花岗岩残积土水-力相互作用特性研究

2019-04-04简文星谭宏大

安全与环境工程 2019年2期

黄冠,简文星,谭宏大

(中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北武汉 430074)

花岗岩在我国东南部分布相当广泛，其出露面积在闽、粤两省约占其总面积的30%～40%，在赣、桂、湘三省约占其总面积的10%～20%。由于风化后形成的花岗岩残积土具有扰动、软化和崩解等特性，因此在降雨入渗条件下，花岗岩残积土边坡容易发生变形破坏，会造成大量人员伤亡和经济损失。目前已有许多学者对花岗岩残积土的工程特性进行了研究，包括崩解特征、结构特征、强度特征和非饱和力学特征等。如陈秋南等[1]、赵建军等[2]、肖晶晶[3]、周小文等[4]、邓署冬等[5]、许旭堂等[6]从微观结构、成分及含水量等方面研究了花岗岩残积土的强度变化规律；汤连生等[7]研究认为非饱和花岗岩残积土中由于胶结作用而产生的结构力为可变结构吸力，该吸力随含水量和孔隙比的增加而减小，随干密度的增加而增大。

土体的水-力相互作用特性研究包括土-水特征曲线、渗透系数函数曲线和吸应力特征曲线等方面。汤连生等[8]、陈东霞等[9]和徐颖[10]对花岗岩残积土的土-水特征曲线的影响因素，包括初始含水量、干密度、竖向应力及干湿循环等进行了研究；Gao等[11]、Qian等[12]、Hossain等[13]研究认为基质吸力是影响花岗岩残积土变形破坏的重要因素；龙志东等[14]研究了不同密度条件下重塑花岗岩残积土土样的土-水特征曲线，并对不同吸湿与脱湿曲线进行了分析；陈宇龙等[15]对脱湿与吸湿过程中引起非饱和土的土-水特征曲线发生滞后效应的影响因素进行分析，认为瓶颈效应、不同接触角和空气体积是造成其滞后效应的主要因素。

在上述研究的基础上，本文基于室内土工试验和瞬态脱湿与吸湿试验获得了花岗岩残积土原状样在脱湿与吸湿条件下的土-水特征曲线、渗透系数函数曲线和吸应力特征曲线，并考虑到干密度对非饱和花岗岩残积土和力学性质的影响，对花岗岩残积土的水-力相互作用特性进行了研究，其研究结果可为花岗岩残积土边坡的稳定性分析与防护提供参考依据。

1 花岗岩残积土的基本物理性质

本文选择自江西安远—定南高速公路A7标段K200+503-K200+714右侧边坡附近典型的花岗岩残积土边坡的土样为研究对象，经基岩矿物试验鉴定后定名为二长花岗岩残积土，通过对花岗岩残积土原状样进行基本的土工试验，得到其基本物理性质参数(见表1)和颗粒分析累积曲线(见图1)。

表1 花岗岩残积土原状样的基本物理性质指标

图1 花岗岩残积土原状样的颗粒分析累积曲线Fig.1 Analytical cumulative curve of particles of granite residual soil

根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2009)，依据花岗岩残积土原状样土的液塑限指数和颗粒分析累积曲线，可将该二长花岗岩残积土定为粉质黏土。

2 花岗岩残积土的瞬态脱湿与吸湿试验

2.1 试验方法和方案

本次试验采用美国科罗拉多矿业大学Ning Lu教授等联合研发的瞬态脱湿与吸湿系统(TRIM试验)，对花岗岩残积土样进行土-水特征曲线和渗透系数函数曲线的测量，可以获得脱湿与吸湿条件下全吸力范围(0～106kPa)内花岗岩残积土样的土-水特征曲线、渗透系数函数曲线等。试验土样的规格为61.8 mm(直径)×40 mm(高)的标准环刀样。试验过程中先将系统和土样进行饱和，脱湿条件下给系统先施加一个较小的压力使土样进行排水，待水不再排出后再施加一个较大的压力继续使土样进行排水直至平衡，脱湿过程结束后将气压调为零，使土样进入吸湿状态直至达到平衡。水流入或流出的时间序列数据可以在试验中获得，将试验获得的瞬态流入或流出水量作为目标函数，利用Hydrus-1D程序反演计算可以得到花岗岩残积土样水-力相互作用的特性参数，并利用该参数获取土-水特征曲线和渗透系数函数曲线。

本试验分为两组：第一组为花岗岩残积土原状样，其编号为Y-1、Y-2、Y-3；第二组为花岗岩残积土重塑样，取花岗岩残积土扰动样过5 mm筛，在土样中加水使花岗岩残积土样的含水率达到最优含水率0.211，并利用击实仪器，制成干密度分别为1.36 g/cm3、1.46 g/cm3和1.67 g/cm3的击实土样，其中1.67 g/cm3为花岗岩残积土样的最大干密度，再用61.8 mm(直径)×40 mm(高)的环刀切取重塑土样，不同干密度花岗岩残积土重塑样的编号分别为C-1、C-2、C-3。

2.2 试验结果与分析

通过瞬态脱湿与吸湿试验(TRIM试验)，可获得花岗岩残积土样瞬态流入或流出水量与时间的关系曲线(见图2)，并通过Hydrus-1D程序反演计算，可得到在脱湿与吸湿过程中花岗岩残积土样水-力相互作用特性曲线的模型参数，见表2。

图2 花岗岩残积土样瞬态流入或流出水量与时间的关系曲线Fig.2 Relationship curves between transient outflow or inflow water and time of granite residual soil samples

模型参数的不同决定了脱湿与吸湿条件下花岗岩残积土水-力相互作用特性的差异。本文分别取原状样Y-1、Y-2、Y-3模型参数的平均值Y作为花岗岩残积土原状样的模型参数，取重塑样C-1、C-2、C-3的模型参数为花岗岩残积土重塑样的模型参数，对其水-力相互作用的特性进行分析。

当花岗岩残积土原状样与重塑样的干密度相同时，由于内部结构和初始含水率不同，两者各特性参数会有一定的差异，而且花岗岩残积土重塑样随着干密度的增大，参数α、n减小，残余含水率θr增大，而参数α又是与进气值有关的参数，因此土样的干密度越大，其进气值越大。

3 花岗岩残积土水-力相互作用的特性分析

3.1 花岗岩残积土的土-水特征曲线和渗透系数函数曲线

目前已有大量学者研究了花岗岩残积土基质吸力与含水率变化之间的关系式，并提出了许多本构模型，常见的有Van Genuchten模型、Fredlund and Xing模型和Gardner模型等。如罗小艳[16]采用三种模型对花岗岩残积土的土-水特征曲线进行了拟合，结果认为VG模型能更好地拟合花岗岩残积土土-水特征曲线的实际形状。VG模型可表示如下[17]：

(1)

式中：θ为土体任意时刻的体积含水率；θs为土体饱和体积含水率；θr为土体的残余体积含水率；h为土体的基质吸力(kPa)；α、n为优化参数，其中参数α与空气进气值有关(kPa-1)，约等于进气值的倒数，参数n与土体孔径的分布有关，控制土-水特征曲线的斜率。

随着土体体积含水率的变化，土体的渗透系数也发生着显著的变化。因测定非饱和土体的不同体积含水率对应的渗透系数比较困难，故通过瞬态脱湿与吸湿试验，可得到确定土体渗透系数函数曲线的模型参数。本文采用Mualem模型，其表达式如下：

(2)

式中：K为土体的渗透系数(cm/s)；Ks为土体的饱和渗透系数(cm/s)，经渗透试验获取；其余参数意义同公式(1)。

本文以花岗岩残积土原状样Y和重塑样C-1、C-2、C-3为研究对象，基于表2的模型参数，可得到花岗岩残积土各土样的土-水特征曲线(SWCC)和渗透系数函数(HCF)曲线，见图3。

图3 吸湿与脱湿条件下花岗岩残积土原状样和重塑样的土-水特征曲线(SWCC)和渗透系数函数(HCF)曲线Fig.3 SWCC and HCF curves of original and remolded samples of granite residual soil under dehumidification and hygroscopicity conditions

此外，由图3可见，花岗岩残积土样的渗透系数函数曲线在单对数坐标系下呈现非线性特征，土样在初期排水过程中，其渗透系数有明显的降低。这是因为：初期排水主要是从连通性较好的大孔隙排出，随后的排水过程中在孔隙中产生了许多“汽包”，阻碍了水分的运移通道，土体的渗透系数不断降低，在接近残余体积含水率时，土体孔隙内的“汽包”数量达到最大，孔隙水主要以不连续弯液面的形式存在于颗粒之间，土体的渗透系数降到最低，接近于0；在同一基质吸力下，由于脱湿路径下土体内被水充填的孔隙体积较大，因此相对吸湿路径下土体有较大的渗透系数。

综上研究可知，具体工程实践中花岗岩残积土边坡在蒸发或重力排水的脱湿过程中，土体的渗透系数不断降低，而在降雨入渗、毛细上升的吸湿过程中，花岗岩残积土边坡的渗透性能不断增强，对探讨花岗岩残积土坡体稳定性具有一定的指导意义。

3.2 花岗岩残积土的吸应力特征曲线

Lu等[18-20]提出利用吸应力σs代替Bishop有效应力参数χ和基质吸力来定义土体的粒间力，并提出了土体吸应力与基质吸力或饱和度的函数关系式：

(3)

式中：σs为土体的吸应力(kPa)；S为土体的饱和度；Sr为土体的残余饱和度；Se为土体的有效饱和度；ua为土体的孔隙气压力(kPa)；uw为土体的孔隙水压力(kPa)；其余参数意义与公式(1)式相同。

同时,Lu经公式推导出以基质吸力(ua-uw)形式表示的土体吸应力闭型方程：

(4)

式中：各参数意义同公式(1)、(3)。

根据表2中的模型参数和公式(4)，可绘制花岗岩残积土的吸应力特征曲线(SSCC)，见图4。

图4 吸湿与脱湿条件下花岗岩残积土原状样和重塑样的土-水特征曲线(SWCC)和吸应力特征曲线(SSCC)Fig.4 SWCC and SSCC curves of original and remolded samples of granite residual soil under dehumidification and hygroscopicity conditions

由图4可见，花岗岩残积土样的吸应力与基质吸力具有一一对应的关系，而且其变化趋势具有一致性；随着土样体积含水率的增大，其吸应力不断减小，且土样的吸应力小于基质吸力；当土样的体积含水率相同时，脱湿条件下土样的吸应力大于吸湿条件下土样的吸应力。

以花岗岩残积土原状样为研究对象，在脱湿条件下，当土样的体积含水率为15.71%时，土样的最大吸应力为1 927.4 kPa；而在吸湿条件下，当土样的体积含水率为15.0%时，土样的最大吸应力为110.7 kPa。同时，在脱湿条件下，土样的初始边界条件为饱和度100%，随后在压力作用下饱和度逐渐降低，当土样的体积含水率达到48.5%时，土样的基质吸力与吸应力曲线开始分离，当接近土样的残余体积含水率时，曲线分离显著，土样的基质吸力与吸应力的差值接近20倍；在吸湿条件下，土样的的初始边界条件为体积含水率接近残余体积含水率，土样的基质吸力与吸应力的差值大约为100倍，随着饱和度的增大，两者之间的差异逐渐减小，当土样的体积含水率达到40.8%时，土样的基质吸力与吸应力曲线开始重合。

以上分析说明花岗岩残积土在脱湿与吸湿过程中的水-力相互作用特性明显不同，存在滞后性，而这种滞后性可以解释花岗岩残积土地区降雨诱发型滑坡为什么发生在降雨之后的几个小时之内。因此，针对花岗岩残积土在脱湿与吸湿过程中吸应力变化规律的研究，对探讨花岗岩残积土水-力相互作用的特性和边坡的稳定性方面具有重要的意义。

3.3 干密度对花岗岩残积土水-力相互作用特性的影响

本文将获取的花岗岩残积土不同干密度下重塑样的土-水特征曲线、渗透系数函数曲线和吸应力特征曲线进行脱湿与吸湿路径的对比分析，讨论在脱湿与吸湿条件下，不同干密度花岗岩残积土土样的基质吸力、吸应力、渗透系数随体积含水率的变化规律，以此反映干密度对花岗岩残积土水-力相互作用特性的影响。

图5 不同干密度花岗岩残积土重塑样土-水特征曲线(SWCC)、渗透系数函数(HCF)曲线和吸应力特征曲线(SSCC) 的脱湿与吸湿对比Fig.5 Dehumidification and hygroscopicity contrast of SWCC,HCF and SSCC curves of granite residual remodeling soil samples under different dry densities

由图5(a)、(b)可见，花岗岩残积土样的体积含水率越大，基质吸力越小，且相同体积含水率下，土样的干密度越大，基质吸力越大；脱湿和吸湿过程中，土样的渗透系数与体积含水率呈现“正相关”趋势，即土样的体积含水率越大，渗透系数越大，且相同体积含水率下，土样的干密度越大，渗透系数越小。由图5(c)、(d)可见，花岗岩残积土样吸应力的变化规律与基质吸力具有一致性，即土样的干密度越大，吸应力越大。

由于非饱和土孔隙内的压力要保持平衡，随着基质吸力的增大，水分不断被排出，土体的含水率降低。干密度较小的土体，压实度低、孔隙比大、大孔隙数量多，饱和后初始体积含水率高，容易失水，较快的失水速率使得干密度较小的土体在较大基质吸力的作用下，水分大量排出，土体的含水率较低。从颗粒的连接关系来看，干密度小、含水率高的土体，双电荷影响下结合水膜较厚，颗粒的连接较弱。因此，干密度小的土体，进气值较小，失水速率较大；干密度大的土体，孔隙小、连通性好，空气不容易进入土体，进气值较大，这与前述试验所得的参数一致。可见，土体的干密度越大，进气值越大，土体的持水能力越强。在实际工程中，如路基填筑、回填土压实等工程中应控制好土体压实的干密度，这对土体的水稳定性有着较大的影响。