某滑坡非饱和土的土水特征曲线试验研究

王良川

(中国有色金属工业昆明勘察设计研究院, 云南昆明 650001)

某滑坡非饱和土的土水特征曲线试验研究

王良川

(中国有色金属工业昆明勘察设计研究院, 云南昆明 650001)

岩土工程中绝大部分土体位于地下水位以上，处于非饱和状态。对于土质边坡而言，降雨引起土体内含水量的增加，吸力减小，使得非饱和土的抗剪强度降低，从而影响边坡工程安全稳定性。针对非饱和土的吸力与饱和度之间的关系，采用饱和盐溶液控制吸力，测定了2种不同干密度滑坡非饱和土体的土水特征曲线。结果表明，低吸力段，干密度越大持水性能越低，而高吸力段干密度对土水特征曲线的影响不明显。

土水特征曲线；含水量；非饱和土

0 引 言

当前,在绝大多数岩土工程实践中所采用的设计标准和施工规范均是建立在传统的饱和土理论基础之上。然而,实际的岩土工程中,绝大部分土体均位于地下水位之上,土体中的孔隙不仅存在孔隙水,还有部分气体存在,处于一种固、液、气三相共存的非饱和状态。通常,发生滑坡的深厚残积土或膨胀土边坡,其地下水位埋深较深,靠近地面的土也是一种非饱和土[1-3]。非饱和土与饱和土的主要区别在于,因水—气结合膜所产生的吸力的存在,致使土体的抗剪强度、渗透特性等主要工程性质得到改善,从而对土坡的稳定性起着重要作用[4]。

在非饱和土的研究中,土水特征曲线被定义为土体的饱和度或体积含水量与吸力之间的关系[4]。土水特征曲线是非饱和土的重要本构特性之一,对于研究非饱和土的物理力学特性至关重要,也是非饱和土动态水力分析的必要条件[4-5]。根据非饱和土体的土水特征曲线,可以确定非饱和土的强度特性、体变特性和渗透性能[6-9]。由此可见,测定土水特征曲线是开展非饱和土研究的前提条件。在岩土工程领域中,边坡稳定性评价和降雨型滑坡预测等通常需要应用土水特征曲线的相关理论,促进了土水特征曲线的深入研究[4-10]。

建立土水特征曲线的方法分为直接法和间接法[5]。直接法主要是测量土样在脱水干燥或吸水湿化过程中的吸力以及与之相对应的含水量,包括控制吸力测定湿度和控制湿度测定吸力2种方法[4-5]。间接法是通过土水特征曲线的理论模型计算得到[4]。本文针对昆明地区某滑坡滑带非饱和土体,采用渗析法和气相法控制吸力,进行了重塑土体的湿化过程的土水特征曲线研究,并讨论了不同干密度对土水特征曲线的影响。

1 非饱和土土水特征试验

1.1 试验材料

该试验用土取自昆明地区某公路滑坡处,根据该场地岩土工程勘察报告,为粉质粘土。通过常规土工试验获得原状土的基本物性指标参数,结果为:土粒比重2.53 t/m3,液限31.4%,塑限17.2%。为分析干密度对该试验用土土水特征曲线的影响,采用JDS-2型电动标准轻型击实仪制取不同干密度的粉质粘土试样,击实曲线如图1所示,由图1可知试验用土的最优含水率为16.8%,最大干密度为1.79 g/cm3。

图1 试样土击实曲线

1.2 试验方法及仪器

试验采用饱和盐溶液法控制吸力,吸力控制范围为:0～300 MPa。其主要原理是通过控制放置试样玻璃干燥皿中的相对湿度,并由Kelvin定律换求对应的吸力值。饱和盐溶液与试样之间,通过水蒸气方式发生水气交换,当交换达到平衡后,取出试样并立即称重,求取平衡后的土样含水量,上述平衡时间约为7～10 d。本试验采用的饱和盐溶液、相对湿度与对应吸力见表1[11]。

表1 饱和盐溶液、相对湿度与对应吸力

1.3 试验设计

为了针对不同干密度土样的土水特征曲线进行对比研究,采用相同击实功在不同含水率下击实制取了3种不同干密度的试样,不同干密度土样的基本参数见表2,其中,试样1为标准击实的最大干密度试样。

表2 不同干密度击实土样基本参数

2 试验结果与分析

2.1 土水特征曲线的基本形态

土水特征曲线是指处于非饱和状态的土体,在吸湿或脱湿过程中,孔隙中的含水量不断减小或者增大,吸力也随之发生相应变化,典型土水特征曲线的基本形态如图2所示,可划分为边界效应段、过渡段和非饱和残余段[5]。在边界效应段,随着吸力增大其饱和度并没有明显变化,基本处于饱和状态,土水结合膜完全连续；在过渡段,土水结合膜不再连续,随着吸力的增大,饱和度迅速减小；在非饱和残余段,土水结合膜很少,要进一步增加土体中的吸力将非常困难,同时饱和度的减小也非常缓慢和困难。此外,在吸湿和脱湿过程中,分别测得的土水特征曲线是明显不同的,脱湿曲线总是高于吸湿曲线,即在相同吸力点脱湿阶段的饱和度要高于吸湿阶段的饱和度,这种现象称为土水特征曲线的滞回特性。滞回区间与土体的颗粒大小、孔径分布等因素有关。一般而言,粗粒土的滞回区间较小,细粒土的滞回区间较大。对粘性土而言,其滞回现象比较明显。

图2 土水特征曲线的典型形态[5]

2.2 土水特征曲线测试结果

通过各吸力点测到的土样含水量计算当前土样的饱和度,根据各饱和度与吸力的关系,绘制干燥条件下不同干密度的滑坡非饱和土样土水特征曲线,如图3所示。

图3 不同干密度压实土样土水特征曲线

图3表明,随着吸力的增大土样饱和度迅速降低,当吸力增大至4.2 MPa时,土样的饱和度减少了近60%,当吸力达到110 MPa时土样的饱和度约为8%。总体表明该压实土样在试验控制吸力阶段的持水性能一般。同时,不同干密度的压实土样持水性能也不一样。同一吸力控制时,1.79 g/cm3的压实红粘土土样饱和度在各吸力点较1.70 g/cm3的土样都要高。这是由于干密度1.70 g/cm3的土样初始孔隙比大,同一吸力控制时,1.70 g/cm3的土样含水量较1.79 g/cm3的土样要高,从而饱和度也较大。

从图3还可以发现,用饱和度与吸力关系表示土水特征曲线时,随着吸力的增大,不同干密度压实土样的饱和度差距越来越小。当吸力小于50MPa时,2种干密度压实粘土的土水特征曲线相差较大,干密度越小,孔隙越多,饱和度越大,土水特征曲线越低。当吸力超过50 MPa时,2种干密度压实粘土平衡后的饱和度逐渐靠近,最后几乎相同,表明干密度对高吸力阶段的土水特征曲线影响不明显。

2.3 土水特征曲线形态分析

对比分析图2与图3,可以发现,利用饱和盐溶液测得的土水特征曲线,主要位于高吸力段(吸力＞4 MPa)。对大多数土体而言,吸力超过4 MPa即处于非饱和残余段。例如,孙德安[11]等利用压力板、滤纸法和饱和盐溶液3种方法综合测定了初始干密度为1.4 g/cm3的压实红粘土土水特征曲线(见图4)。由图4可以看出,压实红粘土的进气值约为20 kPa,当吸力超过20 kPa时,红粘土呈现非饱和状态,当吸力超过10 MPa时,红粘土饱和度低于30%,饱和度随着吸力增加而减小缓慢,土体处于残余饱和段。

图4 压实红粘土土水特征曲线

3 结 论

采用饱和盐溶液控制吸力,测定了2种不同干密度滑坡非饱和土体的土水特征曲线。结果表明,低吸力段,干密度越大持水性能越低,而高吸力段干密度对土水特征曲线的影响不明显。在实际工程中,绝大多数岩土体处于非饱和土状态,因此,对于一些重要的土质边坡,一方面,平时需要加强对土体内吸力的量测和监控,随时掌握土体中水分的储存和迁移状态；另一方面,降雨期要采取有效措施,控制土体内吸力的迅速降低,从而确保工程安全。

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2015-04-14)

王良川(1971-)，男，四川邻水人，工学硕士，高级工程师，主要从事岩土工程的设计与施工工作，Email: 47176135＠qq.com。