譚宏大,簡文星,盧 游,宋 治

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

我國南方火成巖分布廣泛且風(fēng)化作用強烈，形成大量殘積土土質(zhì)斜坡，在降雨等因素作用下易產(chǎn)生斜坡的變形破壞。目前研究人員對花崗巖殘積土的研究較多[1-6]，對其他類型的殘積土的研究相對較少。凝灰?guī)r殘積土在我國東南沿海地區(qū)分布較為廣泛，對其工程特性進(jìn)行研究顯得十分必要。目前已有許多學(xué)者對凝灰?guī)r殘積土的有關(guān)工程特性進(jìn)行了研究，如丁少林等[7]通過試驗探討了凝灰?guī)r殘積土基質(zhì)吸力隨含水率的變化規(guī)律；Zuo等[8]通過研究發(fā)現(xiàn)含水率和干濕循環(huán)對凝灰?guī)r殘積土的結(jié)構(gòu)具有顯著的影響；Wang等[9]研究了凝灰?guī)r殘積土與花崗巖殘積土在剪切條件下的差異。

土的水-力相互作用特性的研究包括土-水特征曲線、滲透系數(shù)函數(shù)、吸應(yīng)力和非飽和抗剪強度等方面。胡孝彭等[10]討論了不同應(yīng)力狀態(tài)對土-水特征曲線的影響規(guī)律；陳輝等[11]建立了一種確定非飽和土的土-水特征曲線的方法；祝艷波等[12]通過試驗研究了巴東組非飽和紅土的基質(zhì)吸力特征，并提出了經(jīng)驗抗剪強度公式；劉子振[13]基于非飽和土雙應(yīng)力理論，提出了不同含水率條件下非飽和土的抗剪強度公式，并分析了其對邊坡穩(wěn)定性的影響。

贛南山區(qū)凝灰?guī)r殘積土風(fēng)化層較厚，區(qū)域內(nèi)降雨量較大，在高速公路建設(shè)過程中形成了大量凝灰?guī)r殘積土邊坡，在降雨入滲作用下邊坡土體的基質(zhì)吸力、滲透系數(shù)、吸應(yīng)力和抗剪強度不斷發(fā)生變化，致使邊坡的安全穩(wěn)定性不斷變動，容易導(dǎo)致邊坡的變形破壞。本文重點研究了凝灰?guī)r殘積土水-力相互作用的特性，可為贛南山區(qū)凝灰?guī)r殘積土邊坡的穩(wěn)定性分析和防護(hù)設(shè)計提供參考。

1 凝灰?guī)r殘積土的物理性質(zhì)和抗剪強度特性

1. 1 凝灰?guī)r殘積土的物理性質(zhì)

本文通過采集江西安定高速公路A2標(biāo)段YK170+460～YK170+860右側(cè)試驗邊坡處典型的凝灰?guī)r殘積土原狀試樣，對其進(jìn)行了物理性質(zhì)試驗，得到該凝灰?guī)r殘積土原狀樣的基本物理性質(zhì)參數(shù)，詳見表1。

表1 凝灰?guī)r殘積土原狀樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

由表1可見，凝灰?guī)r殘積土原狀樣的孔隙率較大，滲透系數(shù)較小，滲透能力差，且塑性指數(shù)較大。

1. 2 凝灰?guī)r殘積土的抗剪強度特性

本文采用三軸固結(jié)不排水剪切試驗研究了凝灰?guī)r殘積土原狀樣的抗剪強度特性。采用的試驗儀器為南京泰克奧科技有限公司生產(chǎn)的TRA三軸剪切滲流儀。凝灰?guī)r殘積土原狀樣用切土器切削制成，試驗樣品規(guī)格為直徑39.1 mm×高度80 mm，并采用抽真空飽和的方法使試樣充分飽和。通過試驗得到試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，并根據(jù)摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則可得到凝灰?guī)r殘積土原狀樣的抗剪強度參數(shù)[14]，詳見表2。

表2 凝灰?guī)r殘積土原狀樣的抗剪強度參數(shù)

由表2可見，凝灰?guī)r殘積土原狀樣的總黏聚力為14.0 kPa、總內(nèi)摩擦角為15.6°，有效黏聚力為7.8 kPa、有效內(nèi)摩擦角為28.0°。

2 凝灰?guī)r殘積土的水-力相互作用特性

2. 1 試驗方法及原理

本次試驗采用美國科羅拉多礦業(yè)大學(xué)Ning Lu等聯(lián)合研發(fā)的瞬態(tài)脫濕與吸濕試驗系統(tǒng)[15]，可以得到脫濕與吸濕條件下全吸力范圍內(nèi)(0～106kPa)土樣的土-水特征曲線、滲透系數(shù)函數(shù)曲線和吸應(yīng)力曲線。試驗樣品為直徑61.8 mm×高度40 mm的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀樣。試驗土樣先經(jīng)抽真空飽和，脫濕狀態(tài)下在壓力室中先施加較小的空氣壓力使土樣進(jìn)行排水，待水不再排出時再施加較大的空氣壓力使土樣繼續(xù)排水直至平衡；脫濕過程結(jié)束后將氣壓調(diào)零，使土樣進(jìn)入吸濕狀態(tài)直至達(dá)到重新飽和。

土樣中水流出的瞬態(tài)改變量是土樣特有的時間函數(shù)關(guān)系。通過試驗測得土樣中水的瞬態(tài)流出量可作為目標(biāo)函數(shù)曲線用于反演模擬計算[16]，利用Hydrus-1D程序反演計算可得到凝灰?guī)r殘積土原狀樣在脫濕與吸濕過程中水-力特征曲線的模型參數(shù)。本文選取的凝灰?guī)r殘積土原狀樣，試樣編號為NY-1、NY-2，通過試驗獲取其流出水量與時間的關(guān)系曲線(見圖1)，通過反演計算可以得到試樣NY-1、NY-2在脫濕與吸濕過程中水-力特征曲線的各模型參數(shù)，見表3。

由表3可見，脫濕過程中α(進(jìn)氣值的倒數(shù))、n(與孔隙特征相關(guān)參數(shù))均大于吸濕過程中的α、n；脫濕過程中θs(飽和體積含水率)、Kw(飽和滲透系數(shù))均小于吸濕過程中的θs、Kw，而模型參數(shù)的不同決定了脫濕與吸濕過程中凝灰?guī)r殘積土水-力相互作用特性的差異。

圖1 凝灰?guī)r殘積土原狀樣中流出水量與時間的關(guān)系曲線Fig.1 Curves of outlet water of undisturbed samples of the tuff residual soil with time

試樣編號θrαd/(kPa-1)ndθdsKds/(m·s-1)αw/(kPa-1)nwθwsKws/(m·s-1)NY?10．180．0681．270．512．25×10-70．2331．470．451．47×10-7NY?20．200．0691．250．522．25×10-70．2811．440．441．63×10-7NY0．190．0691．260．522．25×10-70．2571．460．451．55×10-7

本研究選取試樣NY-1、NY-2兩者各模型參數(shù)的平均值作為凝灰?guī)r殘積土原狀樣的模型參數(shù)，試樣編號為NY(見表3)，來研究其水-力相互作用的特性。

參數(shù)α為土樣進(jìn)氣壓力值的倒數(shù)，由表3可見，凝灰?guī)r殘積土典型代表試樣NY在脫濕與吸濕條件下α值分別為0.069 kPa-1與0.257 kPa-1，因此可估算出凝灰?guī)r殘積土原狀樣在脫濕條件下的進(jìn)氣壓力值為14.6 kPa，在吸濕條件下的進(jìn)氣壓力值為3.89 kPa。

2.2 凝灰?guī)r殘積土的土-水特征曲線和滲透系數(shù)函數(shù)曲線

為了獲得土體基質(zhì)吸力隨含水率變化的關(guān)系式，眾多研究人員在試驗的基礎(chǔ)上，提出了多種本構(gòu)關(guān)系式，如Brooks-Corey(BC)模型、Fredlund-Xing(FX)模型和Van Genuchten(VG)模型。其中，VG模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式包含了曲線中轉(zhuǎn)折點的信息，吸力范圍較廣，能更好地擬合實際的土-水特征曲線的形狀。簡化VG模型的表達(dá)式如下：

θ-θrθs-θr=11+[α|h|]n〗1-1n

(1)

式中:θ為土體任意時刻的體積含水率；θr為土體殘余體積含水率；θs為土體飽和體積含水率；h為土體基質(zhì)吸力水頭(m)；α為擬合參數(shù)，為土體進(jìn)氣值的倒數(shù)(kPa-1)；n為擬合參數(shù)，與土體孔隙尺寸分布有關(guān)。

隨著土體含水率的變化，土體的滲透系數(shù)也會發(fā)生變化，因此測定非飽和土體不同含水率對應(yīng)的滲透系數(shù)非常困難。通過瞬態(tài)脫濕與吸濕試驗，可得到用于確定非飽和土體滲透系數(shù)函數(shù)關(guān)系曲線的模型參數(shù)。本文采用Mualem模型，其表達(dá)式如下：

K=Ks{1-(α|h|)n-1[1+(α|h|)n]1n-1}2[1+(α|h|)n]12-12n

(2)

式中:K為非飽和土體的滲透系數(shù)函數(shù)(m/s)；Ks為土體的飽和滲透系數(shù)(m/s)，可通過試驗測得；其余參數(shù)意義同上。

以凝灰?guī)r殘積土原狀樣NY為代表，根據(jù)表3中的參數(shù)，并結(jié)合式(1)和式(2)，可分別得到凝灰?guī)r殘積土的土-水特征(SWCC)曲線和滲透系數(shù)函數(shù)(HCF)曲線，見圖2。

圖2 凝灰?guī)r殘積土的SWCC和HCF曲線Fig.2 SWCC and HCF curves of the tuff residual soil

由圖2凝灰?guī)r殘積土的土-水特征曲線(SWCC)可以看出：凝灰?guī)r殘積土在脫濕和吸濕條件下的土-水特征曲線存在明顯的滯后效應(yīng)。隨著含水率的減小，土樣的基質(zhì)吸力不斷增大，且其增長速率逐漸加快；從飽和含水率到殘余含水率的變化范圍，土樣的基質(zhì)吸力從0 kPa增長到106kPa；在相同含水率時，脫濕條件下土樣的基質(zhì)吸力大于吸濕條件下的基質(zhì)吸力；基質(zhì)吸力相同時，土樣在脫濕過程中的含水率比吸濕過程中的含水率大；吸濕條件下土樣的飽和含水率比脫濕條件下的飽和含水率低，其原因是土樣經(jīng)過脫濕過程后，在進(jìn)行吸濕過程時試樣中產(chǎn)生了一定量的閉合氣泡，因而在吸濕過程結(jié)束后，試樣無法達(dá)到完全飽和的狀態(tài)。

由圖2中凝灰?guī)r殘積土的滲透系數(shù)函數(shù)(HCF)曲線可以看出：凝灰?guī)r殘積土在脫濕條件下的飽和滲透系數(shù)為2.25×10-7m/s，在吸濕條件下的飽和滲透系數(shù)為1.47×10-7m/s，滲透系數(shù)隨土樣含水率的減小而不斷減小，且在含水率較大時，土樣的滲透系數(shù)減小得更快；在基質(zhì)吸力相同時，脫濕條件下土樣的滲透系數(shù)大于吸濕條件下的滲透系數(shù)。

由此可知：凝灰?guī)r殘積土邊坡在脫濕條件下邊坡土體的滲透性能不斷減弱，在降雨入滲等吸濕條件下邊坡土體的滲透性不斷增強。

2. 3 凝灰?guī)r殘積土的吸應(yīng)力

Lu等[17-18]提出用吸應(yīng)力σs取代Bishop有效應(yīng)力參數(shù)χ和基質(zhì)吸力來定義土-水粒間力，并提出了土體吸應(yīng)力與基質(zhì)吸力或飽和度的函數(shù)關(guān)系式,即

σs=-Se(ua-uw)=-S-Sr1-Sr(ua-uw)

=-θ-θrθs-θr(ua-uw)

(3)

式中：σs為土體吸應(yīng)力(kPa)；S為土體飽和度；Sr為土體殘余飽和度；Se為土體有效飽和度；ua為土體孔隙氣壓力(kPa)；uw為土體孔隙水壓力(kPa)；其余參數(shù)意義同上。

Lu等[15]進(jìn)一步闡釋了吸應(yīng)力的熱力學(xué)意義：吸應(yīng)力是土-水粒間力儲存的能量。經(jīng)過公式推導(dǎo)，可得到以基質(zhì)吸力S[S=(ua-uw)]形式表示的土體吸應(yīng)力閉型方程:

σs=-S[1+(αS)n](n-1)n

(4)

式中：各參數(shù)意義同上。

根據(jù)表1中參數(shù)和式(4),可繪制凝灰?guī)r殘積土的吸應(yīng)力(SSCC)曲線,見圖3。

圖3 凝灰?guī)r殘積土的SWCC和SSCC曲線Fig.3 SWCC and SSCC curves of the tuff residual soil

由圖3可見，凝灰?guī)r殘積土的SSCC曲線與SWCC曲線呈一一對應(yīng)的關(guān)系，土樣的吸應(yīng)力小于基質(zhì)吸力，且隨著含水率的減小，吸應(yīng)力與基質(zhì)吸力的差距不斷增大，土樣的吸應(yīng)力隨含水率的增大而減??；在含水率相同時，土樣在脫濕條件下的吸應(yīng)力大于在吸濕條件下的吸應(yīng)力。

由此可知：凝灰?guī)r殘積土邊坡在降雨入滲、毛細(xì)水上升等吸濕過程中邊坡土體的吸應(yīng)力不斷減小，在蒸發(fā)、重力排水等脫濕過程中邊坡土體的吸應(yīng)力不斷增大。

2. 4 凝灰?guī)r殘積土的非飽和抗剪強度

Lu等[19]提出的吸應(yīng)力理論，可計算凝灰?guī)r殘積土的非飽和抗剪強度，其計算公式如下：

τf=c′+[(σ-ua)-σs]tanφ′

(5)

式中：τf為土體的抗剪強度(kPa)；c′為土體的有效黏聚力(kPa)；φ′為土體的有效內(nèi)摩擦角(°)；σ為土體的軸向壓力(kPa)；其余參數(shù)意義同上。

利用式(5)和表2中凝灰?guī)r殘積土的抗剪強度參數(shù)c′、φ′值，可得出凝灰?guī)r殘積土的非飽和抗剪強度計算表達(dá)式為

τf=7.8+[(σ-ua)-σs]tan28°

(6)

式中：各參數(shù)意義同上。

結(jié)合式(4)，(σ-ua)表示凈法向應(yīng)力，可得到凝灰?guī)r殘積土原狀樣(NY)在不同凈法向應(yīng)力條件下(100 kPa、200 kPa、300 kPa)脫濕與吸濕過程的非飽和抗剪強度曲線，見圖4和圖5。

圖4 凝灰?guī)r殘積土在不同凈法向應(yīng)力條件下脫濕過程的非飽和抗剪強度曲線Fig.4 Curves of unsaturated shear strength of the tuff residual soil under drying condition and different net normal stresses

圖5 凝灰?guī)r殘積土在不同凈法向應(yīng)力條件下吸濕過程的非飽和抗剪強度曲線Fig.5 Curves of unsaturated shear strength of the tuff residual soil under wetting condition and different net normal stresses

由圖4和圖5可見，凝灰?guī)r殘積土的抗剪強度隨含水率的增大而減小，且土體承受凈法向應(yīng)力越大，其抗剪強度越大；當(dāng)含水率較小時，土體抗剪強度隨含水率的增大變化速率較快，當(dāng)含水率較大時，土體抗剪強度隨含水率的增大變化速率明顯變小。

由此可知：凝灰?guī)r殘積土邊坡在降雨入滲等吸濕條件下，隨著含水率的增大，邊坡土體抗剪強度不斷減小，邊坡的安全穩(wěn)定性系數(shù)相應(yīng)減小，導(dǎo)致原本處于穩(wěn)定狀態(tài)的邊坡可能發(fā)生變形破壞。因此，在邊坡的穩(wěn)定性分析時必須充分考慮地下水及降雨等水的因素對邊坡的影響，且在邊坡的治理和防護(hù)設(shè)計中應(yīng)將邊坡的截排水工程作為重要的治理和防護(hù)措施。

3 結(jié) 論

本文采用三軸固結(jié)不排水剪切試驗和瞬態(tài)脫濕與吸濕試驗，對贛南山區(qū)凝灰?guī)r殘積土的抗剪強度和水-土相互作用特性進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

(1) 凝灰?guī)r殘積土的抗剪強度參數(shù)為c=14.0 kPa、φ=15.6°，c′=7.8 kPa、φ′=28.0°。

(2) 凝灰?guī)r殘積土在脫濕和吸濕條件下土-水特征曲線存在明顯的滯后效應(yīng)；凝灰?guī)r殘積土在脫濕和吸濕條件下的基質(zhì)吸力隨含水率的增大而減小，滲透系數(shù)隨含水率的增大而增大。

(3) 凝灰?guī)r殘積土在脫濕條件下的吸應(yīng)力大于吸濕條件下的吸應(yīng)力，且在脫濕和吸濕條件下凝灰?guī)r殘積土的吸應(yīng)力隨含水率的增大而減小。

(4) 凝灰?guī)r殘積土的抗剪強度隨含水率的增大而減小，當(dāng)含水率較大時，土體抗剪強度隨含水率的增大變化速率明顯變小，且在接近殘余含水率時，土體的抗剪強度變化幅度較大。

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