邱秀梅+趙曉龍+章賽澤+孫兆輝+卞漢兵

摘要：針對(duì)某重塑黏土，通過(guò)常規(guī)固結(jié)儀，研究了恒壓下初始孔隙比、應(yīng)力及初始飽和度對(duì)濕化變形的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，應(yīng)力和初始孔隙比e對(duì)濕化變形影響明顯，低應(yīng)力下，變形隨e的提高逐漸由膨脹變?yōu)閴嚎s；高應(yīng)力下，試樣均發(fā)生壓縮，壓縮量隨e的增大而增大；定量分析了濕化變形與應(yīng)力和e之間的關(guān)系。試樣濕化穩(wěn)定時(shí)間t0受應(yīng)力和初始孔隙比e影響明顯，t0隨應(yīng)力的增加而增大；低應(yīng)力下，t0隨e的增加而增大，高應(yīng)力下，t0隨e的增加先增大后減小。初始飽和度Sr對(duì)濕化變形也有較大影響，低壓應(yīng)力下，試樣膨脹量隨著Sr的增加先減小后增大，可能存在“最優(yōu)初始飽和度”，使得變形量最?。桓邏簯?yīng)力下，試樣壓縮量隨Sr的增加而減小，二者可近似用直線擬合。

關(guān)鍵詞：非飽和土；孔隙比；飽和度；濕化變形

中圖分類號(hào)：TU43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

16721683（2017）06014407

Abstract：

This study investigated the influences of initial void ratio，stress，and initial water saturation on the wetting deformation of remolded cohesive soil under constant pressure using the conventional consolidation apparatusThe experimental results showed that the stress and initial void ratio e had significant impact on the wetting deformationUnder low stress，the deformation changed from expansion to shrinkage with the increase of e；while under high stress，all the samples were compressed and the amount of compression would increase with the increase of eThe relationships among wetting deformation，stress，and e were analyzed quantitivelyThe wetting stability time t0 was affected obviously by the stress and eThe t0 would increase with the increase of stressUnder low stress，t0 would increase with the increase of e；under high stress，t0 would increase first and then decrease with the increase of eThe initial water saturation Sr also had great influences on the wetting deformationUnder low stress，the swelling capacity would decrease first and then increase with the increase of Sr；the "optimum initial water saturation" may exist，which can lead to the smallest deformationUnder high stress，the amount of compression would decrease with the increase of Sr，and their relationship was approximately linear

Key words：unsaturated soil；void ratio；water saturation；wetting deformation

土石壩因造價(jià)低廉，施工簡(jiǎn)單，抗震性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用在我國(guó)水利工程中[1]。對(duì)心墻壩，在蓄水初期，上游壩殼堆石會(huì)經(jīng)歷由干燥到飽和的過(guò)程，其間產(chǎn)生的變形稱為濕化變形[2]。

較大的濕化變形可能會(huì)導(dǎo)致壩體出現(xiàn)裂縫而影響大壩的安全運(yùn)行，因此土石壩濕化變形問(wèn)題仍是需要解決的熱點(diǎn)問(wèn)題。目前關(guān)于壩殼堆石料的濕化變形研究較多[35]，但對(duì)黏土心墻本身的濕化變形研究卻較少[69]。若心墻黏土由于濕化變形而產(chǎn)生了裂縫，那極有可能引起水力劈裂[1013]等嚴(yán)重后果。因此對(duì)心墻黏土的濕化變形研究很有工程意義。

第15卷 總第93期·南水北調(diào)與水利科技·2017年12月

邱秀梅等·重塑黏土恒壓濕化變形試驗(yàn)研究

心墻粘土在填筑時(shí)通常采用分層碾壓[14]，含水量接近于最優(yōu)含水量，飽和度較高，但很難達(dá)到完全飽和[8]。研究表明，非飽和土濕化過(guò)程中，在低應(yīng)力條件下濕脹特性引起膨脹，在高應(yīng)力條件下由于孔隙坍塌產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形[1516]。某種土呈現(xiàn)膨脹還是濕陷，不僅取決于礦物成份，還和應(yīng)力狀態(tài)、孔隙比和飽和度有關(guān)[1718]。

土石壩蓄水過(guò)程中壩體及心墻部分的飽和度將發(fā)生變化，而飽和度變化對(duì)強(qiáng)度、變形和滲透性都會(huì)產(chǎn)生影響[1921]。沈珠江[22]院士提出廣義吸力的概念，認(rèn)為隨著廣義吸力的喪失，孔隙比逐步向穩(wěn)態(tài)發(fā)展，欠壓縮土的孔隙比變小，超壓縮土的孔隙比變大。Fredlund[23]基于非飽和土“相”的物理意義，提出了孔隙比狀態(tài)方程，并通過(guò)孔隙比和含水量估計(jì)了膨脹量的變化。endprint

本文通過(guò)非飽和重塑土恒壓濕化變形試驗(yàn)，模擬水庫(kù)蓄水過(guò)程中土石壩黏土心墻的濕化變形，初步研究了初始孔隙比、應(yīng)力和初始飽和度對(duì)試樣濕化變形的影響。

1試驗(yàn)材料與方法

11試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為臨沂市蒙陰縣某土石壩心墻用土。取樣后經(jīng)烘干粉碎，并過(guò)05 mm篩備用。土樣的基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1，可判定為中液限黏質(zhì)土。

12試驗(yàn)方法

將一定量粉碎干土與一定量水（按最優(yōu)含水率附近配置）均勻混合，在密封塑料袋中養(yǎng)護(hù)一晝夜。之后按設(shè)計(jì)的層數(shù)和每層擊數(shù)對(duì)土樣擊實(shí)，兩層交接面作刨毛處理。通過(guò)擊實(shí)層數(shù)和次數(shù)來(lái)改變?cè)嚇拥目紫侗龋瑩魧?shí)后的試樣通過(guò)環(huán)刀切取土樣若干，分別放入固結(jié)儀內(nèi)同時(shí)在不同固結(jié)應(yīng)力下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)采用WG1B型三聯(lián)中壓固結(jié)儀，具體試驗(yàn)方案和試樣尺寸見(jiàn)表2。

土樣固結(jié)后，為獲得濕化前的飽和度，需卸載，取出土樣稱重后再迅速歸位加載，2 h后加水濕化，具體流程見(jiàn)圖1。土樣固結(jié)48 h后，沉降量均小于0005 mmh，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程SL 2371999》，可認(rèn)為土樣已達(dá)到穩(wěn)定。但圖2中固結(jié)段最后仍有沉降，這主要是水分散失引起土樣干縮的影響。土樣重新加載2 h后已達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)始加水濕化。這里假定土樣再加載2 h后狀態(tài)與卸載前相同。不同荷載模擬心墻在原位受到的固結(jié)應(yīng)力，濕化模擬水庫(kù)的蓄水過(guò)程。

13土相指標(biāo)計(jì)算方法

本文初始孔隙比e和初始飽和度Sr均為土樣濕化前的狀態(tài)，且考慮了固結(jié)沉降的影響。具體計(jì)算如下：土粒體積Vs=MsGs，Gs為土粒比重；孔隙水體積Vw=Mwρw，ρw為水的密度；孔隙水質(zhì)量Mw=M-Ms，M為總質(zhì)量，濕化前取出試樣獲得；總體積V=Sh0，S為環(huán)刀界面積，h0為試樣凈高度；h0=h-δh，h為環(huán)刀高度，δh為固結(jié)穩(wěn)定的沉降量。綜上，可按定義求得孔隙比e=VvVs=（V-Vs）Vs，飽和度Sr=VwVv。需要指出，雖然按最優(yōu)含水率制樣，但由于制樣和固結(jié)過(guò)程水分的散失，實(shí)際濕化前土樣含水率僅在約14%～17%范圍內(nèi)。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

21濕化變形時(shí)程曲線分析

圖3-圖5為不同固結(jié)應(yīng)力下不同初始孔隙比土樣濕化變形時(shí)程曲線，為節(jié)省篇幅，將兩種應(yīng)力下的曲線放在一起。曲線時(shí)間零點(diǎn)設(shè)定在土樣加水濕化的時(shí)刻。[JP3]在側(cè)向約束下，土樣僅發(fā)生豎向變形，體變?chǔ)臶WTB1X]v[WT]僅反映軸向變形，與三軸試驗(yàn)中的體變是有區(qū)別的。

從圖3可以看出，50 kPa和100 kPa應(yīng)力下，大部分土樣發(fā)生膨脹，且隨著e的增大，膨脹量減小，直到出現(xiàn)收縮。值得注意的是，土樣（e=0671和e=0710）出現(xiàn)由膨脹到壓縮的轉(zhuǎn)變。土樣（e=0710）在濕化初期，變形表現(xiàn)為膨脹，到08 h后，變形速率降為零，曲線出現(xiàn)一個(gè)短暫的平臺(tái)，大約持續(xù)20 min，隨著濕化的繼續(xù)，土樣變形表現(xiàn)為壓縮。

圖4可以看出，在150 kPa應(yīng)力下，e較大時(shí)（e=0696和e=0711），土樣表現(xiàn)為明顯的壓縮；而e較小時(shí)（e=0606）土樣表現(xiàn)為膨脹；在兩者之間的土樣（e=0647）表現(xiàn)為初期膨脹，后期壓縮。

在200 kPa應(yīng)力下，試樣變形規(guī)律和150 kPa的情況基本一致：e較大的試樣（e=0746）表現(xiàn)為明顯的壓縮，e較小的試樣（e=0604）有體積膨脹的跡象，但應(yīng)力的作用越來(lái)越明顯。首先，對(duì)e較小的土樣（e=0604），雖然有膨脹的跡象，但膨脹整體不明顯。其次，雖然土樣（e=0681和e=0650）在初期存在膨脹的趨勢(shì)，但無(wú)論是膨脹時(shí)間還是膨脹量均相對(duì)較短小，總體上仍表現(xiàn)為壓縮。

在300 kPa和400 kPa應(yīng)力下（圖5），土樣均表現(xiàn)為壓縮，且壓縮量隨e的增大而增大。此時(shí)，應(yīng)力對(duì)變形起主導(dǎo)作用，試件內(nèi)部孔隙塌陷引起的體積收縮遠(yuǎn)大于黏土顆粒吸水引起的體積膨脹，土樣宏觀表現(xiàn)為壓縮。

22濕化變形的影響因素分析

為便于分析，整理不同豎向荷載的土樣濕化體積應(yīng)變?chǔ)臶WTB1X]v、初始孔隙比e和飽和度Sr關(guān)系，如圖6所示。圖中ε[WTB1X]v[WT]用折線表示，水平虛線ε[WTB1X]v[WT]=0以上代表體積收縮，水平虛線以下則膨脹。

從圖6可以看出，應(yīng)力對(duì)試樣變形影響明顯：隨著應(yīng)力的增加，試樣由膨脹逐漸變?yōu)槭湛s，且收縮量隨著應(yīng)力的增加而增大。對(duì)于低應(yīng)力水平（比如50 kPa、100 kPa），試樣主要表現(xiàn)為膨脹；對(duì)于高應(yīng)力水平（比如300 kPa、400 kPa），試樣則全部為收縮。同一應(yīng)力下，試樣隨e的增加收縮量增加。

此外，體變?chǔ)臶WTB1X]v[WT]（圖6中折線）在200 kPa出現(xiàn)一個(gè)峰值，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的e較大，這說(shuō)明當(dāng)應(yīng)力達(dá)到200 kPa后，ε[WTB1X]v[WT]對(duì)e更加敏感，較大的e可能會(huì)導(dǎo)致很大的變形。因此在土石壩心墻填筑時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制孔隙比的范圍，過(guò)大的孔隙比會(huì)導(dǎo)致濕化時(shí)產(chǎn)生大變形，這對(duì)工程不利。

為進(jìn)一步分析應(yīng)力σ1和初始孔隙比e對(duì)濕化變形εv的影響，繪制不同σ1下εv-e曲線，見(jiàn)圖7。因200 kPa下εv有峰值，在分析時(shí)不予考慮?？梢钥闯?，不同σ1下的各點(diǎn)可近似用直線擬合。設(shè)εv-e擬合直線的斜率和截距分別為a和b。顯然a和b[JP3]隨σ1Pa的變化而變化，故點(diǎn)繪a-σ1Pa和b-σ1Pa關(guān)系，見(jiàn)圖8，也可用直線擬合。故ε[WTB1X]v[WT]隨e和σ1的變化可近似用下式表示：

ε[WTB1X]v[WT]=[JB（（]a[WTB1X]v[WT][SX（]σ1[]Pa+b[WTB1X]v[WT]e+[JB（（]c[WTB1X]v[WT][SX（]σ1[]Pa+d[WTB1X]v[WT]（1）

式中：參數(shù)a[WTB1X]v[WT]，b[WTB1X]v[WT]，c[WTB1X]v[WT]和d[WTB1X]v[WT]分別等于2787，11812，-0501和-9751。endprint

文獻(xiàn)[17]根據(jù)廣義吸力[22]的定義，給出了廣義吸力us[KG-3]′的建議表達(dá)式，認(rèn)為us[KG-3]′與孔隙比和應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，并給出了廣義吸力喪失引起變形的估計(jì)式。本文（1）式也包含孔隙比和應(yīng)力狀態(tài)，但估計(jì)的變形不僅包含廣義吸力喪失的變形，還包含晶格本身的脹縮變形，是宏觀的估計(jì)，對(duì)實(shí)際工程土體的濕化變形預(yù)測(cè)有一定的參考作用。

23濕化變形穩(wěn)定時(shí)間影響

整理不同荷載下試樣濕化變形穩(wěn)定時(shí)間見(jiàn)圖9，土樣初始孔隙比e用折線表示。可以看出，試樣濕化變形穩(wěn)定時(shí)間t0受固結(jié)應(yīng)力影響明顯，隨著應(yīng)力的增加，t0大體呈增大趨勢(shì)。同一應(yīng)力下，初始孔隙比e不同，t0也不同：低壓應(yīng)力下，t0隨著e的增大會(huì)減??；高壓應(yīng)力下，t0隨e的增加先增大后減小。

應(yīng)力對(duì)t0的影響可從滲透系數(shù)方面解釋。已有研究表明，滲透系數(shù)是孔隙比的函數(shù)，其值取決于孔隙的大小和空間分布?？紫侗仍叫?，滲透系數(shù)越小。在應(yīng)力作用下，較大且不穩(wěn)定的孔隙首先被壓縮，土體的滲透系數(shù)急速下降，且其下降速度遠(yuǎn)大于孔隙比的下降速度。滲透系數(shù)的下降導(dǎo)致濕化過(guò)程減緩。

初始孔隙比e對(duì)t0的影響也可從滲透系數(shù)考慮：隨著e的增加，水分進(jìn)入土體變得容易，土體濕化穩(wěn)定的時(shí)間會(huì)加快，因而t0會(huì)減小。高壓應(yīng)力下，e小的土樣t0反而小，這可能是由于e較小，土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且飽和度Sr較高（見(jiàn)圖9中虛折線），水分進(jìn)入土樣困難，導(dǎo)致其穩(wěn)定較快。

24初始飽和度對(duì)濕化變形量影響

濕化過(guò)程中，初始飽和度Sr對(duì)體積應(yīng)變?chǔ)臶WTB1X]v[WT]的影響相對(duì)復(fù)雜。試驗(yàn)得到的Sr與ε[WTB1X]v[WT]之間的關(guān)系并不符合Tadepalli和Fredlund[24]所描述的簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

圖10中給出了低應(yīng)力下初始飽和度Sr與體積應(yīng)變?chǔ)臶WTB1X]v[WT]的關(guān)系。實(shí)際孔隙比e和飽和度Sr會(huì)互相影響，二者呈負(fù)相關(guān)（見(jiàn)圖6，圖9），為了消除e的影響，每組曲線選取e大小相近的數(shù)據(jù)，浮動(dòng)范圍不超過(guò)002，圖10土樣e均為07±002，圖12的處理與此類似。結(jié)果顯示，試樣Sr與ε[WTB1X]v[WT]可能存在非線性關(guān)系，可用多項(xiàng)式擬合，對(duì)給定的e和應(yīng)力，可能存在“最優(yōu)初始飽和度”使得試樣在濕化過(guò)程中膨脹最小。

圖10中的曲線可從微觀方面進(jìn)行解釋。當(dāng)飽和度較低時(shí)（圖11（a）），土的基質(zhì)吸力較大，收縮膜提供的張力將土顆粒緊緊拉住，土體孔隙結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，濕化過(guò)程中，基質(zhì)吸力減小導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生的收縮量相對(duì)較小，因而總體表現(xiàn)為膨脹量隨飽和度的增大而減小。另一方面，當(dāng)土樣本身飽和度較高時(shí)（圖11（b）），土樣濕化時(shí)基質(zhì)吸力變化不大，因而孔隙結(jié)構(gòu)的破壞較少，膨脹量會(huì)略微增大，但由于飽和度高，濕化需要的水分較少，因而總體上膨脹量還是小于飽和度較低的試樣。

在高應(yīng)力下，由于應(yīng)力對(duì)變形起主要控制作用，土樣的微觀孔隙結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性變得十分重要。Sr較低時(shí)，土樣的基質(zhì)吸力較大，在濕化過(guò)程中，Sr的變化導(dǎo)致“有效應(yīng)力”變化較大，因而宏觀表現(xiàn)為εv較大。隨著飽和度的增大，土樣的基質(zhì)吸力變化減小，εv減小。

3討論

土體作為顆粒材料，濕化變形主要取決于微觀結(jié)構(gòu)（宏觀上可通過(guò)初始孔隙比及孔隙分布描述），應(yīng)力和初始飽和度。較高的孔隙比，通常預(yù)示著不穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)。在濕化過(guò)程中，一方面隨著飽和度的增加，基質(zhì)吸力下降，土體失去“圍壓效應(yīng)”，“有效應(yīng)力”降低，導(dǎo)致其強(qiáng)度下降[2526]；另一方面，水分進(jìn)入土顆粒之間，形成一層潤(rùn)滑的水膜，削弱了土顆粒間的有效接觸，使得土體中的孔隙結(jié)構(gòu)不再穩(wěn)定。兩方面的共同作用下，土體孔隙結(jié)構(gòu)破壞造成體積收縮。相反，初始孔隙比較小，土體孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，土體的壓縮性小。吸水過(guò)程中，土體孔隙結(jié)構(gòu)破壞較小，土體礦物成分膨脹占主導(dǎo)地位，宏觀上表現(xiàn)為膨脹。

土體表現(xiàn)為膨脹還是收縮，主要取決于黏土濕化引起的膨脹量和孔隙結(jié)構(gòu)破壞引起的壓縮量的大小。吸水膨脹量通常有以下因素控制：（1）土體中黏粒（蒙脫石）含量，含量越高，體積膨脹越大；（2）初始含水量，其值越高，體積膨脹量越?。唬?）微觀結(jié)構(gòu)，即土體顆粒的排列，穩(wěn)定的土體微觀結(jié)構(gòu)會(huì)增大土體的宏觀體積膨脹量。而土體的收縮除受所處應(yīng)力影響外，還取決于微觀孔隙結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定均勻的微觀結(jié)構(gòu)可有效地降低微觀孔隙破壞，因而減小宏觀體積壓縮量。

4結(jié)論

本文通過(guò)恒壓濕化試驗(yàn)，研究了土樣濕化過(guò)程，濕化變形量及濕化穩(wěn)定時(shí)間的影響因素，對(duì)初始飽和度與變形量的關(guān)系進(jìn)行了探討，主要結(jié)論如下：

（1）低應(yīng)力（50 kPa，100 kPa）下，試樣濕化曲線主要為膨脹，隨著初始孔隙比e的增加，膨脹量減小，并逐漸變?yōu)槭湛s。高應(yīng)力（300 kPa，400 kPa）下，試樣均收縮，且收縮量隨e的增加而增大。建立了濕化變形與應(yīng)力、初始孔隙比之間的關(guān)系式，可在工程上對(duì)土體濕化變形進(jìn)行初步估計(jì)。

（2）試樣濕化穩(wěn)定時(shí)間t0受應(yīng)力、初始孔隙比e影響明顯。t0大體隨應(yīng)力的增加而增大。低應(yīng)力下，t0隨e的增大而減小；高應(yīng)力下，t0隨e的增加先增大后減小。

（3）試樣濕化體積應(yīng)變受初始飽和度Sr影響較大。低應(yīng)力下，試樣膨脹量隨Sr先減小后增大，可能存在“最優(yōu)初始飽和度”，使得試樣的膨脹量最小。高應(yīng)力下，試樣收縮量隨Sr的增大而減小，二者可近似用直線擬合。

（4）本試驗(yàn)僅初步分析了試樣濕化變形的影響因素，后續(xù)仍需通過(guò)試驗(yàn)對(duì)結(jié)論予以驗(yàn)證，并借助理論分析和模型建立等手段開(kāi)展相關(guān)定量分析，以便將成果運(yùn)用到實(shí)際工程中。

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