堤防土体材料增湿变形及持水特性试验研究

周松松，孙益松，叶柏阳

( 1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223005；2.江苏淮源工程建设监理有限公司， 江苏 淮安 223005 )

河道治理工程中不可避免需要考虑提防工程的安全稳定性，而水利工程的安全稳定与结构岩土材料息息相关，研究岩土材料变形以及持水特性对提高水利工程设计水平具有重要作用[1- 3]。堤防工程的安全稳定考量的一个重要方面即是渗漏安全性，而堤防土体材料的入渗特性以及在积水条件下受压缩变形特征均是影响工程渗漏的重要方面，因而开展土体增湿变形以及持水特性分析具有重要参考意义[4- 6]。已有一些学者与水利工程师通过对土体材料开展各种形式的三轴剪切试验，研究土体在增湿过程中变形特性，探讨土-水特征曲线[7- 8]。另有一些水利工程师设计适合土体材料的土柱试验系统，为探讨土体渗水特性以及压缩变形提供重要研究手段[9- 10]。文章将在前人研究基础上，重点开拓土体增湿变形与持水特征受竖向压力、干密度、实验方法等影响的特性，为推动土-水特性认识水平提供一定参考。

1 实验概况

1.1 实验介绍

华中某地区在河道治理时，需对某区段内堤防工程开展渗漏特性分析评价，故而对该堤防工程土体材料取样开展室内试验研究。根据工程现场标准击实试验可知(图1)，最佳含水量为18.1%，为确保室内试验结果准确性，将土体重塑后开展试验分析研究，以静压法逐层按压，保证每层土样高度达到5cm，土工试验室内亦可采用气压装填按压，确保每层土体达到设计干密度值，重塑后土体试样干密度分别为1.42、1.54、1.62g/cm3。

图1 击实试验曲线

入渗试验采用一维土柱渗透仪，该仪器包括土柱筒以及数据采集等装置，系统测试精度较高，以水泵作为外接供水设备，可精确控制进水流量。土柱筒为多层式设计，方便不同层土样开展入渗试验，筒直径为12cm，高度为55cm。入渗加载装置可实现最大10kN加载测试，变形传感器可采用应变片测试，直连采集系统，亦可选用试验系统配套的位移传感器，其测试范围为-20～20mm，精度可达0.2%。水泵设备在实验过程中始终保持水头恒定，架设马氏瓶2个，距离土柱筒底部50cm，入渗量精确控制在0.1cm3/s。数据采集系统采集间隔为0.5s，实时采集变形以及试样含水量参数，其中含水量参数由试验系统中内置的水分测量器感应水分子测定，精度可达1%，另外，吸力传感器为电阻式测量设备，可测定最大吸力为500kPa。该试验系统可实现全稳定入渗、半稳定入渗以及模拟降雨入渗三种不同试验条件，调节水泵供水装置满足试验水头要求即可，因而，文章将以该试验系统开展堤防土体材料增湿变形及持水特性试验研究。

1.2 实验步骤

以土柱渗透仪开展土体材料持水以及增湿特性，按照如下试验步骤进行。

(1)将试验系统中各测量传感器标定，完成实验前标定准备工作后，安装试样并连接测试传感器，确保数据采集系统工作正常稳定。

(2)稳定吸力，调整基质吸力加压系统，确保试样含水量与基质吸力均处于稳定状态后，施加竖向压力至目标试验值，在数据采集系统中实时观测加压过程中试样各项参数变化。

(3)加压稳定后，打开供水装置，确保试样上下端水头均稳定，测定积水入渗过程中试样含水量以及变形量等参数，当试样含水量以及基质吸力不变时，认为此时土样处于饱和状态，测定饱和入渗状态量。

(4)完成试验，关闭供水装置，卸下竖向压力与基质吸力，取出试样后再次测定其含水量等参数，按照以上步骤重复开展第二块试样试验。

2 堤防土压缩变形特性

设计相同含水量15%、不同干密度分别开展不同恒定竖向压力下土柱试验，获得土体压缩变形特性；另一方面，设计含水量分别为15%、20%、25%、33%，不同干密度下开展常规压缩试验，对比两种实验结果所测定的压缩变形。

2.1 孔隙比特征

为准确分析土样压缩变形，文章以土体孔隙比作为衡量土体压缩特性参数，图2为两种压缩试验所测定的各干密度试验组下的孔隙比与压应力曲线。从图2中各实验组整体表现来看，土样压缩过程中孔隙比变化主要分为两阶段：平缓下降、快速下降；土柱筒测试实验中压应力为100kPa下孔隙比相比压应力为0kPa时减少了2.8%，而在压应力为100～200kPa过程中，孔隙比降低幅度达10.2%，分析表明，土样初期压缩变形主要由弹性变形引起，并不会对试样内部孔隙产生实质性影响；而当压缩应力超过弹性压密临界点后，试样内部变形为次生损伤性，孔隙挤压变形，进而导致孔隙比快速下降。对比同种试验不同干密度试样测试的孔隙比可知，不论是常规压缩试验亦或是土柱筒压缩试验，均呈现干密度愈大，孔隙比愈低，在常规压缩试验组中，同为100kPa压应力时干密度为1.42g/cm3的孔隙比为0.88，同等压应力试验条件下干密度为1.62g/cm3的孔隙比相比前者降低了25%，为0.66。分析表明，土体材料干密度愈大，内部颗粒结构结合愈紧密，内部封闭孔隙愈少，故而实验中呈现孔隙比与干密度呈负相关特征。对比两种不同实验测定的孔隙比可知，在平缓下降阶段，两种实验所测定的孔隙比几乎一致，而在快速下降阶段中，土柱筒压缩试验测定的孔隙比稍高于常规压缩试验，即实验方法对土体压缩特性测试影响仅在塑性变形阶段。

图2 各密度下孔隙比特征参数变化曲线

2.2 压缩变形特征参数

图3为两种实验压缩变形测试所得到的试样压缩系数与弹性指数，当实验方法一致时，干密度愈大，弹性指数愈小，土柱筒压缩试验测定下干密度为1.62g/cm3的弹性指数为0.005，相比干密度为1.42g/cm3时降低了70.6%；压缩系数与干密度关系亦呈逐渐降低态势；另外，对比两种实验方法测定结果可知，土柱筒试验所测定的弹性指数或压缩系数均高于常规压缩试验，分析是由于土柱筒试验中试样尺寸较常规压缩所用试样大，另外土柱筒压缩试验中分级加压，在一定程度上会造成变形不均匀，因而测定变形参数结果偏大。

图3 土样压缩变形特征参数

3 堤防土增湿变形特性

限于篇幅，文章增湿变形仅讨论土柱筒压缩试验后开展的全稳定入渗测试，试验方案组分别由含水量15%、20%、25%、33%，干密度1.42、1.54、1.62g/cm3组成，探讨土体材料增湿变形特性。

3.1 增湿应变特征

图4为试验测定不同压应力、干密度下增湿应变与时间变化关系曲线，从不同压力下增湿变形变化特征可知，增湿变形全过程分为快速增大与平缓变化两个阶段，快速增大阶段持续时长较短，且竖向压应力愈小，快速增大阶段持续时间愈短，竖向压应力为50kPa时其持续时长仅为508min，而竖向压应力为300kPa下持续时长超过4000min。在平缓变化阶段，竖向压应力愈大，则极限增湿应变愈大，竖向压应力为300kPa下的极限应变达9.4%，相比100、200kPa分别增大了36.9%、15.3%。对比快速增大阶段各竖向压应力下增长速率可知，竖向压应力为50kPa的平均每分钟增长应变为0.003%，而竖向压应力为100、200、300kPa时的增长幅度分别为0.0025%、0.002%、0.0015%，即竖向压应力愈大，试样增湿变形快速增长阶段增长速率愈小。

图4 增湿应变-时间关系

对比相同竖向压应力下不同干密度增湿变形变化曲线可知，干密度与增湿变形为负相关关系，相同试验时间下干密度愈大，则增湿应变愈小，在第3000min时干密度1.62g/cm3的增湿应变为1.6%，相比干密度为1.42、1.54g/cm3相同时刻时的增湿应变分别降低了75.1%、44%。分析表明，试样干密度愈大，则试样对水敏感性愈弱，增湿变形能力愈弱。

3.2 持水特征

为分析土柱筒压缩试验后全稳定入渗过程中试样持水特征，文章对增湿应变与基质吸力、含水量开展探讨分析。从图5中变化曲线可知，增湿应变随基质吸力呈“陡升—平缓变化—缓慢上升”变化，陡升阶段中在基质吸力不变条件下增湿应变涨幅较显著，且竖向压应力愈大，则增湿应变涨幅幅度愈大，竖向压力为300kPa下在陡升阶段中增湿应变增大幅度达2个量级之多。随着水分入渗，基质吸力减小，增湿应变进入平缓变化阶段，但仍然以高竖向压应力下的增湿应变为最大，当基质吸力为60kPa时，竖向压应力为300kPa的增湿应变是50kPa下的1.8倍。当水分入渗完成后，试样达到饱和状态，增湿应变增幅较低，100kPa下基质吸力每减小1kPa，增湿应变增大0.13%；同样条件下，竖向压应力为200、300kPa的幅度参数分别为0.17%、0.19%；表明即使在试样饱和状态下，引起增湿变形愈强的仍然为高竖向压应力。

图5 基质吸力-增湿应变-含水量关系

增湿应变与含水量变化阶段与基质吸力有所类似，分为“陡升—平缓变化—缓慢上升”，不同的是各阶段中随含水量增大，增湿应变才增长。在陡升阶段，含水量不变，但增湿应变快速增长，其中高竖向压应力下增湿变形愈大，在含水量为24%时，高竖向压力为300kPa所达到的最大增湿应变是100kPa下的1.2倍。引起增湿应变平缓变化与缓慢上升阶段的内因实质上与前述随基质吸力减少增湿应变平缓变化与缓慢上升一致，缓慢上升与平缓变化临界含水量为34.5%，对应的基质吸力为22.5kPa，该基质吸力与含水量实质为全稳定入渗过程中土样饱和状态参数。

同理类似，文章给出不同干密度测试条件下增湿应变分别与基质吸力、含水量之间关系，如图6所示。从图6中可看出，各干密度试样增湿应变与基质吸力、含水量变化关系均是一致的，呈“陡升—平稳—缓慢上升”三阶段特征。对比不同干密度试样增湿应变差异可知，干密度愈大，增湿应变愈低，且缓慢上升阶段中增长速率愈低，干密度为1.42g/cm3下的增湿变形在缓慢上升阶段平均含水量每增长1%，增湿应变增大0.6%，分析表明全过程增湿变形均以干密度愈低者为最大，且干密度影响增湿变形在缓慢上升阶段的增长速率，干密度愈大者的增湿应变受抑制愈强。

图6 基质吸力-增湿应变-含水量关系(竖向压力100kPa)

4 结论

(1)研究了土样压缩过程孔隙比呈“平缓下降、快速下降”两阶段特征；干密度愈大，孔隙比愈低， 100kPa压应力试验条件下干密度为1.62g/cm3的孔隙比相比1.42g/cm3降低了25%；平缓下降阶段两种测试方法孔隙比均一致，但快速下降阶段以土柱筒压缩试验测定孔隙比较高。

(2)获得了土样压缩变形特征参数均与干密度呈负相关，土柱筒试验条件下干密度为1.62g/cm3的弹性指数为0.005，相比干密度为1.42g/cm3时降低了70.6%，实验结果仍然以土柱筒试验方法偏高。

(3)研究了堤防土体材料增湿变形特征，全过程分为快速增大与平缓变化两个阶段，竖向压应力愈小，快速增大阶段持续时间愈短，且竖向压应力愈大，该阶段增长速率愈小；平缓变化阶段，竖向压应力愈大，则极限增湿应变愈大，竖向压应力300kPa下的极限应变相比100、200kPa分别增大了36.9%、15.3%；干密度与增湿变形呈负相关。

(4)分析了土样入渗过程持水特征，增湿应变随基质吸力减小呈“陡升—平缓变化—缓慢上升”变化，其随含水量增大亦是该三阶段；高竖向压应力下的增湿应变为最大，当基质吸力为60kPa时，竖向压应力300kPa的增湿应变是50kPa下的1.8倍；干密度愈大，增湿应变愈低。