非饱和土失水过程轴向位移变化研究
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《工程地质学报》2016年第5期
摘要：
随着地下空间的大力开发，基坑降水导致的地面沉降对周边建筑物稳定性及地下管道系统产生一定影响，开始引起国内外学者的关注。本文选择武汉地区典型粉土，采用土－水特征曲线压力板仪开展失水过程的土－水特征曲线试验，得到了非饱和土的土－水特征曲线;质量含水率、轴向位移随基质吸力的变化规律及误差修正;不同基质吸力作用下含水率和轴向位移随时间的变化规律。根据测定曲线，非饱和土含水率随基质吸力的增大而减小，达到残余含水率时不再变化;随着基质吸力的增加，土体失水收缩，轴向位移增大，达到残余含水率时不再变化;加压过程中不仅有轴向变形，还伴随有一定径向变形。除此，对仪器本身及试验过程中可能出现的误差进行了详细的分析，为压力板仪试验提供参考依据。
关键词：
非饱和土；土水特征曲线；基质吸力；含水量；轴向位移
0引言
随着城市建设的高速发展，基坑工程越来越深，传统放坡开挖已经不能满足基坑施工要求，越来越多的支护开挖被采用，而支护开挖必然伴随着降水。降水过程中，抽水引起含水率降低，使得地层中原本处于饱和状态的土层变成非饱和状态，而太沙基一维固结理论用于饱和土层在渗透固结过程中任意时间的变形，对于已经处于非饱和状态的土层的沉降及变形并不适用。因此，研究非饱和土的土水特征曲线及轴向位移的变化规律，对实际工程中地面沉降的预测有一定的必要。土中吸力的理论概念是从土壤物理学中发展过来的，基质吸力为土中水自由能的毛细部分———它是通过量测与土中水处于平衡的部分蒸气压(李保国，2008)，即相对于与溶液(具有与土中水相同成分)处于平衡的部分蒸气压而确定的等值吸力，其值等于孔隙气压力与孔隙水压力之差。非饱和土是多相混合物，除了固相、气相和液相外，土中水、气分界面也应看作是另一个独立相，称之为收缩膜(Fredlundetal．，1977，1994)。正是由于收缩膜的存在，不能像对饱和土一样，在描述应力状态时用有效应力(Bishopetal．，1960)这个应力变量，而应使用基质吸力s，所以研究非饱和土，对基质吸力的测量显得尤为重要。李志清等(2007)介绍了6种测量非饱和土土水特征曲线的方法及其适用范围，分别是体积压力板仪法、盐溶液法、Temple仪法、滤纸法、Dew-point电位计法、TDR探头法。很多学者对非饱和土土水特征曲线(李志清，2006;张钦喜，2012;王晓峰，2014)、本构关系(戚国庆等，2015)方面做了深入研究。栾茂田等(2005)基于热力学理论和几何分析建立了等直径球形土粒之间的弯液面方程，并通过迭代求解从理论上确定了基质吸力，以此提出了等效基质吸力和广义土－水特征曲线;缪林昌等(1999)提出的非饱和土抗剪强度的双曲模型能很好地描述吸力与抗剪强度的关系;胡波等(2008)通过珞珈山土样的土－水特征曲线试验和非饱和三轴剪切试验对非饱和土强度公式进行比较研究，验证了非饱和土双变量强度公式的适用性;周葆春等(2010)得出Mohr-Coulomb破坏包面是双向弯曲的结论;王世梅等(2008)利用能够控制基质吸力的4联式非饱和土直剪仪，建立了能够同时反映固结应力、基质吸力和含水率之间关系的函数表达式，弥补了其他方法不能考虑固结应力的缺陷，对补充和发展土－水特征曲线试验和理论具有重要意义。但对于轴向位移随基质吸力的变化(戚国庆等，2015)却鲜有人研究。而在实际基坑工程应用中，由于基坑降水，即土体失水引起土颗粒相互靠拢，地基土变密实而收缩产生轴向位移，导致的地基沉降，尤其是不均匀地基沉降对周边建筑物的地基基础稳定性造成威胁，更会对被称为“城市生命线”的供水、供电、供热、输油、燃气等公共管道设施的安全产生不利影响。本文除了在前人的研究基础上，模拟实际工程中抽水时含水率的变化引起基质吸力的变动，对试样进行了土水特征曲线的测定试验，研究土样的持水能力及孔隙水变化引起的土体轴向位移。
1试验
用土基本物理指标试验用土在位于武汉市青山区建设五路、建设六路之间的勘察现场取得，其地貌单元属于长江Ⅰ级阶地。试验用土基本物理力学指标和颗粒粒径级配如表1和表2所示，以粒径范围在0.075～0.005mm的粉粒为主，属粉土。
2土水特征曲线压力板仪试验方案
2.1试验设备简介
土水特征曲线(SWCC)是非饱和土的一个重要基本性质，表征土体在一定应力状态、不同吸力下的持水能力。试验所用仪器为土水特征曲线压力板仪，产于Geo-experts公司，型号为1D-SDSWCC，是一套简便易用的非饱和土试验装置(图1)。该设备有两个用途:研究在一定应力状态下非饱和土的基质吸力与含水量或饱和度之间的曲线关系;研究在一定应力状态下，非饱和土的不同基质吸力作用下，轴向位移随时间的变化规律。设备组成:由①垂直气动加载系统，②加载杆，③压力室、出水系统(包括位于压力室底部的进气值为5bar的陶土板，④出水管道，⑤防蒸发高精度电子天平，⑥双精度压力表与调节器、计算机，⑦轴向位移传感器(与电子天平和数据采集器相连)等几部分组成。
2.2试验原理
试验中，陶土板与土样紧密接触，土中水与陶土板、出水管连通，孔隙气压与孔隙水压差值实际不变，即可认为所加围压就是基质吸力的值，这就是轴平移技术。在实验室做非饱和土试验时，为避免测量低于零绝对压力的孔隙水压力，通常采用轴平移技术。加第一级气压时，土样为了保持与压力室的基质吸力平衡，不断排出土中水，随着土样含水率的减小，土样与压力室吸力平衡，出水稳定;再施加下一级气压，基质吸力平衡后不再出水，如此循环至施加最后一级基质吸力。其中不同基质吸力下对应的质量含水率的确定方法为:ω=m1－m2－m3－m0m3－m0×100%(1)式中，ω为质量含水率(%);m1为饱和环刀样质量(g);m2为出水量(g)，为该压力作用下电子天平前后读数之差;m3为烘干后环刀样质量(g);m0为环刀质量(g)。
2.3试验方案
应力状态:初始一维竖向应力K0为零，模拟的是不受上覆地层土荷载的地表土。考虑到粉土进气值一般很小，故在对吸力进行分级时，刚开始的吸力值较小且分布较密集，以0.1bar、0.2bar、0.3bar、0.5bar、1.0bar、1.5bar、2.0bar、2.5bar逐级对试样和陶土板进行加压。
2.4试验步骤
(1)试样制备。用该设备配套的内径为71mm、高为20mm的环刀切取原状样。称取环刀及环刀样的质量，放入保湿缸以备用。土样的饱和采用抽气饱和。
(2)饱和陶土板。如图2a所示，用洗耳球将陶土板表面冲洗干净，吸干表面水，在压力室中加水至其三分之一，封闭压力室，施加2bar的围压。每隔6个小时打开压力室底座的进水阀门与出水阀门以排除陶土板内气泡，反复2～3d，直至不再有气泡排出;
(3)试样安装。吸干陶土板表面水分，将环刀样置于陶土板上，环刀样顶部依次放置滤纸、已做饱和处理的透水石，底部紧密接触陶土板，将压力室顶盖拧紧，试样安装完毕。
(4)分级加压。按照试验方案对土样进行分级加压，待每级压力施加后观察出水量，若出水量在12h内不超过0.1g则可认为已达稳定状态，稳定后将出水量、轴位移数据导出，施加下一级气压。
(5)4.0bar气压加压后，待出水量稳定，导出数据，卸载压力，如图2b所示，拆开压力室顶盖，取出环刀样，称其质量。将环刀样置于烘箱里，106℃烘干48个小时，称取环刀样质量。
3成果分析
3.1含水率随基质吸力变化规律
基质吸力与质量含水率的关系(图3)，可以看出，在0.1bar到2.5bar的基质吸力作用下，随基质吸力的增加，土样出水，含水率总体呈逐步减小趋势;曲线斜率，即含水率减小速率在0～0.1bar压力下最大，随之逐渐变缓，直至1.0bar出现拐点，之后随着基质吸力的增加，含水率基本稳定，说明当达到残余含水率之后，含水率不随基质吸力的变化而变化。
3.2不同基质吸力对出水速率的影响规律
不同基质吸力下土样质量含水率随时间的变化曲线(图4)，可以看出:曲线斜率，即出水速率在0.1bar压力下最大，且0.1bar吸力下排出6.49g水，相当于总出水量的70%。加压初期，土中水从较大孔隙排出，出水量大，出水速率快;随着基质吸力不断增大，较大孔隙中水被排出，大孔隙被固体土颗粒占据，土样中水开始从小孔隙中排出，排水路径增加，排水量减小，排水速率变慢，出水稳定所需要的时间大幅度增加。图4b中，基质吸力为1.5bar时出现明显异常:从96h开始含水率异常增加，直到144h后才开始趋于稳定。
3.3轴向位移随基质吸力变化规律
试验开始时，调节气动垂直加载系统的高度，使加载杆与压力室顶盖正好接触上，当基质吸力的值较小时，如图5a，轴向位移随基质吸力增加而增加，且增加速率先大后小。刚加压时，大量排水，大孔隙被土颗粒占据，轴向变形相对较大，变化也较快;随着吸力的增大，土中水从小孔隙缓慢排出，其轴向变形量变小，变形速率变慢;当基质吸力增加到一定值时，压力室内相对较大的气压对压力室顶盖有一个向上的推力，使得轴向传感器不能正确反映土样真实轴向位移值(图5b)，0.5bar之后轴向位移因为压力室顶盖受到向上的推力而减小，之后位移量便在－0.03mm到0.05mm内波动。随着压力室压力的增加，压力室顶盖受到向上的推力增大，轴向位移传感器不能准确追踪土样在轴向的变形，导致很难测出准确的轴向位移，应该改进设备，使压力室顶盖能避免这种向上的推力。最后一级吸力加载完毕，出水稳定后，卸载取出土样时发现，土样已经和环刀脱离开来，说明在加载过程当中，土样不仅在轴向有位移，径向也有一定程度的收缩变形。当基质吸力较小(低于0.5bar)时，压力室顶盖不至于受到向上推力的影响，能准确反映试样轴向位移随基质吸力的变化规律。由图3可以看出，土样排水主要发生在0.1bar的压力下，反映在图6中，轴向位移也主要发生在0.1bar的压力下，0.1bar之后曲线开始变缓，即轴向位移随基质吸力的增加速率下降。随着基质吸力的增加，水－土之间的弯液面(收缩膜)的曲率半径减小，土颗粒相互靠近，孔隙率变小，土体收缩，即轴向位移变大。当基质吸力达到一定值时，压力室顶盖受到向上的推力增大，轴向位移传感器无法追踪土样在轴向的位移，致使曲线出现异常。将0.5bar后每级吸力作用下的位移分别加上0.3bar稳定时的轴向位移进行误差的初步修正，得到:与SWCC相对应，该曲线的拐点也出现在1.0bar，1.0bar之后轴向位移变动基本停止，即再施加围压，轴向也不会产生位移。
3.4轴向位移随含水率变化规律
图7中，按图6相同的方法对轴向位移随含水率变化规律进行初步修正，得到轴向位移随含水率的减小逐渐增大，达到残余含水率时不再有明显变化，这对于实际工程中地面沉降的预测有一定借鉴作用。对于具有团聚结构的非饱和土，其收缩变形一般分为结构收缩阶段、正常收缩阶段、残余收缩阶段、零收缩阶段等4个阶段。结构收缩阶段，团聚体间的大孔径失水收缩，团聚体之间更加密实，表现在轴向位移的增大及径向一定程度的变形;正常收缩阶段，孔隙的失水体积与收缩体积相等;残余收缩阶段，空气进入团聚体内部孔隙，土体孔隙继续收缩，但收缩速率减小;零收缩阶段，土体已达最密实状态，不再收缩。
4误差分析
4.1陶土板和透水石饱和
陶土板若没有充分饱和，试样在基质吸力的作用下排出的水将留在陶土板孔隙中，无法进入水体积测量系统，导致该基质吸力作用下含水率测量值比实际值大。试样安装时，环刀切口向上放置，下部与陶土板直接接触，上部的透水石应浸水2～3h，使其充分饱和后方可投入使用。若透水石没有充分饱和，在试验过程中透水石会从试样中吸水，虽吸进水量不大，仍会使含水率测量值较实际值偏大。
4.2气泡干扰
饱和陶土板时，需要时不时开启冲刷系统去除气泡。试验过程中，由于时间效应，空气通过高进气值陶土板下面的水扩散(刘奉银等，2010)，扩散空气积聚在陶土板下面且随陶土板下槽内水逸出，将给水体积变化的量测带来一定误差。在做一定应力状态下非饱和土的脱湿曲线和浸湿曲线试验时，若出水管中聚集了气泡，应及时开启冲刷系统冲刷气泡，否则在出水管聚集的气泡将会影响从试样中排出的水分进入集水瓶中。启用冲刷功能时要注意集水瓶中的水量，防止其出现溢水现象，更要防止集水瓶与水量超出电子天平的量程导致无法读数。
4.3蒸发效应
集水瓶瓶口预留的进水孔比进水管大，两者之间存在间隙，而整个试验耗时2～3月，每一级荷载作用下出水量很小，因此集水瓶进水口处产生的水分蒸发不容忽视。试验室应尽量减小集水瓶为出水管预留的孔径，以减少水分蒸发对试验的影响。另外，试验时采取空白对照试验的方法对蒸发效应带来的试验数据进行校正，空白对照试验的集水瓶要与试验所用集水瓶相同规格、相同预留孔径、相同瓶中预留水量，且两者应处于同一温度、湿度条件下，定时称取空白组的水分蒸发量，从而校对试验数据。另外，长时间置于压力室的土样自身也会有少量的蒸发。其蒸发的水汽凝结成水滴，附着于压力室侧壁，但由于压力室在试验过程中一直处于封闭状态，该误差无法避免。
4.4集水瓶摆放位置不当
试验时，出水管与陶土板底板应处于同一高度，集水瓶进水口高度一定要低于出水管的高度，利于排出的水顺利进入集水瓶。在试验中，如果集水瓶进水口的位置比出水管高，出水管中排出的水需克服一定的水头压力才能进入集水瓶，由于每级压力下试样出水量随时间的推移而出水量越来越少，导致排出的水无法进入集水瓶，从而造成一定的试验误差。因此，试验时应严格控制集水瓶孔口高度低于陶土板底部的高度，确保排出的水能有效地进入水体积测量系统。
4.5设备自身弊端所致误差
基质吸力达到一定值时，压力室顶盖因受到较大围压而产生向上推力，导致轴向位移传感器无法准确反映土样轴向位移值，设备有待改进，使压力室顶盖能避免这种向上的推力。
5结论
(1)土样的质量含水率随基质吸力的增加而减小;随着基质吸力的增加，含水率减小速率变小，出水稳定的时间增加;达到残余含水率时，基质吸力对含水率不产生影响。
(2)随着压力的增加，试样失水收缩，轴向位移变大，达到残余含水率时，轴向不再发生位移。
(3)加载过程不仅有轴向位移，还伴随有一定程度的径向收缩变形。
(4)试验过程中，陶土板和透水石饱和不到位、气泡干扰、水分蒸发、仪器摆放位置不当、设备自身弊端都会对试验结果产生一定误差，希望对今后的试验者有一定的借鉴作用。本文模拟的是地表土的轴向位移变化规律，更多不同负重土体的相关试验有待进一步完善。
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作者:时红莲 戴准 冯晓腊 单位:中国地质大学