基于非饱和土压强度计算模型的土湿吸力物理模型试验分析

王 鑫

(辽宁海阔水利水电工程有限公司，辽宁 辽阳 111000)

随着土体含水率的变化，土体土湿吸力也在不断变化，而土湿吸力是影响土体抗剪强度的重要指标，也是影响水利工程设计稳定性的重要因素[1- 2]，因此在工程设计前，需要对设计土体的土湿吸力与含水率的关系进行分析。当前，对于土湿吸力与含水率关系大都采用模型计算[3- 6]，但物理模型试验方式更为直观，通过物理模型的方式可以分析不同土体干实密度下土体含水率与土湿吸力之间的关系，探讨不同含水率与土湿吸力的相关性。本文结合在土体力学计算较为实用的非饱和土压强度模型，采用物理模型试验的方式，探讨土湿吸力与含水率的关系。研究成果可为水利工程设计中的土湿吸力指标确定提供参考价值。

1 非饱和土压强度计算模型

非饱和土压强度计算模型主要计算土体表层的湿吸力，其计算方程为：

PS=(2σ/R)sin(θ+φ)/sinφ

(1)

式中，PS—土体表层的湿吸力；θ—接触角度值；φ—饱和角度值；σ—土体表层张力系数；R—土体颗粒的半径值。

在计算土地表层湿吸力的同时，非饱和土压强度计算模型对土体宏观湿吸力进行计算，计算方程为：

S=(σ/R)sin(θ+φ)(1-cosφ)/sinφ

(2)

式中，S—土体宏观湿吸力。当土地接触角θ达到常量时，土体湿吸力与饱和角呈现线性关系，模型建立含水率与与饱和角之间的线性关系，不同土体颗粒之间的间隙容量计算方程为：

V1=πr2·2h

(3)

2V2=2·πh2·(R-h/3)

(4)

式中，V1—土体圆柱的体积；V2—土体圆球的体积；h—土体柱体侧面高度；r—土地柱体的底部半径。则土体颗粒之间的孔隙容积V计算方程为：

V=6πR3(1-cosφ)2(2cosφ+1)

(5)

公式(5)中各变量含义同公式(1)中变量含义。在土体孔隙率计算的基础上，需要确定软土地基的含水率，计算方程为：

w=1.0·V/2.7·(4πR3/3)

(6)

即为：

w=51(1-cosφ)2(2cosφ+1)/3

(7)

其中在公式(6)和(7)中变量含义同公式(1)中变量含义。

2 试验方法

本次进行试验的土壤质地为壤土，试验土样的物理参数见表1，按照设计的土体含水率进行试验水量的设置，将土样进行风干后按照不同含水率进行塑料封装。在恒定温度条件下将试验土样进行静置，保证土样中的水分进行均匀分布，在静置完成后，按照土样设计的干密度进行密实试验。在进行数据测定时，在试验仪器中间放置用于测定土湿吸力的滤纸。为了保证滤纸测定数据的准确性，需要在进行恒温平衡处理，一般时间周期为10d。平衡结束后，取出试验滤纸，对滤纸进行称重分析，结合试验前后滤纸的重量，分析土湿吸力。

表1 试验土样的物理性质

3 试验成果

在进行不同干密度、不同含水率下土样湿吸力试验测定后，结合非饱和土压强度模型对土湿吸力进行计算，分析试验土样不同干密度下土湿吸力与土样含水率以及不同初始含水条件下土湿吸力与土样含水率之间的关系。

3.1 不同干密度下土湿吸力和含水率之间关系的试验结果

对不同干密度条件下的土湿吸力进行测定，并结合非饱和土压强度确定土湿吸力与土样含水率之间的关系，试验分析结果如图1所示。

图1为不同干密度下土体含水率及饱和度和土湿吸力的试验分析结果，从试验结果可以明显看出，随着干密度增加，随着土体含水率和饱和度的增加，土湿吸力呈现较为明显下降趋势，当土体含水率达到15%～20%之间，土湿吸力下降趋势较为平稳。从饱和度和土湿吸力的试验分析结果可以看出，和土壤含水率一致，当土体含水率饱和度逐渐增加时，土湿吸力逐步减小。当土体饱和度在40%～80%之间时，土湿吸力下降趋势较为平稳。

图1 不同土体干密度下土体含水率及饱和度与土湿吸力的试验分析结果

3.2 不同初始土体含水率条件下土湿吸力和含水率之间关系的试验结果

为分析不同初设土体含水率条件下的土湿吸力和含水率以及饱和度的关系，分别针对4种初设土壤含水率条件，进行9组不同饱和土和含水率下的土湿吸力试验，试验结果见表2及图2。

表2 不同初设土含条件下土湿吸力与含水率的试验结果

图2 不同初始土含条件下土壤含水率与土湿吸力试验结果

从表2中可以看出，随着土体初始含水率的增加，在不同饱和度和含水率条件下，土体表层和宏观上的土湿吸力均呈现下降趋势，且递减速率较大。这主要是因为在不同初始土体含水量下，区域土体含水率的增加势必减小土体孔隙之间的黏聚力和内摩擦力，使得土体之间的土湿吸力逐步减小。从图2中可以看出，不同初始土含条件下，土体含水率和土湿吸力的相关性逐步增加，当土体含水率达到25%时，相关性达到最佳。

3.3 原状土含水率抗剪强度与土湿吸力试验结果

为分析土体抗剪强度与土体湿吸力之间的关系，结合原状土体，进行了不同含水率条件下的土体抗剪强度与土湿吸力的试验，试验结果如图3所示。

图3 不同干密度下土体抗剪强度与土湿吸力试验结果

从图3中可以看出，相同土体抗剪强度，土体干密度越大，其土湿吸力越大。初始土体含水率越小，其土体抗剪强度和土湿吸力越大。在初始阶段，土体土湿吸力和抗剪强度逐步增加，当达到一定的土湿吸力后，土体抗剪强度达到稳定。当干密度等于1.5时，土湿吸力增加到10～15MPa后土体抗剪强度趋于稳定值。而当干密度等于2.0时，土体抗剪强度达到稳定阶段时间有所延迟，当土湿吸力增加到13～15MPa后，土体抗剪强度达到稳定。因此在水利工程设计时，结合土体干密度确定土体抗剪强度的稳定性。

4 结语

本文结合非饱和土压强度模型，采用物理模型试验方式，对非饱和土体的土湿吸力和含水率之间的关系进行试验分析，试验取得以下结论：

(1)含水率增加，土体土湿吸力呈现较为明显的递减变化特征，当土体含水率达到15%～20%之间，土湿吸力下降趋势较为平稳。

(2)土体含水率的增加势必减小土体孔隙之间的黏聚力和内摩擦力，土体含水率达到25%时，土体含水率和土湿吸力相关性达到最佳。

(3)在水利工程设计时，应结合土体干密度确定土体抗剪强度的稳定性，随着土湿吸力的增加，土体抗剪强度在初始阶段上涨明显，而后区域稳定。

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[3] 杨鑫. 庆阳非饱和黄土湿陷性及其强度变形试验研究[D]. 兰州理工大学, 2016．

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[5] 邢义川, 谢定义, 李永红. 非饱和黄土湿陷过程中有效应力变化规律[J]. 岩石力学与工程学报, 2004(07): 1100- 1103．

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