通过室内试验测得该土的基本物理性质指标如下:塑限Lp=27%，液限Ll=52%，塑性指数Ip=25．颗粒分析结果表明:试验用土大于0．075 mm 的颗粒含量不超过总量的50%，不含大于2 mm 的颗粒，且不均匀系数Cu=49．3，曲率系数Cc=1．43． 福建地区花岗岩残积土中的黏性土大致分3 类:残积黏性土、砂质黏性土和砂砾质黏性土［20］． 结合此次试验土样的外观特征以及土的物理性质指标，可以初步判断试验土样为残积黏性土．

2 试验过程

该试验在英国GDS 公司生产的全自动静三轴和应力路径测试系统(GDSTTS)上进行． 设备主要由3 部分组成:压力室、加压系统和量测采集系统，如图1 所示．加压系统共有4 套，分别来提供轴压、围压、反压和孔隙气压．4 套加压系统均与数据采集板和压力室相连，数据采集板用于数据采集和控制试验所用的GDSLAB 模块软件等，所有测量数据均由计算机采集．

图1 GDS 三轴试验系统

2．1 试验原理

利用压力室底座上的高进气值陶土板来测量土样的基质吸力．该陶土板由高岭土焙烧而成，具有许多均匀小孔，允许水透过而不允许空气透过．充水饱和后，在陶土板上形成收缩膜，将陶土板表面的小孔联结起来阻挡空气通过，其上、下的空气压力与水压力之差即为基质吸力［21］．

2．2 试样的制备

按照《土工试验规程》(SD 128—84)用适合的削土器将从现场取回的土样削制成高度为100 mm，直径为50 mm 的圆柱形． 此次试验共取5 组含水量，分别为17．8%，26．3%，29．0%(接近天然含水率)，31．7%和36．0%．试验时根据设定的含水量求出相应的需水量或减水量，分别用水膜转移法［22］和风干法控制含水量．

2．3 试验步骤

2．3．1 试验前准备

1)制备蒸馏水． 为了提高试验的精度，要求用无气水(如蒸馏水)．因此，要制备蒸馏水．

2)饱和陶土板． 试验前要使陶土板饱和，具体操作是:把陶土板擦干净，打开陶土板底座阀门，利用反压排水直至该阀门均匀流水且无气泡冒出，停止反压排水并拧紧该阀门． 然后在陶土板上面包一层保鲜膜并用橡皮带缠紧，防止水分蒸发，再用反压控制器施加30 kPa 的压力于陶土板底部(压力不能超过50 kPa，否则影响陶土板使用性能)，并保持该级压力直至陶土板上表面形成一层均匀连续的水膜．

2．3．2 装 样

装样前将传感器和控制器上各项指标清零，抹去陶土板上的水膜，将试样置于陶土板上，通过陶土板将试样与孔隙水压力量测系统(即反压控制器)相连，测出土样孔隙水压力．试样的另一端与试样帽相连，进而与气压控制器相连，以施加孔隙气压力．

2．3．3 初始基质吸力的测定

为了防止土样的含水量较低时，负孔隙水压力超过70 kPa 出现气蚀现象而影响孔隙水压力的量测精度，试验中采用了轴平移技术［3］． 轴平移技术就是人为地提高孔隙气压力，与此同时孔隙水压力也随之平移提高，而二者之间的差值(即为基质吸力)却保持不变．孔隙水压力被增加到正值，就能够更精确地对基质吸力进行量测．

具体操作是:在装样完成和开始设置试验阶段前，先关闭反压排水阀门;然后分阶段缓慢施加围压和孔隙气压(确保围压约大于孔隙气压5 kPa)，保持孔隙气压力恒定，用孔隙水压力传感器量测孔隙水压力，观察孔隙水压力的变化，直至其趋于稳定．气压力与稳定的水压力的差值即为该试样的基质吸力．在这个过程中，孔隙水排泄阀门(即反压控制器阀门)始终处于关闭状态．

3 试验结果及分析

图2 为含水量ω 分别为17． 8%，26． 3%，29．0%，31．7%和36．0%的5 组土样所对应的初始基质吸力随时间变化的曲线．

图2 5 种含水量下初始基质吸力随时间的变化曲线

由图2 可知，在试验后较短时间内所有曲线上升至最大值，而后随着时间的延长，曲线逐渐下降，趋于一个稳定值．出现这样的现象，是因为试样刚被放置于陶土板底座上，孔隙水压力传感器即开始量测试样中的孔隙水压力，而此时孔隙气压力还未被及时提高，即孔隙气压力相对于大气压保持为零，这样量测出来的孔隙水压力为负值并且负值会越来越大，基质吸力(孔隙气压力与孔隙水压力之差)就越来越大，直到采用轴平移技术增加孔隙气压力．但刚开始施加孔隙气压力时，增加的孔隙气压力并不能阻止孔隙水压力的减小(即负值越来越大)，因此基质吸力持续增大最后达到峰值．一定时间后，孔隙气压力的增加速度超过孔隙水压力的减小速度，使得孔隙水压力开始逐渐增加，此时基质吸力由峰值开始减小，并逐渐趋于稳定值．

此次试验通过对原状土样初始基质吸力的测定，得到了土样5 种含水量(17． 8%，26． 3%，29．0%，31．7%和36．0%)分别对应的初始基质吸力值，即:450，320，220，90，10 kPa．

根据试验结果可以得出土样初始基质吸力与含水量的关系曲线，如图3 所示． 从图3 可以看出，土样含水量越大，初始基质吸力越小;土样含水量越小，初始基质吸力越大;且初始基质吸力随含水量的变化比较敏感，随着含水量的增大基质吸力呈现出急剧减小的趋势，当含水量ω =17．8%时基质吸力约450 kPa，当含水量增加到ω=36．0%时基质吸力锐减到10 kPa．

图3 初始基质吸力与含水量的关系曲线

单个试样所需试验时间很长，由于时间所限，该试验中设置的含水量组数较少，不能完整、精确地说明非饱和土基质吸力和含水量的关系． 但是此次试验具有验证性作用，测得的初始基质吸力将会给实际工程应用提供一定的帮助．

4 结 语

1)利用GDS 三轴试验系统初步量测了不同含水量原状残积土的初始基质吸力，这为残积土边坡的稳定性分析及揭示其滑坡机理奠定了基础．

2)试验结果表明土样的初始基质吸力在试验的初始阶段迅速增大并达到峰值，而后随着时间延长，逐渐减小，并趋于一个稳定值．

3)试验得到5 组含水量17．8%，26．3%，29．0%，31．7%和36．0%分别对应的初始基质吸力为450，320，220，90，10 kPa，由初始基质吸力与含水量的关系曲线可知土样的基质吸力随着含水率的增大而减小．

4)该试验中的含水量组数较少，还有待增加，以进一步量测初始基质吸力并为工程实际应用提供更加全面和有力的帮助．

［1］何永金． 福建省主要地质灾害的特点、成因及其对策［J］．福建地质，1995，14(4):263 －271．

［2］陈善雄，谭新，柳治国． 降雨条件下土质边坡稳定性预测预报方法［J］．岩土力学，2002，23(增刊1):31 －36．

［3］Fredlund D，Rahardjo H．非饱和土土力学［M］．北京:中国建筑工业出版，1997:256 －278．

［4］黄润秋，戚国庆．非饱和渗流基质吸力对边坡稳定性的影响［J］．工程地质学报，2002，10(4):343 －348．

［5］吴俊杰，王成华，李广信． 非饱和土基质吸力对边坡稳定的影响［J］．岩土力学，2004，25(5):732 －736．

［6］罗晓辉，叶火炎．考虑基质吸力作用的土坡稳定性分析［J］．岩土力学，2007，28(9):1919 －1922．

［7］王钊，邹维列，李侠．非饱和土吸力测量及应用［J］． 四川大学学报:工程科学版，2004，36(2):1 －6．

［8］龚壁卫，宋建平，周武华． 非饱和土的吸力测试与现场观测技术［J］． 地下空间与工程学报，2007，2(6):1019 －1024．

［9］陈正汉，孙树国，方祥位，等．非饱和土与特殊土测试技术新进展［J］．岩土工程学报，2006，28(2):147 －169．

［10］刘国楠，冯满． 三轴试验中非饱和土试样吸力的量测［J］．岩土工程学报，1994，16(5):11 －15．

［11］白福青，刘斯宏，袁骄．滤纸法测定南阳中膨胀土土水特征曲线试验研究［J］． 岩土工程学报，2011，33(6):928 －933．

［12］黄志全，李明霞，刘莹莹．南水北调中线工程禹州段膨胀土的非饱和性质研究［J］．华北水利水电学院学报，2013，34(4):17 －20．

［13］党进谦，李靖． 非饱和黄土含水量与基质吸力的关系［J］．水土保持通报，1995，15(4):39 －42．

［14］李永乐，张红芬，佘小光，等． 原状非饱和黄土的三轴试验研究［J］．岩土力学，2008，29(10):2859 －2863．

［15］齐明山．基于GDS 的原状黄土性状试验研究［D］． 西安:长安大学，2003．

［16］刘小文，常立君，胡小荣．非饱和红土基质吸力与含水率及密度关系试验研究［J］．岩土力学，2009，30(11):3302 －3306．

［17］陈东霞，倪健，张马秀，等． 厦门地区非饱和残积土抗剪强度试验研究［J］． 厦门大学学报:自然科学版，2012，51(5):877 －881．

［18］刘海宁，姜彤，刘汉东，等． 非饱和土渗透函数方程的间接确定［J］．岩土力学，2004，25(11):1795 －1799．

［19］刘海宁，王俊梅，王思敬，等． 黄河下游堤防非饱和土边坡渗流分析［J］． 岩土力学，2006，27 (10):1835 －1840．

［20］杨茂长． 福建沿海地区花岗岩残积土工程特性探讨［J］．资源环境与工程，2010，24(1):41 －43．

［21］Agus S S，Leong E C，Rahardjo H．Soil-water characteristic curves of Singapore residual soils［J］．Geotechnical ＆Geological Engineering，2001，19(3/4):285 －309．

［22］吴炳焜．兰州黄土的变形性质和抗剪强度［C］∥土力学与基础工程论文选集．北京:铁道出版社，1998．