非饱和土体与水利工程问题的联系

冯涛

摘 要：基础施工作为水利工程最为重要的环节，直接决定了工程整体质量，并对后期水利工程运行的稳定性造成直接影响，而非饱和土体是水利工程施工中较为常见的土体，因而深入研究非饱和土体，对水利工程施工技术水平的提高具有现实意义。本文主要针对水利工程所遇到的非饱和土进行了研究，分别针对非饱和土体对水利工程施工中遇到问题的影响进行了简要叙述，从而为水利工程基础处理技术的发展奠定更加坚实的基础。

关键词：非饱和土；性状；工程；吸力

中图分类号：TU443 文献标识码：A

0.引言

非饱和土体是大多数表层土的状态，尤其在水利工程施工中，常见非饱和状态土体，例如膨胀土、残积土、黄土等。但是目前针对非饱和土体的研究明显落后于水利工程施工技术的发展，很多工程师在计算非饱和土体时仍旧使用饱和土体力学理论，并且认为该种方式更加安全，但事实上这种方式仍旧存在诸多隐患。

1.非饱和土体对水利工程的影响

1.1 非饱和土体水、气运移问题

非饱和土体对工程施工的影响最根本的体现在水、气运移问题上。非饱和土体吸力场由于受到流体压力或流量条件变化的影响会发生改变，因此土体中水、气会发生运移，由此改变土体形状。包气带非饱和土层受到外界气候条件影响较大，气候条件改变，则土体形状改变，例如包气带水分受到环境影响蒸发蒸腾，水分上移，则土体孔隙水压减小，土体干缩开裂。雨季则水分下移，孔隙水压上升，土体强度降低，尤其黄土和膨胀土，会发生膨胀、湿陷等问题。所以水利工程非饱和土体基础施工必须解决水、气运移问题。

1.2 非饱和土体湿度引发基础变形问题

膨胀土以及黄土地区的水利工程施工中，干/湿条件变化对土体影响最大。由于土体含水率改变，基础会发生隆起、下陷问题，而引发土体含水率变化的主要有两方面原因：自然因素、人为因素。因此必须采取有效的排水、防渗设施以保证水利工程基础含水率负符合施工需要。另一方面，对于膨胀土基础，植被会直接影响基础变形程度。因此对于此类地区不能盲目地砍伐、清理植被，并且依照实际需要还应当适当进行植树作业，并且保证植被布局合理。水利工程施工对膨胀土基础含水率具有一定影响，因此施工中还应当注意平衡土体水分收支。

而在黄土基础中，最为明显的问题为基础湿陷变形。传统的计算方法对于此类问题无法准确地进行计算、预测，因而必须采取针对性的理论以及研究方法，即非饱和土体力学研究方法、理论等。

1.3 非饱和土体对支挡结构的土压影响

支挡结构后大多或部分为非饱和土体，其对支挡结构土体压力影响加大，主要体现在压力系数、张裂区的改变上。静止状态下，非饱和土体颗粒受到表面的张拉作用，靠近地表的部分会出现开裂，其深度受到吸力剖面影响。而气候条件改变会对非饱和土体吸力剖面造成直接性影响，气候条件变化则吸力剖面变化，因而支挡结构土压也会随着外界气候条件变化而变化。设计师在进行设计时必须将气候条件变化考虑在内。此外，在进入被动状态或主动状态上，相比较饱和土体，非饱和土体的变形相对较小。值得一提的是，在膨胀土区域，土体吸湿膨胀力也会影响土压，尤其对土体抗剪强度的影响，这一特性被合理利用可以有效提高土体稳定性。不过，防渗、排水措施仍旧是无支护开挖作业中必不可少的，以此确保土体稳定性。

1.4 非饱和土体对边坡稳定的影响

非饱和土边坡稳定最突出的问题是降雨入渗诱发的边坡失稳。降雨入渗使得边坡浅层土体中含水率升高，并可能导致滞水的发生，以致土体中原有的吸力及其抗剪强度的贡献降低甚至完全丧失，边坡稳定安全系数可能因此而降低。对于降雨条件下边坡稳定问题，边坡浅层土体中孔隙水压力分布剖面是最为关键的不确定因素，这是由于它不仅与降雨条件有关，而且还与边坡中土层剖面、土性参数以及降雨前土层中初始含水率分布场有关。

（1）无黏性土边坡

降雨入渗对边坡中孔压剖面的影响随着土层深度的增加显著降低，影响深度一般小于3m。长时间的降雨入渗往往会导致滞水层和顺坡向层间流的产生。边坡表面的植被情况和覆盖条件可能明显影响降雨入渗强度及边坡中孔压场。土层剖面的非均质性以及相对透水层或隔水层的存在将显著改变降雨入渗条件下边坡中的渗流场，以致影响边坡中孔压分布剖面。

（3）黏土边坡

非饱和土体受到降雨入渗影响，土体孔压场会发生改变，这种变化在弱胀缩土体中相对简单，而在强涨缩土体中相对复杂。降雨入渗过程中，水和土之间会发生强烈的作用，浅层土孔压场和含水率会在雨水入渗过程中改变，甚至边坡变形场、应力场也会发生变化。这一过程中是应力、变形、抗剪强度和吸力耦合而成，且土体裂隙数量也是影响边坡状态改变的主要原因。

1.5 非饱和土体对地基承载力的影响

路基及建筑物的浅基础往往是落在非饱和土层上，由于其中的吸力对土体的抗剪强度存在贡献，所以地基承载力比相应饱和土的高。如果非饱和土层中吸力会长期存在，工程师在地基承载力设计时可考虑由吸力引起的附加抗剪强度对承载力的贡献，承载力计算时可认为吸力引起附加抗剪强度主要体现在表观凝聚力，这样地基承载力的计算公式与饱和土的一致。当然，若非饱和土中吸力会受当地的气候的影响而不能保证时，必须考虑一定安全系数。

结语

工程实用原则是非饱和土体研究的核心原则，也是其研究的主要发展方向，只有围绕工程需要，切实解决工程问题，才能可持续发展。目前我国水利工程施工中对于非饱和土体的研究仍旧存在诸多空白，无论在理论还是研究技术上都上不完善，缺乏必要的计算方法，工程的实际应用中也相对笼统，因此必然会影响工程质量，也对非饱和土体研究的发展造成阻碍，因此非饱和土体同水利工程问题的研究具有相当的现实意义。

参考文献

[1]詹良通，吴宏伟，包承纲，等.降雨入渗条件下非饱和膨胀土边坡原位监测[J].岩土力学，2003，24（2）：151-158.

[3]包承纲.非饱和土性状及其与工程问题的联系[J].岩土工程学报，2006（2）：129-136.