非饱和重塑黏性土鼓形变形后饱和度的分布规律

■赵广辉 刘宇轩

（广东有色工程勘察设计院广东广州510080）

非饱和重塑黏性土鼓形变形后饱和度的分布规律

■赵广辉 刘宇轩

（广东有色工程勘察设计院广东广州510080）

论文首先开展理论分析，设定边界条件，通过数学推导，分析了非饱和重塑黏性土鼓形变形后饱和度的分布规律。同时推算出用测定的参数表示压缩后试样各层饱和度的计算公式。然后对非饱和黏性重塑土进行无侧限单轴压缩实验，使试样出现鼓型变形，并测定压缩后土样内各部分饱和度，得出土样内部饱和度的分布特性。最后，将实验测定的参数计算出的各土层饱和度值与实验测定结果对比，得出饱和度分布满足两点规律：一是纵向上饱和度呈现中间向两端递增，并且两端饱和度关于中间对称的规律：二是横向上饱和度呈现中间向外部递减的规律。

非饱和土黏性土压缩饱和度

1　引言

在非饱和土的压缩过程中，水分会相互运移，气体也会排出。传统的观点认为非饱和土的压缩是排水排气的混合过程，即在土样整体达到饱和之前，水分和气体都会排出。汤连生［1］认为非饱和土压缩应该分为两个阶段：第一个阶段是在压力作用下，水分在土体孔隙中运移，同时孔隙体积会不断减小，由此导致孔隙中气体体积不断减少直至所有的孔隙被水充满，在这个过程中没有水分的排出；第二个阶段则是在土体已经达到饱和后发生的，此时的土体已经变为饱和土，再进行压缩的话才会有水分排出。包承纲［2］在进行非饱和土孔压消散试验时，将压缩过程分为四个阶段：第一阶段孔隙水压力为负值，只有气体会排出；第二阶段水处于张力状态，仍然只有气体排出；第三阶段由于孔隙气压增大，水分将试验底部出水口封闭，加荷时水分和气体均可能排出；第四阶段水分和气体都能排出，且排出的液体中会携带气体。

基于非饱和土压缩新观点，非饱和土压缩过程中土体各部分饱和度变化不均匀。土样中先达到饱和的部分，在施加外荷后渗水，而此时土样中仍存在不饱和的部分，因此土样整体为非饱和状态。由此考虑无侧限单轴压缩土样出现鼓型变形的情况。压缩后土样中间部分体积膨胀速率大于两端，导致两端的饱和度增大速率大于中间部分。于是在两端达到饱和甚至过饱和的时候，两端会有水渗出，而中间部分没有达到饱和，因此土总体并没有达到饱和。

因此，本文旨在通过初步的理论证明和简单的实验测定，针对非饱和土无侧限压缩鼓型变形后饱和度不均匀分布规律进行了研究，从而对上述观点进行了验证。

2　理论研究

2.1建立模型

非饱和黏土土样初始形态为标准圆柱体，高为H0，直径为D，如图1。经过单轴压缩后变为鼓型土柱，高为H。以鼓型土柱中心为坐标原点建立三维坐标系，如图2。

孙德安［3］对圆柱土压缩的鼓型变形进行了侧向变形假定，如图3所示，并提出鼓型试样的体积可按下式计算：

上述公式的系数如下：

式中D1、D2、D3、H可以测得。

将鼓型土柱纵向等分为六土层，由上至下一次命名为A、B、C、D、E、F，如图4。

2.2基本假设

为推导出饱和度的变化规律，做出以下三点基本假设：

（1）忽略不同层之间水分的迁移

非饱和黏性土，渗透系数较小［4］。故黏土在受到瞬时压力后，水分在土体内迁移缓慢，甚至会小于土块的压缩速率。虽然水分也会发生迁移，但是迁移距离比较短，因此对于不同层之间比较饱和度，层与层之间水分的迁移可以忽略。

（2）拟定每层的压缩量相等

土块无侧限压缩的时候，整体受到垂直方向的压力，由于土块自重的影响，会使不同高度受到的力有所差别，从而导致不同层压缩量有差异。但考虑到压力仪施加的压力远大于土自身的重力和计算的方便，因此拟定每层的压缩量相等。

（3）压缩后，忽略水和土颗粒的体积压缩量

土样瞬时压缩，导致土中的气体、水和土颗粒体积都会减小，因此会对整体体积计算产生影响。但是由于水和土颗粒密度相对气体密度大很多，压缩时水和土颗粒体积减小量与气体压缩量比起来很小［5］，因此可以忽略。

2.3计算公式

由基本假设可知，忽略不同土层之间的水分迁移，因此各土层水分含量压缩前后保持不变。同时忽略水分和土颗粒体积的压缩，故由饱和度的定义可知，各土层压缩后体积的减小值即为各土层气体体积的减小值。压缩后A、B、C层的饱和度值分别为。

式中：VA、VB、VC、w、ρs、V0、Sr、ρw分别表示A土层压缩后体积，B土层压缩后体积，C土层压缩后体积，土样初始含水率，颗粒密度，土样初始总体积，土样初始饱和度，水的密度。

3　实验测定

采用的土样采集于珠海某工地距离地表2-5m处。采集时初步判断为一种黏性较强，颗粒较细的软土。经过现场简单的试压可以发现，此土在单轴压缩的情况下，比较容易出现鼓型的变形，而张裂和剪切破坏在压缩较后期才会出现。因此此土比较符合实验的要求。

3.1无侧限土压缩实验

3.1.1试验原理

式中：Sr为土块饱和度；ρs为土的颗粒密度，实验测出为2.70g/cm3；m为土块烘干前的质量，（g）；ms为土块烘干后的干质量，（g）；ρw为水的密度，取1.00g/cm3；V为土块烘干前的体积，（cm3）。

3.1.2试验过程

根据S.K.Vanapalli和D.G.Fredlund的研究［6］，蒸发水分使饱和土变为非饱和土，土首先经历的是气压突破土体颗粒表面水膜张力的约束，空气开始进入并占据土体内部较大孔隙，使饱和度急剧降低的过程。故本文采用蒸发饱和黏土的方式，模拟上述饱和度急剧降低的过程，从而制得二组非饱和黏土试样。

试验过程包括测定初始饱和度，制备圆柱形土样，压缩土样三部分。

3.1.3实验结果

根据实验数据及上述试验原理计算公式得到鼓型变形后各个部分的饱和度值见表1，表2。

3.2数据整理分析

对不同层的饱和度进行平均值计算，得到各层平均饱和度的值见表3。

将表3的数据用直方图的形式表示，如图4，5。

从各土层饱和度分布图可以看出，饱和度大小呈现由中间向两端逐渐增大的趋势，并且饱和度在纵向上呈现以中线为轴的对称分布。

针对不同圈层的饱和度进行饱和度平均值计算，结果见表4。

将表1，2的数据描点，并将相同圈层的点连起来形成图6，7所示的折线图。

从图6、7以及表4可以得出土样外环、中环和内圈的饱和度关系为Sr内＞Sr中＞Sr外，即横向上土体饱和度呈现中间向外侧增大的规律。

而且还可以发现，虽然从纵向得出了饱和度的分布规律为中间到两端递增，但中间层各部分的饱和度却并不一定都小于两端层各部分饱和度。例如A层的外环和B层的内圈来说，A层外环的饱和度反而小于B层内圈，甚至小于C层内圈。也就是说，中间土层的饱和度小于两端土层的饱和度只是饱和度分布规律的一个方面，同一层的不同位置展现出来的差异也很大。

4　理论与实验结果对比

由实验测得的长度参数H0=20cm，D=10cm，代入公式（2-7）得土样初始体积V0=1570.2cm3。实验测得初始饱和度Sr=84.0%，又可算得土样含水量w=31.2%，颗粒密度ρs=2.70g/cm3，水的密度取ρw=1.00g/cm3。

根据2.3节计算公式得出土样一、土样二饱和度值见表5。

通过表5和表3对比可得：

（1）将测量压缩后的长度参数代入理论计算公式得到的土样总体饱和度下降，并且在纵向分为六层的情况下，饱和度大小呈现中间层往两边层递增的规律。这与通过实验测定得到的饱和度分布规律一致。初步说明了由体积变化差异引起的鼓型变形饱和度分布不均匀的观点符合实际。

（2）通过表中的数据可以发现，计算得到的饱和度比实验测到的饱和度偏小，且不同层之间的差值规律也不完全相同。这种情况产生主要是由于实验时体积和质量测量误差造成的，并且实验测定饱和度偏大的原因也在上文进行了分析。虽然误差造成实验结果和理论结果有所差异，但总体呈现出来的规律是一致的，并且是有说服力的。

5　结论

本文基于非饱和土压缩过程中土样饱和前只有气体排出，水分只在内部迁移的新观点，对前人做出土样未饱和时也有水分渗出的实验结果进行重新解释，认为未饱和时有水分渗出是压缩后饱和度分布不均匀，饱和部分先渗水造成的，从而提出非饱和土压缩后各部分饱和度分布不均匀的观点。得出如下两点结论：

（1）黏性土重塑土无侧限压缩鼓型变形后，纵向呈现饱和度由中间向两端递增，两端的饱和度值关于中线对称的分布规律。产生这种现象的主要原因就是压缩过程中，土样各部分孔隙中气体体积变化有差异。

（2）横向上土样饱和度呈现中间向侧边递减的规律，而且这种差异有时甚至比纵向上饱和度的差异更大。

［1］汤连生，王洋，张鹏程，廖化荣.非饱和黏性土粒间吸力测试研究 ［J］.岩土工程学报，2003，25（3）：304-307.

［2］包承纲.非饱和土的性状及膨胀土边坡稳定问题 ［J］.岩土工程学报，2004，26（1）：1-15.

［3］孙德安.饱和度对非饱和土力学性质的影响 ［J］.岩土力学，2009，30（2）：14.

［4］陈正汉，孙树国，方祥位，周海清，谢云.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.

［5］Fredlund D G.Unsaturated soil Mechanics［M］.Beijing：China Architecture And Building Press，1997.

［6］Vanapalli S K，Fredlund D G，Pufahl D E and Clifton A W.Model for the prediction of shear strength with respect to soil suction［J］，Can.Geotech J，1996，33：379-392.

［7］刘宇轩.非饱和黏性土压缩过程中饱和度重分布特性 ［D］.中山大学，2015.5.

P62［文献码］ B

1000-405X（2016）-8-365-3