馮濤

摘 要：基礎(chǔ)施工作為水利工程最為重要的環(huán)節(jié)，直接決定了工程整體質(zhì)量，并對(duì)后期水利工程運(yùn)行的穩(wěn)定性造成直接影響，而非飽和土體是水利工程施工中較為常見的土體，因而深入研究非飽和土體，對(duì)水利工程施工技術(shù)水平的提高具有現(xiàn)實(shí)意義。本文主要針對(duì)水利工程所遇到的非飽和土進(jìn)行了研究，分別針對(duì)非飽和土體對(duì)水利工程施工中遇到問題的影響進(jìn)行了簡(jiǎn)要敘述，從而為水利工程基礎(chǔ)處理技術(shù)的發(fā)展奠定更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：非飽和土；性狀；工程；吸力

中圖分類號(hào)：TU443 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

非飽和土體是大多數(shù)表層土的狀態(tài)，尤其在水利工程施工中，常見非飽和狀態(tài)土體，例如膨脹土、殘積土、黃土等。但是目前針對(duì)非飽和土體的研究明顯落后于水利工程施工技術(shù)的發(fā)展，很多工程師在計(jì)算非飽和土體時(shí)仍舊使用飽和土體力學(xué)理論，并且認(rèn)為該種方式更加安全，但事實(shí)上這種方式仍舊存在諸多隱患。

1.非飽和土體對(duì)水利工程的影響

1.1 非飽和土體水、氣運(yùn)移問題

非飽和土體對(duì)工程施工的影響最根本的體現(xiàn)在水、氣運(yùn)移問題上。非飽和土體吸力場(chǎng)由于受到流體壓力或流量條件變化的影響會(huì)發(fā)生改變，因此土體中水、氣會(huì)發(fā)生運(yùn)移，由此改變土體形狀。包氣帶非飽和土層受到外界氣候條件影響較大，氣候條件改變，則土體形狀改變，例如包氣帶水分受到環(huán)境影響蒸發(fā)蒸騰，水分上移，則土體孔隙水壓減小，土體干縮開裂。雨季則水分下移，孔隙水壓上升，土體強(qiáng)度降低，尤其黃土和膨脹土，會(huì)發(fā)生膨脹、濕陷等問題。所以水利工程非飽和土體基礎(chǔ)施工必須解決水、氣運(yùn)移問題。

1.2 非飽和土體濕度引發(fā)基礎(chǔ)變形問題

膨脹土以及黃土地區(qū)的水利工程施工中，干/濕條件變化對(duì)土體影響最大。由于土體含水率改變，基礎(chǔ)會(huì)發(fā)生隆起、下陷問題，而引發(fā)土體含水率變化的主要有兩方面原因：自然因素、人為因素。因此必須采取有效的排水、防滲設(shè)施以保證水利工程基礎(chǔ)含水率負(fù)符合施工需要。另一方面，對(duì)于膨脹土基礎(chǔ)，植被會(huì)直接影響基礎(chǔ)變形程度。因此對(duì)于此類地區(qū)不能盲目地砍伐、清理植被，并且依照實(shí)際需要還應(yīng)當(dāng)適當(dāng)進(jìn)行植樹作業(yè)，并且保證植被布局合理。水利工程施工對(duì)膨脹土基礎(chǔ)含水率具有一定影響，因此施工中還應(yīng)當(dāng)注意平衡土體水分收支。

而在黃土基礎(chǔ)中，最為明顯的問題為基礎(chǔ)濕陷變形。傳統(tǒng)的計(jì)算方法對(duì)于此類問題無法準(zhǔn)確地進(jìn)行計(jì)算、預(yù)測(cè)，因而必須采取針對(duì)性的理論以及研究方法，即非飽和土體力學(xué)研究方法、理論等。

1.3 非飽和土體對(duì)支擋結(jié)構(gòu)的土壓影響

支擋結(jié)構(gòu)后大多或部分為非飽和土體，其對(duì)支擋結(jié)構(gòu)土體壓力影響加大，主要體現(xiàn)在壓力系數(shù)、張裂區(qū)的改變上。靜止?fàn)顟B(tài)下，非飽和土體顆粒受到表面的張拉作用，靠近地表的部分會(huì)出現(xiàn)開裂，其深度受到吸力剖面影響。而氣候條件改變會(huì)對(duì)非飽和土體吸力剖面造成直接性影響，氣候條件變化則吸力剖面變化，因而支擋結(jié)構(gòu)土壓也會(huì)隨著外界氣候條件變化而變化。設(shè)計(jì)師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須將氣候條件變化考慮在內(nèi)。此外，在進(jìn)入被動(dòng)狀態(tài)或主動(dòng)狀態(tài)上，相比較飽和土體，非飽和土體的變形相對(duì)較小。值得一提的是，在膨脹土區(qū)域，土體吸濕膨脹力也會(huì)影響土壓，尤其對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，這一特性被合理利用可以有效提高土體穩(wěn)定性。不過，防滲、排水措施仍舊是無支護(hù)開挖作業(yè)中必不可少的，以此確保土體穩(wěn)定性。

1.4 非飽和土體對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響

非飽和土邊坡穩(wěn)定最突出的問題是降雨入滲誘發(fā)的邊坡失穩(wěn)。降雨入滲使得邊坡淺層土體中含水率升高，并可能導(dǎo)致滯水的發(fā)生，以致土體中原有的吸力及其抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)降低甚至完全喪失，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)可能因此而降低。對(duì)于降雨條件下邊坡穩(wěn)定問題，邊坡淺層土體中孔隙水壓力分布剖面是最為關(guān)鍵的不確定因素，這是由于它不僅與降雨條件有關(guān)，而且還與邊坡中土層剖面、土性參數(shù)以及降雨前土層中初始含水率分布場(chǎng)有關(guān)。

（1）無黏性土邊坡

降雨入滲對(duì)邊坡中孔壓剖面的影響隨著土層深度的增加顯著降低，影響深度一般小于3m。長(zhǎng)時(shí)間的降雨入滲往往會(huì)導(dǎo)致滯水層和順坡向?qū)娱g流的產(chǎn)生。邊坡表面的植被情況和覆蓋條件可能明顯影響降雨入滲強(qiáng)度及邊坡中孔壓場(chǎng)。土層剖面的非均質(zhì)性以及相對(duì)透水層或隔水層的存在將顯著改變降雨入滲條件下邊坡中的滲流場(chǎng)，以致影響邊坡中孔壓分布剖面。

（3）黏土邊坡

非飽和土體受到降雨入滲影響，土體孔壓場(chǎng)會(huì)發(fā)生改變，這種變化在弱脹縮土體中相對(duì)簡(jiǎn)單，而在強(qiáng)漲縮土體中相對(duì)復(fù)雜。降雨入滲過程中，水和土之間會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的作用，淺層土孔壓場(chǎng)和含水率會(huì)在雨水入滲過程中改變，甚至邊坡變形場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)也會(huì)發(fā)生變化。這一過程中是應(yīng)力、變形、抗剪強(qiáng)度和吸力耦合而成，且土體裂隙數(shù)量也是影響邊坡狀態(tài)改變的主要原因。

1.5 非飽和土體對(duì)地基承載力的影響

路基及建筑物的淺基礎(chǔ)往往是落在非飽和土層上，由于其中的吸力對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度存在貢獻(xiàn)，所以地基承載力比相應(yīng)飽和土的高。如果非飽和土層中吸力會(huì)長(zhǎng)期存在，工程師在地基承載力設(shè)計(jì)時(shí)可考慮由吸力引起的附加抗剪強(qiáng)度對(duì)承載力的貢獻(xiàn)，承載力計(jì)算時(shí)可認(rèn)為吸力引起附加抗剪強(qiáng)度主要體現(xiàn)在表觀凝聚力，這樣地基承載力的計(jì)算公式與飽和土的一致。當(dāng)然，若非飽和土中吸力會(huì)受當(dāng)?shù)氐臍夂虻挠绊懚荒鼙ＷC時(shí)，必須考慮一定安全系數(shù)。

結(jié)語

工程實(shí)用原則是非飽和土體研究的核心原則，也是其研究的主要發(fā)展方向，只有圍繞工程需要，切實(shí)解決工程問題，才能可持續(xù)發(fā)展。目前我國(guó)水利工程施工中對(duì)于非飽和土體的研究仍舊存在諸多空白，無論在理論還是研究技術(shù)上都上不完善，缺乏必要的計(jì)算方法，工程的實(shí)際應(yīng)用中也相對(duì)籠統(tǒng)，因此必然會(huì)影響工程質(zhì)量，也對(duì)非飽和土體研究的發(fā)展造成阻礙，因此非飽和土體同水利工程問題的研究具有相當(dāng)?shù)默F(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

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