李西偉

(臨沂市河?xùn)|區(qū)葛溝灌區(qū)水利管理服務(wù)中心，山東 臨沂 276029)

1 概述

在水利工程設(shè)計(jì)中常常需要考慮土體材料的持水特性，這對(duì)水工建筑結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性、允許變形、荷載強(qiáng)度等均是具有較大影響。而在河道治理工程中，常常會(huì)遇到諸如岸坡穩(wěn)定性與水土保持等問(wèn)題，這類(lèi)方面的問(wèn)題無(wú)一例外均與土體材料持水特性有關(guān)，因而，在水利工程中開(kāi)展土體持水特性研究很有必要[1-3]。為此，許多水利工程師通過(guò)理論推導(dǎo)結(jié)合工程實(shí)際資料，分析土—水特性，并提出了土水特征曲線(xiàn)擬合公式，極大提高了土體材料持水特性的認(rèn)識(shí)水平與應(yīng)用前景[4-6]。也有一些學(xué)者基于室內(nèi)試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)不同實(shí)驗(yàn)方案，研究土體持水特性影響因素，并探討用理論方程表述土—水特征[7-10]。本文將借助土力學(xué)試驗(yàn)儀器，設(shè)計(jì)干濕循環(huán)離心排水試驗(yàn)[11-12]，探討干濕循環(huán)條件下土體的土—水特征，為推動(dòng)認(rèn)識(shí)水利工程中這類(lèi)岸坡土體的持水特性提供一定參考。

2 試驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)概況

山東魯南地區(qū)河流開(kāi)展河道治理時(shí)，其上下游區(qū)段內(nèi)存在坡度較大的黏土體岸坡，該岸坡穩(wěn)定性對(duì)河道整治工程進(jìn)度具有重要影響，為此，從現(xiàn)場(chǎng)取樣后考慮在室內(nèi)進(jìn)行土體持水特性試驗(yàn)研究。借助土體測(cè)試系統(tǒng)完成干濕循環(huán)試驗(yàn)，該試驗(yàn)系統(tǒng)精度較高，可通過(guò)電腦精確控制所施加基質(zhì)吸力，測(cè)試系統(tǒng)采用體變測(cè)量傳感器，可精確獲得試樣在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中含水量變化，最大吸力可達(dá)2 000 kPa，最低含水量測(cè)試精度可達(dá)0.02%，所有參數(shù)采集均連接在總數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，可實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中含水量與時(shí)間、或基質(zhì)吸力與時(shí)間等的變化過(guò)程。該試驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)控制進(jìn)氣值，表征恒定基質(zhì)吸力下試樣含水量受進(jìn)氣影響下的變化特征，進(jìn)而評(píng)估土體在工程中與水反應(yīng)特征。

在上述試驗(yàn)介紹基礎(chǔ)上，在現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣，得到試驗(yàn)樣品，并初步根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)與液塑性試驗(yàn)測(cè)得樣品物理參數(shù)與基本持水參數(shù)特征，如最優(yōu)含水量為12.5%，塑限為15.8%等參數(shù)。為對(duì)比河道岸坡內(nèi)原狀土體性質(zhì)，本文設(shè)計(jì)對(duì)照組，在另一試驗(yàn)組，將土體擊實(shí)后，在重塑土體基礎(chǔ)上，進(jìn)行制樣；兩試驗(yàn)方案中的土體試樣均采用環(huán)刀法精加工，制作出來(lái)符合實(shí)驗(yàn)要求所需的試樣，尺寸徑高比控制在1：2，試驗(yàn)樣品制作好后，均放置在恒溫恒濕環(huán)境下養(yǎng)護(hù)24 h。之后，對(duì)每個(gè)試樣依次進(jìn)行干燥、飽濕環(huán)境下脫濕、吸濕兩個(gè)過(guò)程。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1) 以氣泵進(jìn)行加壓，啟動(dòng)控制程序，測(cè)試傳感器均清零，在正式加壓前，應(yīng)測(cè)試一次壓力是否穩(wěn)定，是否有漏氣等，在確保一切正常情況下，對(duì)壓力室內(nèi)進(jìn)行加壓通氣，并在每一級(jí)壓力進(jìn)氣值下，均持續(xù)穩(wěn)定一定時(shí)間，壓力等級(jí)為40 kPa、80 kPa、150 kPa、300 kPa、450 kPa，降低氣壓時(shí)亦是如此，反過(guò)來(lái)降低至目標(biāo)氣壓值；

2) 設(shè)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)采集間隔為1 s，根據(jù)傳感器測(cè)試含水量等參數(shù)，保存好數(shù)據(jù)，待所有目標(biāo)氣壓值均完成后，結(jié)束實(shí)驗(yàn)，清零壓力室內(nèi)氣壓值，取下試樣；

3) 數(shù)據(jù)存盤(pán)，重復(fù)進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

3 干濕循環(huán)持水特性分析

3.1 脫濕與吸濕過(guò)程中排水量

在不同干濕循環(huán)次數(shù)下進(jìn)行基質(zhì)吸力離心試驗(yàn)后，獲得圖1所示結(jié)果，反映了原狀土持水特性。從圖中可看出，脫濕過(guò)程中進(jìn)行離心排水試驗(yàn)時(shí)，排水量與時(shí)間呈正相關(guān)，基本變化呈“先增后平穩(wěn)”，在基質(zhì)吸力為150 kPa時(shí)，干濕循環(huán)0次在第20 h時(shí)排水量已基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，為12 mL，相比第5 h增長(zhǎng)了60%；對(duì)比不同干濕循環(huán)條件下排出水量亦可知，干濕循環(huán)次數(shù)與排出水量關(guān)聯(lián)性并不大；在其他基質(zhì)吸力條件下，排水量隨時(shí)間變化均是一致或類(lèi)似，對(duì)比不同吸力條件下同等干濕循環(huán)次數(shù)時(shí)，高基質(zhì)吸力，原狀土體內(nèi)排除水量愈小，在同等干濕循環(huán)2次下，第50 h時(shí)基質(zhì)吸力450 kPa所排出水量相比吸力40 kPa、150 kPa分別降低了51.7%、49.1%，表明其他參數(shù)相等條件下，基質(zhì)吸力愈大，所排出水量愈少。分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于脫濕過(guò)程中土體處于干燥環(huán)境下，本身已處于水分子蒸發(fā)流失狀態(tài)，當(dāng)基質(zhì)吸力愈大時(shí)，水分子的蒸發(fā)流失受到抑制，進(jìn)而影響排出水量；而排出水量在實(shí)驗(yàn)后期呈平穩(wěn)狀態(tài)，分析是由于當(dāng)水分子在基質(zhì)吸力離心力條件下離開(kāi)土體內(nèi)部，但從本質(zhì)上來(lái)看，離開(kāi)土體內(nèi)的水分子主要是處于土體開(kāi)口孔隙內(nèi)，針對(duì)閉口孔隙內(nèi)的水分子流失還需要破壞土體內(nèi)晶體礦物結(jié)構(gòu)體系，才可繼續(xù)排出水分子。

(a)基質(zhì)吸力40 kPa

在吸濕過(guò)程中，排出水量與時(shí)間關(guān)系與脫濕過(guò)程相反態(tài)勢(shì)，呈“先減后平穩(wěn)”發(fā)展，基質(zhì)吸力150 kPa、干濕循環(huán)0次時(shí)，其發(fā)展至平穩(wěn)狀態(tài)所用時(shí)間為30 h，土體內(nèi)共吸收水量6.1 mL，當(dāng)基質(zhì)吸力增大，吸濕過(guò)程中土體內(nèi)吸收水量愈小，同等條件下，基質(zhì)吸力450 kPa相比前者吸水減小了90.2%，僅為0.6 mL。吸濕過(guò)程中進(jìn)行土體離心試驗(yàn)，實(shí)質(zhì)上壓力艙內(nèi)水分子會(huì)在較小吸力條件下進(jìn)入至土體內(nèi)，但吸力過(guò)大，會(huì)影響土體開(kāi)口孔隙的開(kāi)度，反而抑制土體的吸水。

3.2 土—水特征曲線(xiàn)

根據(jù)試驗(yàn)所獲得數(shù)據(jù)，獲得兩種不同形態(tài)土的持水特征曲線(xiàn)，限于篇幅，本文只給出干濕循環(huán)1次、5次的對(duì)比曲線(xiàn)(如圖2所示)。從圖2中可看出，原狀土在各干濕循環(huán)條件下，體積含水量均是脫濕工況高于吸濕工況，干濕循環(huán)1次、基質(zhì)吸力150 kPa時(shí)，吸濕環(huán)境下體積含水量為17.3%，而脫濕環(huán)境下相比增大了幅度約12.6%。對(duì)比不同干濕循環(huán)次數(shù)含水量特征，循環(huán)次數(shù)愈多，則體積含水量愈低，其他參數(shù)一致條件下，原狀土在干濕循環(huán)1次下吸力150 kPa時(shí)含水量是循環(huán)5次的1.15倍。從整體來(lái)看，不論是吸濕環(huán)境亦或是脫濕環(huán)境，含水量與基質(zhì)吸力均為反相關(guān)變化，干濕循環(huán)5次吸濕環(huán)境下吸力40 kPa的含水量為30.3%，相比吸力450 kPa下增高幅度約為109.4%；分析表明，當(dāng)基質(zhì)吸力處于較大時(shí)，會(huì)一定程度將土體內(nèi)晶體礦物之間的親水性破壞，造成土體內(nèi)水分子流失，含水量下降。

(a)原狀土(1次、5次干濕循環(huán))

與原狀土類(lèi)似，重塑土的土—水特征曲線(xiàn)基本變化與之一致，對(duì)比相同外參數(shù)條件下，原狀土的含水量要高于重塑土，以干濕循環(huán)5次為例，原狀土在基質(zhì)吸力為80 kPa時(shí)吸濕環(huán)境下含水量為22.3%，同樣試驗(yàn)條件下重塑土對(duì)應(yīng)的含水量為11.8%，分析表明重塑土相比原狀土受基質(zhì)吸力影響更為敏感，其更受到基質(zhì)吸力影響，而導(dǎo)致土體內(nèi)水分子排出，含水量降低。

4 滲透系數(shù)影響因素分析

作為河道治理工程，滲透系數(shù)是工程設(shè)計(jì)中比較關(guān)注的重要參數(shù)，而根據(jù)干濕循環(huán)離心排水試驗(yàn)，可獲得土體滲透系數(shù)[13]。圖3反映了滲透系數(shù)與離心吸力之間變化關(guān)系，從圖中可看出，滲透系數(shù)與吸力為負(fù)相關(guān)相關(guān)變化，原狀土在干濕循環(huán)2次吸濕環(huán)境60 kPa是滲透系數(shù)為2.11×10-8m/s，而當(dāng)基質(zhì)吸力增大至267 kPa時(shí)，滲透系數(shù)下降了3個(gè)量級(jí)，僅為2.07×10-11m/s；分析表明，在較大基質(zhì)吸力條件下，土體內(nèi)部開(kāi)口孔隙內(nèi)已無(wú)水分子存在，而是存在大量氣體分子，氣體分子在一定程度上會(huì)對(duì)土體內(nèi)殘留的水分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙影響，造成滲透系數(shù)偏低。對(duì)比吸濕環(huán)境與脫濕環(huán)境下，兩者滲透系數(shù)變化基本一致，在各個(gè)基質(zhì)吸力條件下基本為一致性，即吸濕環(huán)境與脫濕環(huán)境下，對(duì)土體滲透系數(shù)影響較弱。對(duì)比原狀土與重塑土滲透系數(shù)可知，同為干濕循環(huán)2次相同基質(zhì)吸力60 kPa下重塑土滲透系數(shù)為1.52×10-8m/s，與原狀土滲透系數(shù)相差并不大，且在吸力267 kPa下亦是如此，兩者密度均為1.7 g/cm3，滲透系數(shù)在兩者之間差異性并不顯著。

(a)原狀土

為對(duì)比不同密度之間滲透系數(shù)差異，以不同密度的重塑土作為對(duì)比試驗(yàn)(如圖4所示)。從圖4中可看出，密度與滲透系數(shù)特征呈負(fù)相關(guān)，密度愈大，滲透系數(shù)愈?。桓蓾裱h(huán)5次、密度1.7 g/cm3在基質(zhì)吸力150 kPa時(shí)滲透系數(shù)為1.31×10-11m/s，而密度1.4 g/cm3相比前者增大了1個(gè)多量級(jí)，達(dá)2.18×10-10m/s；分析表明重塑土試樣的密度愈大，其土體內(nèi)孔隙數(shù)量愈少，且孔隙尺寸愈小，則在相同基質(zhì)吸力條件下內(nèi)部水分子的排出愈困難，土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部晶體間連結(jié)性能更好，水分子的流動(dòng)相比來(lái)說(shuō)更較困難，因而滲透系數(shù)較低。

(a)干濕循環(huán)1次 (b)干濕循環(huán)5次圖4 滲透系數(shù)與密度關(guān)系

對(duì)比相同密度下滲透系數(shù)特征可知(見(jiàn)圖5)，在密度1.4 g/cm3時(shí)，基質(zhì)吸力在40 kPa前，不同循環(huán)次數(shù)的土樣滲透系數(shù)基本一致，但當(dāng)基質(zhì)吸力超過(guò)40 kPa后，滲透系數(shù)以循環(huán)次數(shù)5次為最高，在基質(zhì)吸力150 kPa時(shí)，循環(huán)次數(shù)5次的滲透系數(shù)為2.18×10-10m/s，相比循環(huán)0次、2次分別提高了10.3倍、105.7%。密度1.7 g/cm3時(shí)，滲透系數(shù)較高者屬循環(huán)5次，而0次循環(huán)時(shí)滲透系數(shù)較低。綜上可知，循環(huán)次數(shù)愈多，會(huì)促進(jìn)土體內(nèi)水分子活躍性，對(duì)水分子滲流運(yùn)動(dòng)具有幫助作用，進(jìn)而產(chǎn)生滲透系數(shù)較高的現(xiàn)象。

(a)ρ=1.4 g/cm3 (b)ρ=1.7 g/cm3圖5 滲透系數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某河道工程岸坡土體持水特性開(kāi)展試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)干濕循環(huán)離心吸力排水試驗(yàn)，獲得了原狀土與重塑土的持水特性與滲透系數(shù)，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 研究了脫濕與吸濕過(guò)程中排水量，脫濕過(guò)程排水量與時(shí)間為正相關(guān)關(guān)系，呈“先增后平穩(wěn)”變化，干濕循環(huán)0次在第20 h時(shí)排水量達(dá)到穩(wěn)定，吸力與排水量為負(fù)相關(guān)關(guān)系，干濕循環(huán)2次、第50 h時(shí)吸力450 kPa所排出水量相比40 kPa、150 kPa分別降低了51.7%、49.1%；吸濕過(guò)程排水量隨時(shí)間呈“先減后平穩(wěn)”變化，吸力與吸水量成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2) 獲得了兩種土體土—水特征曲線(xiàn)，含水量均是脫濕工況高于吸濕工況，循環(huán)次數(shù)愈多，則含水量愈低，原狀土在干濕循環(huán)1次下吸力150 kPa時(shí)含水量是循環(huán)5次的1.15倍，含水量與基質(zhì)吸力均為負(fù)相關(guān)變化；相同條件下，原狀土的含水量要高于重塑土，重塑土受吸力影響更為敏感。

3) 分析了滲透系數(shù)均隨基質(zhì)吸力增大而降低，吸濕與脫濕環(huán)境對(duì)土體滲透系數(shù)影響較??；密度與滲透系數(shù)特征呈負(fù)相關(guān)，在基質(zhì)吸力150 kPa時(shí)密度1.4 g/cm3的土樣滲透系數(shù)相比密度1.7 g/cm3增大了1個(gè)多量級(jí)；干濕循環(huán)次數(shù)增多，滲透系數(shù)較高。