王元戰(zhàn)，郝林南，馬殿光，肖 忠

（1.天津大學建筑工程學院天津市港口與海洋工程重點實驗室，天津300072；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

河道建設攔河壩形成水庫以后，沿岸地區(qū)自然條件將發(fā)生顯著變化，庫區(qū)兩岸水位的漲落，常使兩岸很多岸坡坍塌破壞［1］。如廣西右江上建設了那吉水利樞紐、魚梁水利樞紐等水利設施，樞紐建壩后航道岸坡破壞域天然航道情況類似，但庫區(qū)航道岸坡由于受樞紐調度影響，水位陡漲陡降更為明顯，因而更易于使兩岸很多岸坡坍塌破壞。

有關研究表明，河流和水庫的邊坡失穩(wěn)多由滲流作用引起，水位驟降就是影響邊坡失穩(wěn)的重要因素［2-3］。目前邊坡分析的最終著眼點一般都是邊坡的穩(wěn)定性，邊坡的安全系數、潛在最危險滑動面一直以來都是問題的焦點［4-5］。研究這些問題，所依賴的重要的基本力學參數——土的抗剪強度指標是通過室內常規(guī)三軸剪切試驗獲得的。

為了獲得理想的試驗結果，試驗條件原則上應與現場環(huán)境相一致。常規(guī)的室內滲透試驗一般僅考慮孔隙比這一滲透性影響因素是不合理的，而且常規(guī)滲透試驗過程中試樣的應力狀態(tài)與實際差異很大，采用三軸滲透試驗則能夠更好的模擬原狀土的實際受力狀態(tài)，從而可以在很大程度上克服室內常規(guī)滲透試驗的先天不足，得到比較合理的滲透試驗結果［6］。隨著三軸滲透試驗儀器的逐漸被采用，有一些學者進行了三軸滲透性試驗研究。朱建華［7］對土壩心墻原狀土進行了研究，得出了三軸滲流試驗要比常規(guī)滲流試驗更準確的結論，李永樂［8］等采用了特制的非飽和三軸滲流儀對黃河大堤非飽和粘土進行了滲流特性的研究，得出了非飽和粘土滲透系數與圍壓、滲透系數與含水率之間的關系及變化規(guī)律，雷紅軍［9］等利用改進的三軸滲透試驗裝置對高堆石壩心墻黏土進行了一系列剪切過程中的滲透試驗，揭示了黏性土發(fā)生大剪切變形過程中其滲透系數隨軸向應變的變化規(guī)律，并分別對圍壓、滲透壓力、滲透方向等因素對土體滲透性的影響進行了探討。不同地區(qū)，由于地質條件不同，粘性土的滲流特性及其抗剪強度特性也是不同的。因此，開展適用于廣西右江沿岸地區(qū)滲流作用下飽和粘土抗剪強度變化規(guī)律的研究有著很大的工程價值和科研需要。

廣西右江沿岸地區(qū)的表層覆蓋有紅土、赤紅土為主的粘性土，土層厚度約4 m，有機質含量豐富，具有低孔隙比、低壓縮性、低滲透性的特點，為深入了解和掌握廣西右江沿岸地區(qū)粘土的滲流及抗剪強度特性，為邊坡治理提供更多的試驗數據和技術參考，文章在前人的理論和試驗研究的基礎上，根據三軸試驗原理［10］，選取工程實地的粘土，研究土體在不同圍壓條件下受力壓縮后滲流系數的變化特征及滲透壓力作用下土的抗剪強度指標變化特征，并給出了不同圍壓狀態(tài)下，比降—滲流速度、滲透壓力—粘聚力、滲透壓力—內摩擦角間的變化規(guī)律及相應關系曲線。

1 試驗裝置和試驗方法

1.1 試樣制備

飽和粘土試樣取自廣西壯族自治區(qū)右江上游那吉庫區(qū)段，其土性為粘土。土樣的參數經過測定如表1所示。參照土工試驗規(guī)程SL 237-1999［11］的要求，制備出直徑為39.1 mm，高度為80 mm的試樣。

表1 土樣參數Tab.1 Soils parameters

1.2 試驗裝置

飽和粘土的滲透特性及三軸抗剪試驗的試驗裝置采用SLB-1型應力應變控制式三軸剪切滲流試驗儀（圖1）。該儀器可以對三軸試驗進行等應力、等應變控制，可以進行UU、CU、CD試驗，不等向固結、等向固結、反壓力飽和、應力路徑試驗和滲透試驗。儀器各部分采用單片機控制，各部分能夠獨立工作，而且能夠與計算機數據交換，集中數據采集處理。該儀器屬于多功能柔性控制三軸試驗儀器。在進行三軸滲透試驗時，可采用恒壓差控制和恒流量控制兩種滲透方式，且施加的軸向力可達20 kN；周圍壓力的施加范圍為0～1.99 MPa；反壓力最大可達0.99 MPa；體積變化量控制在480 ml以內。該套裝置由2個部分組成：（1）加壓系統(tǒng)，由壓力室、壓力環(huán)、液壓無級升降機構和管路組成，壓力室用來施加圍壓，壓力環(huán)和液壓無級升降機構用來施加軸向荷載，反壓則通過管路施加到土樣上；（2）控制反饋系統(tǒng)，由應力應變測量控制器、圍壓及孔壓測量控制器和2個反壓及體變量測控制器組成，通過傳感器和管路，將控制器與加壓系統(tǒng)各部分相連，即組成了控制反饋系統(tǒng)。

1.3 試驗方法

將原狀土切削成直徑為39.1 mm，高度為80 mm的試樣，同時測定土樣的含水率，然后將試樣放入飽和器中進行抽真空飽和。飽和完成后，將試樣安放在三軸壓力室底座上，為了使水流均勻，在試樣的上下端均墊放了透水石和濾紙。同時準備好橡皮膜，并在試樣帽和儀器底座處扎緊。然后通過圍壓及孔壓測量控制器向試樣施加圍壓σ3，經過約24 h試樣在壓力室內固結穩(wěn)定后，同時通過反壓及體變測量控制器1施加滲水壓力1，通過反壓及體變測量控制器2施加滲水壓力2，滲水壓力2一般設置為0。為了保證沿試樣邊壁不漏水，施加的滲水壓力總是小于室壓力。當試樣的出水量穩(wěn)定時，此時即為穩(wěn)態(tài)滲流，通過試樣流出的水量即為滲流量。保持這種穩(wěn)定滲流狀態(tài)，同時通過應力應變測量控制器施加軸向荷載，以0.1 mm/min的速率勻速剪切土樣，直至土樣變形達到20%，此時認為土樣達到破壞狀態(tài)。本系統(tǒng)的圍壓、反壓控制器由內置的壓強傳感器和體變傳感器組成，測量精度分別為1 kPa和0.1 mm3；孔壓傳感器為獨立的傳感器，用于測量試樣孔隙水壓力，精度為1 kPa。

表2 三軸滲流剪切試驗方案Tab.2 Plan of shear and seepage triaxial test kPa

1.4 試驗方案

本次試驗采用的土樣是來自廣西右江沿岸的粘土，先進行了20 kPa、27 kPa和35 kPa 3種圍壓下5種不同水力坡降下的滲流試驗，水力坡降分別為5、7.5、12.5、18.75和25。然后進行三軸滲流剪切試驗。試驗方案如表2所示。

2 試驗結果分析

2.1 三軸滲流試驗

飽和粘土的滲流試驗結果如圖2所示。

試驗結果表明，不同于砂性土滲透速度與水力坡降的線性關系，粘性土滲透速度與水力坡降之間的關系，偏離達西定律，表現為非線性規(guī)律，滲流速度隨著比降的增加，其增加的幅度越來越大。如圖2所示，并對曲線進行擬合，如式（1）所示

式中：σ3為周圍壓力，kPa；i為比降；v為滲流速度，m/s。

對以上滲流試驗結果分析可推測，試樣所承受的圍壓越大，土顆粒之間會更加緊密，土顆粒越易于擠密產生顆粒重組，扁平狀的粘土顆粒越易于重新定向排列，從而會有更多的細小顆粒填塞孔隙通道使?jié)B透系數減小。

2.2 三軸滲流剪切試驗結果分析

滲流作用下飽和粘土的應力應變關系曲線見圖3～圖5。

對于該組土樣，進行了三軸滲流剪切試驗，得到了抗剪強度指標（表3），并得到了滲透壓力—內摩擦角、滲透壓力—粘聚力關系圖，如圖6、圖7所示。

由圖6和圖7知，土體抗剪強度指標內摩擦角在19.5°～22.5°變化，變化幅度為13%，且內摩擦角與滲透壓力間沒有較為明顯的遞增或者遞減的變化趨勢；粘聚力則由12.91 kPa降至5.87 kPa，變化幅度為55%，且有明顯的變化趨勢，粘聚力隨著滲透壓力的增加而減小，但減小的趨勢逐漸減緩，擬合公式為

式中：c 為粘聚力，kPa；c0為滲水壓力為 0 kPa 時的粘聚力，kPa；p為滲透壓力，kPa；pa為大氣壓力，kPa。

從試驗結果中可以看出，對飽和粘土而言，不同滲透壓力對內摩擦角的影響不大，而對粘聚力的影響相對較大，其主要原因是由于粘土的內摩擦角和粘聚力的形成機理不同而造成的。

粘土的粘聚力主要來源于：（1）土顆粒之間的相互引力，粘土的顆粒粒徑很小，總的比表面積比較大，所以顆粒間的相互引力很大；（2）含水量的影響。含水量增加時，抗剪強度降低，這是因為水分在較大土粒表面形成潤滑劑，使摩擦阻力降低。對細小的粘土粒，含水量增加時，結合水膜變厚，甚至增加自由水，則土粒之間的電分子力減弱，使粘聚力降低；（3）有些粘土中還有一些膠結物；（4）原始密度的影響。土的原始密度越大，土料間的咬合作用越強，受剪時首先需克服咬合作用，才能產生相對滑動。此外，土的密度大也意味著土粒間孔隙小、接觸緊密、原始內聚力較大。因此原始密度對抗剪強度有很大影響，密度高的土，抗剪強度大。

表3 抗剪強度指標Tab.3 Shear strength index

其中粘土顆粒間的膠結力對粘聚力的產生具有重要的作用。當2個土粒間存在膠結物時，土顆粒間由膠結物相互連接，因而在土粒間表現出一定的連結強度。因此可推測，隨著滲透壓力的增大，土顆粒之間的膠結作用逐漸發(fā)生破壞，從而導致了粘聚力降低。

3 結語

文章通過室內三軸滲流試驗及滲流作用下的三軸剪切試驗研究，得到了廣西右江沿岸地區(qū)飽和粘土在不同圍壓狀態(tài)下，比降—滲流速度、滲透壓力—粘聚力、滲透壓力—內摩擦角間的關系及變化規(guī)律，并對曲線進行了擬合，形式簡單直觀，擬合結果與試驗值吻合較好。同時，通過對試驗結果進行分析，可以得出以下結論：（1）飽和粘土的滲流系數不是一個常數，而是隨著比降的變化而變化，比降越大，滲流系數就越大；（2）對飽和粘土而言，不同滲透壓力對內摩擦角的影響不明顯；（3）不同滲透壓力對粘聚力的影響相對較大，這是由于粘聚力的形成機理造成的，隨著滲透壓力的增大，粘聚力逐漸減小，但減小的趨勢減緩。

文章得到的廣西地區(qū)粘土滲流特性及滲流作用下的抗剪強度對該地區(qū)邊坡失穩(wěn)研究具有十分重要的意義，也可為其他地區(qū)粘性土滲流及抗剪強度研究提供一定參考。

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