竖向应力对非饱和玄武岩残积土土-水特征曲线的影响

张 浪，雷学文，孟庆山，李 勇

(1.武汉科技大学 城市建设学院， 湖北 武汉 430065；2.中国科学院 武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室， 湖北 武汉 430071)

竖向应力对非饱和玄武岩残积土土-水特征曲线的影响

张 浪1，雷学文1，孟庆山2，李 勇1

(1.武汉科技大学 城市建设学院， 湖北 武汉 430065；2.中国科学院 武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室， 湖北 武汉 430071)

为探究应力作用对土-水特征曲线的影响，采用非饱和土固结仪，测得了由低到高多级竖向应力作用下的重塑红棕色玄武岩残积土土-水特征曲线，并在此基础上分析了竖向应力对玄武岩残积土土-水特征曲线的影响，利用参数模型对试验结果进行拟合，获得了土-水特征曲线的模型参数，并探讨了其变化规律。结果表明：竖向应力对土-水特征曲线有不可忽视的影响，竖向应力越大，土体水分越不容易排出且减少的速率越慢，土体残余含水率越大，增加相同的基质吸力时，竖向应力越大水分排出量越少，曲线越平缓；模型的拟合效果较好，随着竖向应力的增大，参数B0、t增加，参数B1减小，得到各参数与竖向应力的定量关系式，建立了可以考虑较大范围竖向应力的土-水特征曲线函数表达式。

土-水特征曲线；玄武岩残积土；竖向应力；基质吸力；拟合

非饱和土力学是伴随着水文学、土力学及土壤物理学等多学科的发展而形成的[1]，在岩土工程中，如公路路基、地下水位以上的地基、边坡等往往都是处于非饱和状态。含水率或饱和度与基质吸力的关系曲线称为土-水特征曲线(Soil-Water Characteristic Curve，SWCC)。土-水特征曲线是非饱和土力学理论体系中重要的本构关系之一，是解释非饱和土性状的一个重要的概念性工具，其关系到土的强度[2]、渗透系数[3]、土壤水分的运动方程[4]，从一定程度上可以反映非饱和土的内部结构，决定非饱和土的工程力学性质。

在毕节至威宁高速公路沿线存在大量的玄武岩残积土坡，且基本处于非饱和状态。目前对于玄武岩残积土非饱和特性的研究较少，且侧重于天然状态下表层非饱和土体的研究。褚进晶等[5]试验表明，土体的干密度越大，土的进气值越大，脱水速率越小。余沛等[6]探究了干密度对重塑与原状玄武岩残积土土-水特征曲线的影响。结果表明，不同干密度下重塑与原状玄武岩残积土的土-水特征曲线形状基本相似，干密度越大，土体的进气值越大，且干密度对土体进气值后的曲线斜率有较大影响。而边坡土体与其它实际工程中土体大多会受到上覆荷载或者其它附加应力的作用，因此有必要考虑应力状态对土-水特征曲线的影响。在已有的考虑应力对土-水特征曲线影响的文献中，大多考虑较小的应力作用。宋亚亚等[7]测得了0～200 kPa应力下重塑黏土的土-水特征曲线，分析认为竖向应力越大，曲线越平缓，水分越不容易排出。Ng C W W等[8]、王世梅等[9]考虑了固结压力对土-水特征曲线的影响。冯君等[10]通过控制基质吸力，逐级增加净竖向应力，确定土体的屈服应力，探究了屈服应力对土-水特征曲线的影响。罗启迅等[11]、陈东霞等[12]、胡孝彭等[13]发现土体进气值随着应力的增加而增大。褚峰等[14]认为西安原状黄土在净竖向应力小于等于400 kPa时，可以不考虑净竖向应力的影响。扈胜霞等[15]认为非饱和重塑黄土的压缩指数除了受竖向压力影响外，也受吸力作用影响。

土体由于上覆荷载或其它附加应力使其受到一定的应力作用，而残积土边坡土体的工程性质与其应力状态和土中吸力密切相关[16]，且土体所处的埋深不同所受的应力大小也会不一样，为探究应力状态与玄武岩残积土土-水特征曲线的关系，测得了从0～1 600 kPa范围内的不同竖向应力作用下玄武岩残积土的土-水特征曲线，分析了竖向应力对土-水特征曲线的影响，并建立了关于体积含水率、基质吸力和竖向应力的函数表达式。

1 试验基本情况

1.1 试 样

试验土样取自毕威高速公路玄武岩残积土坡，颜色为红棕色，风化程度高，通过XRD分析得知土样主要矿物成分为高岭石、赤铁矿、石英，室内测得土样物性指标见表1，根据物性指标可以判断其属于黏性土。

表1 红棕色玄武岩残积土的物性指标

根据密度、含水率配置土样，配置好的土样密封放入保湿缸中静置24 h，让水分充分均匀，将水分均匀后的土样取出分层捣筑密实做成直径为61.8 mm高度20 mm的标准试样。

1.2 试验仪器

试验仪器采用FGJ-20型非饱和土固结仪，该仪器由中国人民解放军后勤工程学院、电力部电力自动化院大坝所和江苏省溧阳市永昌工程实验仪器有限公司联合研制生产。此固结仪的主要结构有压缩部件、容器罩子部件、加荷部件、台架部件、数据采集。与常规固结仪相比，该仪器在试将取回后的土体风干、去杂质、碾磨，将磨细后的土样过2 mm筛子，其中粒径小于0.075 mm的占93.71%。然后根据试验所需的干样底座上装有一块进气值为500 kPa的陶土板，饱和陶土板有透水不透气的特性，可以控制试样的基质吸力。加载部件可以对试样施加0～2 000 kPa的竖向应力，能探究竖向应力对土体土-水特征曲线的影响，试验过程中的排水量和竖向位移的数据可通过采集系统直接由电脑导出。

1.3 试验方案和步骤

试样采用重塑土，初始质量含水率为27.5%，初始干密度为1.25 g/cm3，试样做好后经过饱和—固结—脱湿三个过程：首先将试样放入饱和缸中抽气超过3 h，浸泡超过24 h，经过计算饱和度，表明饱和效果较好；饱和后的试样在竖向应力分别为0 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 200 kPa、1 600 kPa下进行固结；在竖向应力下固结稳定后，逐级施加基质吸力，所施加的基质吸力分别为25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa。待试样在最后一级基质吸力下稳定后，打开压力罩，取出试样测得其含水率，计算实际排水量并与测量排水量对比。

2 试验结果与分析

利用非饱和固结仪测得多级竖向应力作用下的土-水特征曲线试验结果，如图1所示。

图1竖向应力对土-水特征曲线的影响

从图1中可以看出：

(1) 相同初始含水率与干密度的试样所受到的竖向应力越大，曲线的起点越低，即固结后的含水率越小。

(2) 随着竖向应力的增大，施加相同的基质吸力，土体的体积含水率随基质吸力的增大其减小的速率变慢，土-水特征曲线变平缓。竖向应力越大时，土颗粒的胶结作用越强，土样越密实，孔隙越小。而当基质吸力一定时，小于某一等效孔径的土体孔隙中的水分不会被排出，只有大于此孔径的土体孔隙水因基质吸力作用而丧失，所以竖向应力越大，孔隙越小，则土体中的孔隙水排出越困难，排出量也越少，使得土-水特征曲线变平缓，持水性能力增强。

(3) 土体的残余含水率随着竖向应力的增大而增加。因为随着竖向应力的增大，孔隙结构发生改变，孔径减小，毛细作用的影响增大，孔隙水在较小的孔隙与较大的竖向应力下，吸力的大幅度增加只能引起土体含水率的很小变化。

(4) 随着竖向应力的增大，固结后的含水率减小，残余含水率增加，说明竖向应力越大，含水率的变化范围越小。竖向应力增大，孔隙体积减小，孔隙水量减小，而毛细作用增强，水分不易排出，导致含水率的变化范围减小。

(5) 不同竖向应力对应的土样其残余含水率之间存在一个差值，当竖向应力小于400 kPa时差值较大，而超过400 kPa后差值较小，说明当竖向应力超过400 kPa时，对土-水特征曲线的影响减小。因为竖向应力大于400 kPa时，土体已经比较密实，土体的压塑模量较大，竖向应力的增加，引起土体的应变较小，对土体的孔隙影响不大，因此继续增加竖向应力对土-水特征曲线的影响较小。

3 土-水特征曲线的函数拟合

3.1 体积含水率-基质吸力关系函数拟合

目前对于土-水特征曲线还无法建立起统一的理论方程，本文根据前人的经验[7]和曲线形状而选择的指数衰减参数方程(1)对不同竖向应力下土-水特征曲线进行函数拟合。

θw=B0+B1e-Pc/t

(1)

式中：θw为体积含水率；Pc为基质吸力；B0、B1、t为函数中的参数。

图2为运用Origin软件对不同竖向应力下试验数据的拟合曲线，表2为拟合参数。拟合函数的相关系数R2均大于0.97，拟合效果较好。

图2 拟合后的土-水特征曲线

3.2 竖向应力对各参数的影响

3.2.1 竖向应力对B0的影响

对于公式(1)当Pc趋于无穷大时θw=B0，即当基质吸力足够大时，含水率不再变化而等于一个固定值B0。竖向应力P与B0的关系曲线如图3所示。

整体上参数B0随着竖向应力的增大而增大，对于竖向应力小于等于400 kPa时，线性拟合发现其R2=0.9998，可认为竖向应力较小时B0基本呈线性变化，拟合函数表达式见式(2)；对竖向应力大于或等于400 kPa用直线拟合，R2也高达0.9961，表达式见式(3)。整体趋于抛物线可用二次函数表达，其函数表达式见式(4)，R2=0.9801。

0 kPa≦P≦400 kPaB0=0.0084P+35.858

(2)

400 kPa≦P≦1 600 kPaB0=0.0024P+38.333

(3)

0 kPa≦P≦1 600 kPaB0=-2×10-6P2+0.0073P+36.126

(4)

由图3可以看出，B0与竖向应力前后两段均呈线性变化，且前一段斜率大于后一段，即当竖向应力超过400 kPa时，对B0的影响减小，整体曲线中B0的增长呈减小趋势，说明随着竖向应力增大对残余含水率的影响减小。

图3竖向应力P与B0关系图

3.2.2 竖向应力对B1的影响

B1=θw0-B0为可变含水率，θw0为基质吸力等于0时的饱和含水率，即图1中不同竖向应力下土-水特征曲线的起点。基质吸力为0时的饱和含水率随着竖向应力的增大而减小，而B0随着竖向应力的增大而增大，因此θw0与B0的差值即B1，随竖向应力的增大而减小。竖向应力P与B1的关系曲线如图4所示。

由图4可知，整体上B1随竖向应力的增加而减小。当竖向应力小于等于400 kPa和大于等于400 kPa呈线性变化，前者下降的速度大于后者，对两部分用一次函数拟合表达式见式(5)、式(6)，R2分别为0.9958、0.9929，而对整体用二次函数进行拟合表达式见式(7)，R2为0.982。

0 kPa≦P≦400 kPaB1=-0.0172P+16.551

(5)

400 kPa≦P≦1 600 kPaB1=-0.0052P+11.682

(6)

0 kPa≦P≦1 600 kPaB1=5×-6P2-0.0151P+16.028

(7)

图4竖向应力P与B1关系图

试样经过抽真空饱和放入固结仪中，在施加竖向应力前，各试样的初始含水率、干密度相同且处于饱和状态，随着竖向应力的施加，土体产生变形，水分被排出，假定土颗粒与水分都不能被压缩，则水分的排出量等于孔隙的减少量。在前期由于土体比较疏松施加一定的竖向应力后，土体的压缩变形较大，对θw0与B0都有较大影响，因此B1的减小速率较大。当竖向应力增加到一定值时其对孔隙的影响减小，则对水分的排出量影响也减小，所以θw0的减小速率变慢，而随着竖向应力的增大对B0的影响也减小，从而竖向应力对B1的影响减小，导致B1的减小速率较小。

3.2.3 竖向应力对t的影响

竖向应力对拟合函数参数t也有较大的影响。竖向应力P与t的关系曲线如图5所示。

图5竖向应力P与t关系图

t随着竖向应力的增加而增大，t越大表示单位基质吸力的增加引起的含水率减小的幅度越小，因为竖向应力越大孔隙越小，增加相同的基质吸力，所能排出的水分越少。试验数据用二次函数进行拟合，函数表达式见式(8)，R2=0.9935。

t=-1×10-5P2+0.0469P+28.758

(8)

3.3 只含有参数P的土-水特征曲线函数表达式

由于已经得到参数B0、B1及t各自与竖向应力P的定量函数关系式，可以将式(1)中的参数B0、B1及t用P代替，得到只含有参数P的土-水特征曲线函数表达式(9)：

θw=-2×10-6P2+0.0073P+36.126+

(5×10-6P2-0.0151P+16.028)e-Pc/(-1×10-5P2+0.0469P+28.758)

(9)

表达式适用于低、中、高各等级的竖向应力，范围为0～1 600 kPa。

4 结 论

采用非饱和土固结仪，对0～1 600 kPa范围内多级竖向应力下的玄武岩残积土土-水特征曲线进行研究，得到如下结论：

(1) 竖向应力对玄武岩残积土的土-水特征曲线会产生一定的影响，竖向应力越大，增加相同的基质吸力排出的水分越少，残余含水率越大。当竖向应力大于400 kPa时，对土-水特征曲线的影响会减小。

(2) 在不同的竖向应力下土-水特征曲线可以用同一经验函数进行拟合，拟合函数的相关系数都超过0.97，拟合效果较好。

(3) 土-水特征曲线的拟合参数B0、B1、t意义明确，可以与竖向应力进行较好的拟合，得到与竖向应力之间的定量函数关系式，能够结合竖向应力对土-水特征曲线给出解释。

(4) 建立了把竖向应力作为唯一参数的非饱和玄武岩残积土的土-水特征曲线的函数表达式。

[1] Lu Ning, William J L. 非饱和土力学[M].韦昌富译.北京：高等教育出版社，2012.

[2] Fredlund D G, Xing A, Fredlund M D, et al. The relationship of the unsaturated soil shear strength function to the soil-water characteristics[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1996,33(3):440-448.

[3] Genuchten M T V. Close-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soil[J]. Soil Science Society of America Journal, 1980,44(5):892-898.

[4] Kovacs G. Seepage. Hydraulics[M]. Amsterdam: Elsevier Science Publishers, 1981.

[5] 褚进晶,田 飞,闻 玮.扬州地区黏性土土水特征曲线试验研究及应用[J].水利与建筑工程学报,2015,13(2):73-77.

[6] 余 沛,柴寿喜,魏厚振,等.不同干密度下玄武岩残积土土水特征曲线分析[J].工程勘察,2012,40(7):1-5.

[7] 宋亚亚,卢廷浩,季李通.应力作用下非饱和重塑黏土土水特征曲线研究[J].水利与建筑工程学报,2016,14(2):185-188.

[8] Ng C W W, Pang Y W. Influence of stress state on soil-water characteristics and slope stability[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2000,126(2):157-166.

[9] 王世梅,刘德富,谈云志,等.某滑坡土体土-水特征曲线试验研究[J].岩土力学,2008,29(10):2651-2654.

[10] 冯 君,巫锡勇,马 悦,等.考虑屈服应力的非饱和土土水特征曲线研究[J].铁道科学与工程学报,2015,12(6):1331-1335.

[11] 罗启迅,黄 靖,陈 群.竖向应力及干密度对砾石土土-水特征曲线的影响研究[J].岩土力学,2014,35(3):729-734.

[12] 陈东霞,龚晓南.非饱和残积土的土-水特征曲线试验及模拟[J].岩土力学,2014,35(7):1885-1891.

[13] 胡孝彭,赵仲辉,倪晓雯.应力状态对土-水特征曲线的影响规律[J].河海大学学报(自然科学版),2013,41(2):150-155.

[14] 褚 峰,邵生俊,陈存礼.干密度对非饱和黄土基质吸力的影响[J].地下空间与工程学报,2015,11(6):1431-1436.

[15] 扈胜霞,张 栋,杨 瑞,等.非饱和重塑黄土固结特性试验研究[J].水利与建筑工程学报,2016,14(4):55-58.

[16] 丁少林,左昌群,刘代国,等.非饱和残积土土-水特性研究及基质吸力估算[J].长江科学院院报,2016,33(3):98-103.

InfluenceofVerticalStressonSoil-WaterCharacteristicCurveofUnsaturatedBasaltResidualSoil

ZHANG Lang1, LEI Xuewen1, MENG Qingshan2, LI Yong1

(1.CollegeofUrbanConstruction,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,Hubei430065,China; 2.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofScience,Wuhan,Hubei430071,China)

The multi-stage vertical stress under the action of red brown-basalt residual soil water characteristic curve by the utilization of unsaturated consolidation apparatus was adopted to analyze the vertical stress of basalt residual soil-water characteristic curve model parameter of soil-water characteristic curve is obtained by making use of parameter model to match the test result and exploration of changing rule is also made. The results show that vertical stress plays an unignorable influence on soil-water characteristic curve. The larger the vertical stress is, the more difficult soil moisture is discharged and the slower the reducing rate is; the larger the vertical stress is, the less discharge capacity of moisture and the greater residual moisture content. If model fitting effect is good, parametersB0andtincrease while parameterB1decreases along with magnification of vertical stress. Quantitative relational expressions between various parameters and vertical stress are acquired to establish the function expression of soil-water characteristic curve of vertical stress in consideration of wide range.

soil-watercharacteristicscurves;basaltresidualsoil;verticalstress;matrixsuction;fitting

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.020

2017-05-21

2017-06-20

西部交通建设科技项目(2009318802074)

张 浪(1990—)，男，湖北咸宁人，硕士研究生，研究方向为特殊土工程特性及灾害治理。E-mail:1258509571@qq.com

雷学文(1962—)，男,湖北黄冈人,教授,博士,博士生导师,主要从事岩土工程与地下工程方面的工作。

E-mail:leixuewen@wust.edu.cn

TU43

A

1672—1144(2017)05—0118—05