姜 巽

(遼寧省朝陽(yáng)水文局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

0 前 言

土濕吸力是水利工程穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的重要特征指標(biāo)，是水利工程穩(wěn)定度的重要影響因子[1]。多個(gè)研究成果表明土濕吸力和含水率具有較為直接的相關(guān)性[2]-[6]，是土濕吸力影響的主要因子，但各成果大都從定性描述，缺乏兩者之間定量的描述手段。此外，土濕吸力和土體抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系研究還相對(duì)較少，為提高土濕吸力計(jì)算的精準(zhǔn)性，需要分析其影響指標(biāo)，從而為水利工程穩(wěn)定設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。為此文章結(jié)合在土體力學(xué)應(yīng)用較為成熟的非飽和土壓強(qiáng)度模型[7]-[10]，結(jié)合該模型，探討土濕吸力與含水率、抗剪強(qiáng)度之間的相關(guān)性，研究成果對(duì)于水利工程設(shè)計(jì)中的土濕吸力確定具有重要參考價(jià)值。

1 非飽和土壓強(qiáng)度計(jì)算模型

非飽和土壓強(qiáng)度計(jì)算模型針對(duì)土體表層的濕吸力進(jìn)行計(jì)算：

PS=(2σ/R)sin(θ+φ)/sinφ

(1)

式中：PS為計(jì)算的土濕吸力；θ為土地含水率；φ為飽和含水率；φ為土體張力系數(shù)；

R為土體顆粒半徑。此外模型還對(duì)土體宏觀濕吸力進(jìn)行計(jì)算：

S=(σ/R)sin(θ+φ)(1-cosφ)/sinφ

(2)

式中：S為土體宏觀濕吸力；當(dāng)土體含水率達(dá)到常量時(shí)，土體濕吸力與飽和含水率呈現(xiàn)線性相關(guān)性，土體顆粒間隙容量采用以下方程進(jìn)行計(jì)算：

V1=πr2?2h

(3)

2V2=2?πh2?(R-h/3)

(4)

方程中V1表示圓柱土體的體積；V2為土地圓球體積；h為圓柱土體側(cè)面高度；R表示圓柱土體底部半徑。土體顆粒孔隙體積采用以下方程計(jì)算：

V=6πR3(1-cosφ)2(2cosφ+1)

(5)

結(jié)合計(jì)算的土體顆?？紫扼w積對(duì)軟土地基的含水率進(jìn)行計(jì)算：

w=1.0?V/2.7?(4πR3/3)

(6)

即為：

w=51(1-cosφ)2(2cosφ+1)/3

(7)

2 土體樣本的處理和測(cè)定

結(jié)合某水利工程實(shí)例進(jìn)行分析，該水利工程設(shè)計(jì)土體質(zhì)地主要為壤土，土體物理參數(shù)見(jiàn)表1。在模型計(jì)算前首選需要對(duì)土濕吸力進(jìn)行測(cè)定，用于非飽和土壓強(qiáng)度計(jì)算模型誤差評(píng)定，并對(duì)分析土體進(jìn)行密實(shí)處理。在恒溫條件下將不同含水率的土體樣本進(jìn)行風(fēng)干后靜置，保持土體含水量均勻分布，靜置2-3d后，對(duì)不同含水率下的土體進(jìn)行密實(shí)處理。為提高土濕吸力測(cè)定的準(zhǔn)確性，一般需要進(jìn)行為期10d的恒溫平衡處理，處理結(jié)束后，取出用于測(cè)定土濕吸力的濾紙，并對(duì)濾紙進(jìn)行稱重，結(jié)合試驗(yàn)前濾紙重量，對(duì)比分析測(cè)定土濕吸力。

表1 土體樣本的主要物理特性

3 計(jì)算成果

3.1 模型計(jì)算誤差評(píng)定

結(jié)合非飽和土壓強(qiáng)度計(jì)算模型，對(duì)兩種干密度下不同含水率下的土濕吸力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 非飽和土壓強(qiáng)度計(jì)算模型的土濕吸力計(jì)算誤差結(jié)果

從表2中可看出，采用非飽和土壓強(qiáng)度計(jì)算模型計(jì)算的不同含水率下土濕吸力和室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定的土濕吸力的誤差均在±5%范圍內(nèi)，符合水利工程設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)范的要求，可見(jiàn)非飽和土壓強(qiáng)度計(jì)算模型可用于水利工程設(shè)計(jì)土濕吸力的計(jì)算。

3.2 土濕吸力和含水率之間關(guān)系分析結(jié)果

在非飽和土壓強(qiáng)度計(jì)算模型誤差評(píng)定基礎(chǔ)上，結(jié)合該模型分析不同土體含水率與土濕吸力的相關(guān)性，分析結(jié)果見(jiàn)表3。

從分析結(jié)果可看出，在不同初始土體含水率下隨著含水率遞減，土體表層Sa和宏觀土濕吸力PS均呈現(xiàn)遞增變化，這主要是因?yàn)樵诓煌跏己蕳l件下，土體含水率的遞減將增加土體顆?？紫兜哪Σ亮宛ぞ哿?，增加土濕吸力?？梢?jiàn)，含水率是土濕吸力主要影響因素，隨著含水率增加土濕吸力逐漸減小，兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。

表3 不同初始土體含水率下的土濕吸力與含水率分析結(jié)果

3.3 抗剪強(qiáng)度與土濕吸力分析結(jié)果

結(jié)合非飽和土壓強(qiáng)度計(jì)算模型對(duì)不同土體初始含水率條件下的抗剪強(qiáng)度與土濕吸力進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表4。

從分析結(jié)果可看出，在同一個(gè)土濕吸力下，土體初始含水率越大，其土地抗剪強(qiáng)度越小。隨著土濕吸力增加，不同初始含水率下土體抗剪強(qiáng)度逐步遞增，當(dāng)土濕吸力達(dá)到10.2Mpa后，土體抗剪強(qiáng)度增幅減小，并逐步趨于穩(wěn)定變化。這主要是因?yàn)殡S著土濕吸力，增加了土體顆粒孔隙的摩擦力，使得其抗剪強(qiáng)度增加。但是土濕吸力增加到一定程度后，將不利于水利工程設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，為此在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)計(jì)算土濕吸力，需要結(jié)合非飽和土壓強(qiáng)度計(jì)算模型對(duì)不同初始含水率下的土濕吸力進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)應(yīng)分析抗剪強(qiáng)度趨于穩(wěn)定下對(duì)應(yīng)的土濕吸力，作為工程設(shè)計(jì)土濕吸力的最大值，從而保證水利工程設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。

表4 不同土體初始含水率條件下的土濕吸力與抗剪強(qiáng)度分析結(jié)果

4 結(jié) 論

1)非飽和土壓強(qiáng)度計(jì)算模型計(jì)算的不同含水率下土濕吸力和室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定的土濕吸力的誤差均在±5%范圍內(nèi)，符合水利工程設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)范的要求；

2)土體含水率的遞減將增加土體顆?？紫兜哪Σ亮宛ぞ哿?，從而增加土濕吸力，而土體顆?？紫赌Σ亮Φ脑黾?，將會(huì)影響其抗剪強(qiáng)度，總體而言，含水率和土濕吸力呈負(fù)相關(guān)，土濕吸力與抗剪強(qiáng)度呈正相關(guān)；

3)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)計(jì)算土濕吸力，需要結(jié)合非飽和土壓強(qiáng)度計(jì)算模型對(duì)不同初始含水率下的土濕吸力進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)應(yīng)分析抗剪強(qiáng)度趨于穩(wěn)定下對(duì)應(yīng)的土濕吸力，作為工程設(shè)計(jì)土濕吸力的最大值。