粗粒土浸水饱和时间试验研究

朱俊高，李 翔 ，徐佳成，邓 刚

(1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京210098；2.河海大学 岩土工程科学研究所，江苏 南京210098；3.中国国际工程咨询公司，北京 100048；4.中国水利水电科学研究院 岩土工程研究所，北京 100038)

粗粒土浸水饱和时间试验研究

朱俊高1, 2，李 翔1, 2，徐佳成3，邓 刚4

(1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京210098；2.河海大学 岩土工程科学研究所，江苏 南京210098；3.中国国际工程咨询公司，北京 100048；4.中国水利水电科学研究院 岩土工程研究所，北京 100038)

对来自双江口、两河口、小浪底、马吉4座土石坝的不同粒径的粗粒土进行浸水饱和时间试验研究，分析了吸水率与吸水时间、粒径、颗粒岩性等的关系。试验结果表明：粗粒土浸水达到饱和时间与其粒径成正相关，颗粒的岩性也是影响浸水饱和时间重要因素，吸水率与浸水历时的关系可以用双曲线函数来描述，并对该函数进行了初步验证。同时，进一步对实际试验用多粒组级配料的饱和时间进行分析，建议了粗粒土三轴剪切试验及蠕变试验的试样饱和时间估算方法及需要的合理饱和时间。对最大粒径为60 mm的粗粒土，三轴剪切试验建议饱和时间0.5～1 h，蠕变试验建议饱和时间2 h。

岩土工程；粗粒土；吸水过程；饱和时间；三轴试验

0 引 言

近年来，我国土石坝大规模的建设对粗粒土的力学性质研究提出了越来越高的要求，针对粗粒土的试验研究越来越多[1]。在研究其性质的众多试验中，粗粒土试样的饱和是试验开展的重要条件，如果试样饱和度不高，甚至在试验加载过程中颗粒还在吸水饱和，必然影响试验结果。比如，三轴试验中，试样的体积变形量一般是通过测定试样排水量确定，如果试样的颗粒没有完全饱和，在试验剪切过程中，粗粒土颗粒会吸水从而影响体变量测精度。粗粒土颗粒较大，吸水饱和需要时间较长，但是到底需要多久能基本饱和并满足试验精度要求，相关研究很少，现有规范对饱和时间也没有明确的规定。因此，有必要进行粗粒土颗粒饱和时间试验研究，通过研究土料饱和时间，可以合理确定试样浸水饱和时间，有效地提高试验的精确度和效率，为各种关于粗粒土的土工试验提供重要参考。

到目前为止，国内外学者对岩石试样的浸水饱和时间的研究较多。例如，何满潮等[2]、周莉等[3]进行了泥岩、砂岩的吸水饱和试验，发现孔隙率、矿物含量与岩石种类是影响吸水特性的主要因素，将岩石吸水过程归纳为上凸型、下凹型和直线型，并建立了吸水函数。杨宝全等[4]进行了水岩耦合三轴试验，揭示了锦屏拱坝坝肩软弱岩体的强度特性有水压弱化特性。景海河等[5]通过对荣华矿深部岩石的研究，提出吸水过程特征曲线呈三次和四次多项式型。汪亦显等[6]对经过不同浸泡时间后的软岩样品进行试验，其结果表明软岩含水率力学参数与水岩作用时间具有高度线性相关性。此外，周翠英等[7]针对软岩软化的问题进行了试验研究，并且从微观角度做出了分析；S.W.J.D.BROK等[8]重点研究了岩石的水理化性质；王军等[9]针对含水岩石的力学性质，提出了膨胀岩抗剪强度与含水量的关系；孙钧等[10]结合三峡工程，研究了花岗岩的抗拉强度与时间的关系；杨春和等[11]针对板岩遇水后的力学特性给出了试验研究与理论分析。上述相关研究主要针对标准岩石试样，对粗粒土浸水饱和时间的研究有一定的参考作用，但是，要合理准确确定粗粒土饱和时间，还需深入的有针对性的研究。

对来自双江口、两河口、小浪底、马吉4座土石坝的粗粒土进行了浸水饱和时间研究试验。通过对试验结果的分析，研究了粗粒土浸水饱和时间的规律，提出了一个吸水过程函数。建议了粗粒土三轴试样的合理饱和时间估计方法。

1 试验土料及试验方法

粗粒土浸水饱和时间主要与岩性和粒径有关。因此，笔者对4种不同来源地的粗粒土进行了浸水饱和试验，这4种粗粒土分别来自双江口、两河口、小浪底、马吉4座土石坝，其岩性如表1。每种土料取5 kg，4个粒径组，分别为：60～40 mm，40～20 mm，20～10 mm，10～5 mm。试验用土经过日光下的晾晒，处于自然风干状态，含水率接近于0。这4种料均为新鲜岩石人工破碎料，颗粒不均匀，具有尖锐的棱角。文中来源地的差异主要体现在岩性上，所以后文用 “岩性”讨论此差异。

表1 4种粗粒土的岩性

试验所用仪器如图1，该试验装置主要由试验桶、水箱、体变管、阀门等组成，其中试验桶高30 cm，直径25 cm。

图1 试验仪器示意Fig.1 The schematic of test instrument

粗粒土浸水饱和试验方法为：①将试验土料置于试验桶中，并迅速向试验桶中充水(可以认为，试样的全部颗粒同时开始浸水)；②迅速盖上试验桶顶盖使试验桶处于密闭状态；③打开两个阀门，使水从水箱进入试验桶，待试验桶充满水，体变管内水位上升到一定高度；④关闭水箱阀门，开始测读时间及体变管的读数，当读数在较长时间内保持不变或单位时间吸水量较小时，即认为试验桶的粗粒土已经饱和。

依据上述试验方法，从开始向试验桶内充水，到试验桶充满水，体变管内水位上升到预定高度，至多需15 min，所以，所有试验统一规定以试验桶内充水后15 min为计时起点，开始测读体变管读数(作为试样吸水量)。因为本试验主要研究的是粗粒土的饱和时间(即试样达到饱和或基本饱和需要的时间)，而决定试样是否饱和的标准是饱和后期的吸水量，也就是当单位时间吸水量很小的时候即认为试样饱和，因此，前期吸水量并不是本研究所关心的，开启阀门后的15 min虽然没有读数，但对最终的结果并没有影响。当然，最终的吸水饱和时间应是试验测得的饱和所需时间加15 min。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

对前述的4种粗粒土不同粒径组的试样进行了浸水饱和试验。这里借用岩石吸水率ω的概念，定义粗粒土吸水率ω为单位质量干土的吸水量(体积)：mL/kg。粗粒土从浸水开始，其吸水率ω随时间增大，点绘每种岩性粗粒土的4种不同粒径组的试样吸水率ω与时间t的关系曲线，如图2。图中，试样编号用粗粒土的来源地的首字加粒径组表示，如以“马40-60”代表马吉土石坝所用的粒径为40～60 mm的粗粒土。

从图2可以看出，同种岩性下粒径不同，但其吸水曲线的趋势相似。吸水过程中，吸水率随着时间的增加而增大。在初始计时的一段时间内，吸水率增大明显，一定时间后，吸水率随着时间的增加逐渐减小，又经历一定时间后，增长趋势变得十分缓慢甚至不再增长，粗粒土颗粒饱和。

图2 相同岩性不同粒径组的粗粒土ω-t关系曲线Fig.2 ω-t curves of different grain sizes of coarse-grained soil with the same lithology

在试验开始前和结束后，分别测粗粒土的日晒风干含水率和饱和面干含水率，用后者减去前者即得到粗粒土从风干到饱和整个过程的饱和吸水率ωsat。整理饱和吸水率与平均粒径d的关系，如图3。图3可以清楚地看出，随粒径增大，吸水率显著减小。

图3 饱和吸水率与平均粒径关系Fig.3 Relationship between saturation water absorption rate and average particle size

以体变管水位基本不下降或每30 min吸水量﹤0.1 cm3作为试样饱和的标准。从而，整理出16组粗粒土浸水达到基本饱和所需的时间，结果如表2。

表2 粗粒土浸水饱和时间

Table 2 Inundation saturation time of coarse-grained soil /h

粒径/mm双江口两河口小浪底马吉40～6013．09．08．512．520～4012．08．57．511．510～207．55．54．59．05～103．03．04．03．0

从表2可以看出，相同岩性下，粗粒土的饱和时间随着粒径的增加而增加， 且粒径对饱和时间的影响较大，甚至有最大粒径组与最小的相差10 h。在相同粒径下，砂岩(小浪底)和板岩(两河口)的粗粒土吸水率相比于另两个较多。

对最小的粒径组5～10 mm的粗粒土试样，不同来源地的土的浸水饱和时间基本相同。除此粒组之外，对其他的粒径组试样，双江口和马吉的粗粒土的饱和时间明显高于来自小浪底和两河口的粗粒土；相反，双江口和马吉粗粒土的饱和吸水率小，这可能是由于其内部孔隙大颗粒的孔隙连通性较好，水进入的多而且充满整个粗粒土颗粒内部孔隙的速度较快，而相对于孔隙较小的粗粒土，其连通性本身也差，水渗入颗粒内部所用的总时间也就相对较长。

结合图3，浸水后15 min的总吸水率，随着粒径的增加先增大后减小。说明小粒径组吸水最多，但其吸水速率也最快，在15 min之内就已经接近饱和。

2.2 吸水过程函数

观察图1粗粒土吸水过程的ω-t曲线，发现其形态和双曲线比较接近，因此，整理4种土石料的t-t/ω的关系，发现线性关系很好。限于篇幅，这里仅给出了小浪底粗粒土4个粒径组料的t-t/ω关系散点图及拟合直线，如图4。

图4 t-t/ω关系曲线Fig.4 Curves between t and t/ω

所以，粗粒土的吸水率与时间可以用式(1)表示：

(1)

式中：t为粗粒土与水接触时开始计时的时间，即浸水历时，h；ω为15 min以后开始计算的吸水率，ml/kg；a，b为参数。

式(1)中的参数a，b与平均粒径d的关系如图5。随粒径增加，参数a取值总体呈先减小后增大趋势。参数b取值基本随粒径增加而增大。由于试验总量相对较少，目前还难以总结出参数a，b随粒径d的变化关系，待进一步研究。

图5 吸水过程函数的参数取值Fig.5 Parameter values of the hyperbola function

为验证式(1)的适用性，作者利用其计算出吸水率与时间关系，并与试验结果进行比较，如图6。图中，点为试验值，实线为式(1)计算结果。由图6可见，式(1)能较好的反应粗粒土吸水过程中吸水率和时间的关系。

图6 式(1)计算ω-t关系与试验结果比较Fig.6 ω-t relationship calculated by function (1) and the comparison of test results

2.3 粗粒土三轴试样合理饱和时间的讨论

上述试验表明，随时间增大粗粒土颗粒吸水率逐渐增大，但是其增大的速率在逐渐减小。粗粒土浸水后，需经历一定的时间才能基本饱和或完全饱和。如果浸水历时较短，则在剪切阶段试样颗粒仍然在吸水，势必影响体积应变测量精度。下面将对粗粒土需要的合理饱和时间进行研究。

一般情况下，试验用土料为含有多粒组级配的料，因此，需要根据上述试验总结的规律确定实际试验级配料的饱和时间。下面利用式(1)估算多粒径组级配粗粒土的饱和时间。如前所述，式(1)的参数a、b与粒径的关系还难以给出合理规律，这里参数a暂近似取用各个粒径参数的的平均值。参数b随粒径的关系尽管不是很好，但趋势是明显的，因此，近似用式(2)的线性关系表示：

b=αd+β

(2)

式中：d为粒径组平均粒径，mm；α，β为b的线性拟合关系参数 。

上述试验中5 kg粗粒土浸水饱和时间大多分布在3～12 h，最多需要13 h，又因为岩性等其他因素会对其饱和时间造成影响。所以假定24 h为完全饱和时间(即假定粗粒土完全饱和需要的吸水时间)，则饱和吸水率可由式(3)近似计算：

(3)

定义剩余吸水率为饱和吸水率与当前时刻的吸水率之差，用Δω表示，则可用式(4)计算：

Δω=ωsat-ω

(4)

为了研究粗粒土三轴试样的合理饱和时间，需要分析试样浸水后经历一段时间t后，在t时刻以后的时间内吸水量占试样体积大小，定义为剩余吸水体积应变，用Δε表示。为此，需利用式(1)计算土料的每一个粒径组某时刻的剩余吸水率，从而用式(5)计算整个三轴试样的剩余吸水量(ΔQ，即当前时刻以后直至试样饱和时的吸水量)：

ΔQ=m(p50Δω50+p30Δω30+p15Δω15+p7.5Δω7.5)

(5)

式中：m为三轴试样的(干)质量；p为某粒径组的百分含量，下标的数字代表该粒径组的平均粒径。

由于﹤5 mm的颗粒粒径较小，饱和时间较短，因此，对笔者所研究的问题，其引起的剩余吸水量较小，这里忽略不计。因此，剩余吸水体积应变为：

(6)

式中：Vc为三轴试样的体积，cm3。

下面以拟定的某级配为例，讨论大型三轴试样饱和所需要的合理时间，其级配如表3。大三轴试样直径30 cm、高度60 cm。

对现有常见土石坝工程，粗粒土三轴剪切试验所测得常用围压下试样体积应变范围通常为εv，max=1%～5%，则用剩余吸水体积应变Δε除以体积应变εv，max，即可得到试样因饱和时间不足引起的体积应变相对误差(以下简称饱和体变相对误差，用RE表示)。饱和时间的不同，所造成的相对误差也不尽相同。对笔者试验的4种来源地的粗粒土，其相对误差值列于表4。4种土及均值的上限值与浸水历时的关系绘制于图7。

表3 拟定的粗粒土级配

表4 常见围压下三轴试样饱和体变相对误差

图7 饱和体变相对误差RE与浸水历时t的关系曲线Fig.7 Relationship curves between the relative error of the saturation RE and the inundation time t

由表4可以看出，对应相同的浸水历时，不同岩性的粗粒土的饱和体变相对误差RE有一定差异，双江口的堆石料的RE最小，而其它4种料的RE比较接近。由于笔者试验的土料种类相对较少，岩性不同导致饱和体变相对误差的差异还很难评价，有待更多试验资料的验证。

另一方面，表4和图7显示，随着浸水历时的增加，试样RE显著减小。如果浸水历时仅仅0.25 h，较低围压下不同岩性试样的RE平均达6.48%；而当浸水历时为2 h，该相对误差减少到2.54%，浸水8 h后，其相对误差可控制在1%以下。

图7表明，0～2 h内，曲线比较陡；浸水历时超过2 h后，曲线趋于平缓，饱和体变相对误差随时间增大减小缓慢。在0～2 h内，尽管RE随时间增加而显著减小，但是，对应浸水历时1 h的RE平均最大3.09%，0.5 h的RE平均最大也只有5.29%。因此，对于粗粒土大型三轴剪切试验，试样浸水饱和时间建议取0.5～1 h。对于蠕变试验，对试样变形测量精度要求较高，建议取2 h左右。

进行试验的粗粒土最大粒径为60 mm，由于粗粒土岩性的不同，试验级配的不同，达到饱和时间有差异。因此，如级配最大粒径﹥60 mm或大粒径颗粒较多，应适当增加饱和时间。

3 结 论

对粗粒土的浸水饱和时间进行了试验研究，分析了粗粒土的吸水规律，得出的结论如下：

1)4种不同岩性的粗粒土不同粒径粒组的颗粒浸水饱和试验表明，饱和时间与粗粒土的粒径明显成正相关，而且，颗粒岩性不同对其浸水饱和时间也有一定影响。

2)针对粗粒土的吸水过程，建立了双曲线形式的吸水过程函数，并进行了验证。

3)基于提出的吸水过程函数，建立了多粒组级配粗粒土的合理浸水饱和时间确定方法。建议大型三轴剪切试验的试样需要的饱和时间为0.5～1 h，蠕变试验试样的饱和时间为2 h，填补了相关研究的空白。

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Experimental Study of Saturation Time of Coarse-Grained Soil

ZHU Jungao1, 2, LI Xiang1, 2, XU Jiacheng3, DENG Gang4

(1. Key Laboratory of Geomechanics & Embankment Engineering of Ministry of Education, Hohai University,Nanjing 210098, Jiangsu, P.R.China; 2. Geotechnical Research Institute, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, P.R.China; 3. China International Engineering Consulting Corporation, Beijing 100048, P.R.China; 4. Department of Geotechnical Engineering, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, P.R.China)

The inundation saturation test on different particle size of coarse grained soil from four earth-rock dams, including Shuangjiangkou, Lianghekou, Xiaolangdi and Maji was carried out. The relationships among water absorption rate, water absorption time, particle size and lithology of grain size were analyzed. The results show that there is a positive correlation between the saturation time and particle size of coarse-grained soil, and the lithology of grain size is also an important factor that influences the inundation saturation time. Furthermore, the correlation between the rate and time of water absorption turns out to be a hyperbolic function after a preliminary verification. Meanwhile, the saturation time of multi-particle groups in the actual test was further analyzed, and the reasonable saturation time and approach to estimate the time for the tri-axial shear and the creep test samples of coarse-grained soil were recommended. In the case of the coarse-grained soil with maximum particle size of 60 mm, the recommended saturation time of tri-axial shear test is among 0.5 ～1 h, and the recommended saturation time of the creep test is 2 h.

geotechnical engineering; coarse-grained soil; absorption process; saturation time; tri-axial shear test

2015-10-08；

2015-11-05

国家自然科学基金项目(51479052)；国家"973"计划资助项目(2013CB036404)；江苏省六大人才高峰项目(JZ-011)

朱俊高(1964—)，男，江苏兴化人，教授，博士，主要从事土体基本性质与本构模型、土石坝工程方面的研究。E-mail: zhujungao@hhu.edu.cn。

李 翔(1991—)，男，天津人，硕士研究生，主要从事堤坝与道路工程、本构模型方面的研究。E-mail:lixianghhu@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.17

TU443

A

1674-0696(2016)01-085-05