劉漢東，李 信，劉海寧，張亞峰

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

福建省為地質災害多發(fā)區(qū)，其中暴雨型滑坡地質災害尤為突出，點多、分布廣、規(guī)模小，多為土質滑坡，約占滑坡總數(shù)的95%以上;在土質滑坡中，95%以上是淺層土質滑坡(滑體厚度小于6 m)［1］． 由于福建省氣候濕熱，風化作用強烈，斜坡上殘積土發(fā)育．殘積土為巖石風化后殘留在原地的風化物，土體結構較松散，透水性較好，暴雨后大量雨水的入滲，引起殘積土體的非飽和狀態(tài)發(fā)生變化，含水量增大，飽和度增加，吸力銳減，進而引起抗剪強度大幅度下降，容易誘發(fā)淺層滑坡［2］．

根據(jù)非飽和土力學理論，非飽和土中存在的基質吸力對土的強度、滲流和變形等都有著十分重要的影響，也是非飽和土研究的核心問題［3］． 目前有很多學者采用不同方法研究邊坡穩(wěn)定性與土體基質吸力的關系．黃潤秋等［4］根據(jù)普遍極限平衡分析法公式推導出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨基質吸力的變化關系，說明基質吸力的減小會導致邊坡穩(wěn)定系數(shù)的減?。畢强〗艿龋?］通過試驗和穩(wěn)定分析的計算程序，繪制了邊坡安全系數(shù)和基質吸力的關系曲線，得出基質吸力對邊坡穩(wěn)定有著顯著影響的結論，并且揭示了由于降雨和地下水位上升引起的基質吸力下降及消失將誘發(fā)滑坡的機理． 羅曉輝等［6］在土坡極限平衡分析法中把基質吸力考慮進去，結果表明當降雨入滲時，基質吸力的減小會導致土體條間作用力的下降，是降雨期間土坡失穩(wěn)的一個重要原因．由此可見，研究土體的基質吸力對邊坡穩(wěn)定性分析及揭示滑坡機理至關重要．

從20 世紀60 年代至今，國內(nèi)外學者對基質吸力的量測和評估做了大量的研究工作． 非飽和土的基質吸力測量主要有直接測量法和間接測量法兩種．常用的直接測量法包括濕度計、張力計、軸平移技術等;間接測量法有探針法、時域反射法、電導傳感器法、熱導傳感器法、濾紙法、電容式吸力儀法、粒基傳感器法［7－9］等． 劉國楠［10］、白福青［11］和黃志全［12］等分別采用改進的三軸儀法、濾紙法和GDS量測膨脹土的基質吸力與含水量的關系;黨進謙等［13］采用壓力板儀、李永樂等［14］采用改進的三軸儀以及齊明山等［15］采用GDS 分別量測出非飽和黃土的基質吸力與含水量的關系;劉小文、陳東霞等［16－17］采用濾紙法分別量測了非飽和紅土、重塑殘積土的基質吸力與含水量的關系;劉海寧等［18－19］采用應力應變式非飽和土三軸儀量測了重塑粉質黏土的基質吸力與含水量的關系．

GDS 三軸試驗系統(tǒng)是利用軸平移技術對基質吸力進行測量．該儀器自動化程度高，測量精度高，它能靈活地控制圍壓、反壓、軸壓和氣壓，對所有試驗數(shù)據(jù)采用全自動電腦采集并能進行適當?shù)奶幚?，而且它還具有很強的穩(wěn)定性，在不斷電情況下能長時間運行數(shù)星期．為了解福建省降雨滑坡帶的非飽和原狀殘積土基質吸力隨含水量變化的規(guī)律，筆者采用GDS 三軸試驗系統(tǒng)對一系列具有不同含水量的非飽和原狀殘積土試樣的初始基質吸力進行測定，得到了初始基質吸力隨時間和含水量變化的規(guī)律．

1 土樣的基本物理性質指標

此次試驗土樣取自福建省西北部原狀殘積土．取土深度1．85 ～2．10 m，土呈紅褐色，硬塑狀態(tài)，天然含水量為29． 2% 左右，天然密度為1． 72 ～1．74 g/cm3，天然孔隙比為1．03，有蟲孔、細樹根和草根、少量蝸牛殼和蟻穴，土質較均勻．

通過室內(nèi)試驗測得該土的基本物理性質指標如下:塑限Lp=27%，液限Ll=52%，塑性指數(shù)Ip=25．顆粒分析結果表明:試驗用土大于0．075 mm 的顆粒含量不超過總量的50%，不含大于2 mm 的顆粒，且不均勻系數(shù)Cu=49．3，曲率系數(shù)Cc=1．43． 福建地區(qū)花崗巖殘積土中的黏性土大致分3 類:殘積黏性土、砂質黏性土和砂礫質黏性土［20］． 結合此次試驗土樣的外觀特征以及土的物理性質指標，可以初步判斷試驗土樣為殘積黏性土．

2 試驗過程

該試驗在英國GDS 公司生產(chǎn)的全自動靜三軸和應力路徑測試系統(tǒng)(GDSTTS)上進行． 設備主要由3 部分組成:壓力室、加壓系統(tǒng)和量測采集系統(tǒng)，如圖1 所示．加壓系統(tǒng)共有4 套，分別來提供軸壓、圍壓、反壓和孔隙氣壓．4 套加壓系統(tǒng)均與數(shù)據(jù)采集板和壓力室相連，數(shù)據(jù)采集板用于數(shù)據(jù)采集和控制試驗所用的GDSLAB 模塊軟件等，所有測量數(shù)據(jù)均由計算機采集．

圖1 GDS 三軸試驗系統(tǒng)

2．1 試驗原理

利用壓力室底座上的高進氣值陶土板來測量土樣的基質吸力．該陶土板由高嶺土焙燒而成，具有許多均勻小孔，允許水透過而不允許空氣透過．充水飽和后，在陶土板上形成收縮膜，將陶土板表面的小孔聯(lián)結起來阻擋空氣通過，其上、下的空氣壓力與水壓力之差即為基質吸力［21］．

2．2 試樣的制備

按照《土工試驗規(guī)程》(SD 128—84)用適合的削土器將從現(xiàn)場取回的土樣削制成高度為100 mm，直徑為50 mm 的圓柱形． 此次試驗共取5 組含水量，分別為17．8%，26．3%，29．0%(接近天然含水率)，31．7%和36．0%．試驗時根據(jù)設定的含水量求出相應的需水量或減水量，分別用水膜轉移法［22］和風干法控制含水量．

2．3 試驗步驟

2．3．1 試驗前準備

1)制備蒸餾水． 為了提高試驗的精度，要求用無氣水(如蒸餾水)．因此，要制備蒸餾水．

2)飽和陶土板． 試驗前要使陶土板飽和，具體操作是:把陶土板擦干凈，打開陶土板底座閥門，利用反壓排水直至該閥門均勻流水且無氣泡冒出，停止反壓排水并擰緊該閥門． 然后在陶土板上面包一層保鮮膜并用橡皮帶纏緊，防止水分蒸發(fā)，再用反壓控制器施加30 kPa 的壓力于陶土板底部(壓力不能超過50 kPa，否則影響陶土板使用性能)，并保持該級壓力直至陶土板上表面形成一層均勻連續(xù)的水膜．

2．3．2 裝 樣

裝樣前將傳感器和控制器上各項指標清零，抹去陶土板上的水膜，將試樣置于陶土板上，通過陶土板將試樣與孔隙水壓力量測系統(tǒng)(即反壓控制器)相連，測出土樣孔隙水壓力．試樣的另一端與試樣帽相連，進而與氣壓控制器相連，以施加孔隙氣壓力．

2．3．3 初始基質吸力的測定

為了防止土樣的含水量較低時，負孔隙水壓力超過70 kPa 出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象而影響孔隙水壓力的量測精度，試驗中采用了軸平移技術［3］． 軸平移技術就是人為地提高孔隙氣壓力，與此同時孔隙水壓力也隨之平移提高，而二者之間的差值(即為基質吸力)卻保持不變．孔隙水壓力被增加到正值，就能夠更精確地對基質吸力進行量測．

具體操作是:在裝樣完成和開始設置試驗階段前，先關閉反壓排水閥門;然后分階段緩慢施加圍壓和孔隙氣壓(確保圍壓約大于孔隙氣壓5 kPa)，保持孔隙氣壓力恒定，用孔隙水壓力傳感器量測孔隙水壓力，觀察孔隙水壓力的變化，直至其趨于穩(wěn)定．氣壓力與穩(wěn)定的水壓力的差值即為該試樣的基質吸力．在這個過程中，孔隙水排泄閥門(即反壓控制器閥門)始終處于關閉狀態(tài)．

3 試驗結果及分析

圖2 為含水量ω 分別為17． 8%，26． 3%，29．0%，31．7%和36．0%的5 組土樣所對應的初始基質吸力隨時間變化的曲線．

圖2 5 種含水量下初始基質吸力隨時間的變化曲線

由圖2 可知，在試驗后較短時間內(nèi)所有曲線上升至最大值，而后隨著時間的延長，曲線逐漸下降，趨于一個穩(wěn)定值．出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，是因為試樣剛被放置于陶土板底座上，孔隙水壓力傳感器即開始量測試樣中的孔隙水壓力，而此時孔隙氣壓力還未被及時提高，即孔隙氣壓力相對于大氣壓保持為零，這樣量測出來的孔隙水壓力為負值并且負值會越來越大，基質吸力(孔隙氣壓力與孔隙水壓力之差)就越來越大，直到采用軸平移技術增加孔隙氣壓力．但剛開始施加孔隙氣壓力時，增加的孔隙氣壓力并不能阻止孔隙水壓力的減小(即負值越來越大)，因此基質吸力持續(xù)增大最后達到峰值．一定時間后，孔隙氣壓力的增加速度超過孔隙水壓力的減小速度，使得孔隙水壓力開始逐漸增加，此時基質吸力由峰值開始減小，并逐漸趨于穩(wěn)定值．

此次試驗通過對原狀土樣初始基質吸力的測定，得到了土樣5 種含水量(17． 8%，26． 3%，29．0%，31．7%和36．0%)分別對應的初始基質吸力值，即:450，320，220，90，10 kPa．

根據(jù)試驗結果可以得出土樣初始基質吸力與含水量的關系曲線，如圖3 所示． 從圖3 可以看出，土樣含水量越大，初始基質吸力越小;土樣含水量越小，初始基質吸力越大;且初始基質吸力隨含水量的變化比較敏感，隨著含水量的增大基質吸力呈現(xiàn)出急劇減小的趨勢，當含水量ω =17．8%時基質吸力約450 kPa，當含水量增加到ω=36．0%時基質吸力銳減到10 kPa．

圖3 初始基質吸力與含水量的關系曲線

單個試樣所需試驗時間很長，由于時間所限，該試驗中設置的含水量組數(shù)較少，不能完整、精確地說明非飽和土基質吸力和含水量的關系． 但是此次試驗具有驗證性作用，測得的初始基質吸力將會給實際工程應用提供一定的幫助．

4 結 語

1)利用GDS 三軸試驗系統(tǒng)初步量測了不同含水量原狀殘積土的初始基質吸力，這為殘積土邊坡的穩(wěn)定性分析及揭示其滑坡機理奠定了基礎．

2)試驗結果表明土樣的初始基質吸力在試驗的初始階段迅速增大并達到峰值，而后隨著時間延長，逐漸減小，并趨于一個穩(wěn)定值．

3)試驗得到5 組含水量17．8%，26．3%，29．0%，31．7%和36．0%分別對應的初始基質吸力為450，320，220，90，10 kPa，由初始基質吸力與含水量的關系曲線可知土樣的基質吸力隨著含水率的增大而減小．

4)該試驗中的含水量組數(shù)較少，還有待增加，以進一步量測初始基質吸力并為工程實際應用提供更加全面和有力的幫助．

［1］何永金． 福建省主要地質災害的特點、成因及其對策［J］．福建地質，1995，14(4):263 －271．

［2］陳善雄，譚新，柳治國． 降雨條件下土質邊坡穩(wěn)定性預測預報方法［J］．巖土力學，2002，23(增刊1):31 －36．

［3］Fredlund D，Rahardjo H．非飽和土土力學［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版，1997:256 －278．

［4］黃潤秋，戚國慶．非飽和滲流基質吸力對邊坡穩(wěn)定性的影響［J］．工程地質學報，2002，10(4):343 －348．

［5］吳俊杰，王成華，李廣信． 非飽和土基質吸力對邊坡穩(wěn)定的影響［J］．巖土力學，2004，25(5):732 －736．

［6］羅曉輝，葉火炎．考慮基質吸力作用的土坡穩(wěn)定性分析［J］．巖土力學，2007，28(9):1919 －1922．

［7］王釗，鄒維列，李俠．非飽和土吸力測量及應用［J］． 四川大學學報:工程科學版，2004，36(2):1 －6．

［8］龔壁衛(wèi)，宋建平，周武華． 非飽和土的吸力測試與現(xiàn)場觀測技術［J］． 地下空間與工程學報，2007，2(6):1019 －1024．

［9］陳正漢，孫樹國，方祥位，等．非飽和土與特殊土測試技術新進展［J］．巖土工程學報，2006，28(2):147 －169．

［10］劉國楠，馮滿． 三軸試驗中非飽和土試樣吸力的量測［J］．巖土工程學報，1994，16(5):11 －15．

［11］白福青，劉斯宏，袁驕．濾紙法測定南陽中膨脹土土水特征曲線試驗研究［J］． 巖土工程學報，2011，33(6):928 －933．

［12］黃志全，李明霞，劉瑩瑩．南水北調中線工程禹州段膨脹土的非飽和性質研究［J］．華北水利水電學院學報，2013，34(4):17 －20．

［13］黨進謙，李靖． 非飽和黃土含水量與基質吸力的關系［J］．水土保持通報，1995，15(4):39 －42．

［14］李永樂，張紅芬，佘小光，等． 原狀非飽和黃土的三軸試驗研究［J］．巖土力學，2008，29(10):2859 －2863．

［15］齊明山．基于GDS 的原狀黃土性狀試驗研究［D］． 西安:長安大學，2003．

［16］劉小文，常立君，胡小榮．非飽和紅土基質吸力與含水率及密度關系試驗研究［J］．巖土力學，2009，30(11):3302 －3306．

［17］陳東霞，倪健，張馬秀，等． 廈門地區(qū)非飽和殘積土抗剪強度試驗研究［J］． 廈門大學學報:自然科學版，2012，51(5):877 －881．

［18］劉海寧，姜彤，劉漢東，等． 非飽和土滲透函數(shù)方程的間接確定［J］．巖土力學，2004，25(11):1795 －1799．

［19］劉海寧，王俊梅，王思敬，等． 黃河下游堤防非飽和土邊坡滲流分析［J］． 巖土力學，2006，27 (10):1835 －1840．

［20］楊茂長． 福建沿海地區(qū)花崗巖殘積土工程特性探討［J］．資源環(huán)境與工程，2010，24(1):41 －43．

［21］Agus S S，Leong E C，Rahardjo H．Soil-water characteristic curves of Singapore residual soils［J］．Geotechnical ＆Geological Engineering，2001，19(3/4):285 －309．

［22］吳炳焜．蘭州黃土的變形性質和抗剪強度［C］∥土力學與基礎工程論文選集．北京:鐵道出版社，1998．