边坡岩土强度试验研究

引言

在贵州、云南等地广泛分布二叠纪玄武岩，被认为是典型的大火成岩省［1～2］，其特点与常见的碳酸岩有明显的不同，在其分布地段岩石节理、裂隙发育，表层强风化且厚度大，风化后成散状或碎块状。在贵州毕威高速公路赫章县某工段，经实地勘察表明，道路沿线路堑边坡表层为棕红色残积土，风化程度较大，强度低，斜坡上常有许多坡积物且厚度大，坡面坍滑、泻溜现象严重，有时会因为水的影响产生规模较大的滑坡。其次是风化程度较弱的黄褐色残积土(厚度8m左右)，强度较表层高，由于降雨或其它因素，土体含水率会发生不同程度的变化，从而引起土体中的基质吸力改变，其关系称为土水特征关系曲线，对于非饱和土的工程力学特性具有重要意义。许多学者已对土水特征曲线做了很多研究，王铁行等［3］通过试验研究认为黄土干密度对基质吸力的影响非常显著;汪东林等［4］采用常规压力板仪和GDS非饱和土三轴仪，详细研究了击实功、击实含水率、干密度、应力历史和试样应力状态五种因素对非饱和重塑黏土的土水特征曲线的影响，并采用VG模型、Fredlund3参数模型和Fredlund4参数模型，通过最小二乘法对所测土水特征曲线进行拟合，研究表明，三种模型均可对土水特征曲线进行较好的拟合，击实功越大、击实含水率越高、干密度越大、试样的应力历史越大、所受净平均应力越高，则试样的进气值越高，水越难从试样中排出。卢靖等［5］利用高速离心机法测试了在不同温度和密度条件下的非饱和黄土的土水特征曲线，推导出了一个综合考虑温度、密度、基质吸力对含水率的影响非饱和黄土的土水特征曲线拟合公式。胡波［6］通过选取武汉珞珈山土样完成了非饱和土抗剪强度试验和土水特征曲线试验，并利用试验成果和前人的相关公式进行比较，研究结果表明，四参数土水特征曲线方程的拟合效果要优于三参数方程，其中以Fredlund和Xing方程的拟合效果最好。

目前，已经认识到干密度对非饱和土土水特征曲线的影响，但对玄武岩残积土的土水特征曲线实质性的研究工作尚未开展。针对这一情况，本文考虑干密度的影响，选用工程中遇到的黄褐色残积原状土和重塑土样，通过压力板仪法测定在脱湿情况下的土水特征曲线，并且利用VG模型、Fredlund3参数模型和Fredlund4参数模型进行拟合，并对参数拟合结果进行了分析，对于不同干密度的玄武岩残积土，确定了模型参数，为下一步的物理模型参数计算奠定一定的基础以及玄武岩地区的工程建设提供技术参数。

1试验部分

试验土样取自贵州赫章县玄武岩风化残积土，其物理指标如表1所示，本试验取原状和重塑土进行研究，采用美国SOILMOISTRUE综合压力板(如图1所示)测定土水特征曲线。压力板仪主要有氮气气瓶、高进气值陶土板、压力容器、100ml比重瓶等部分组成，高进气值陶土板采用15bar。试验原理:饱和土样被放在压力板中，外加已知的气压力，并利用饱和多孔陶土板的隔气不隔水的特性，将低压下保持在土壤中的水分压出土样，直至该压力下的气—水压力达到平衡。通过在几个不同的压力下测试土样，则可确定土体含水率与基质吸力之间的关系。即通过控制土的基质吸力，测得相应基质吸力条件下土样的体积含水率，绘出体积含水量和基质吸力之间关系曲线，即土水特征曲线。在现场用环刀取原状土样，根据含水率测得其干密度分别为1.29g/cm3、1.41g/cm3、1.48g/cm3，在室内将风干的土样过2mm筛，按含水率24.8%制成和原状土样相同干密度的重塑土样进行土水特征分析对比试验。

2.1土水特征曲线的数学模型对于非饱和土水特征曲线的研究，学者们提出了很多实用的土水特征曲线模型，由于土中水和土体之间的相互作用较为复杂，目前尚无理想的理论模型，常用的多为经验模型。本文采用常见的VG模型、Fredlund3参数模型和Fredlund4参数模型，对所测的试验数据进行拟合，通过拟合参数的对比分析，找到更适合玄武岩风化残积土的模型。其中VG模型［7］为:

2.2原状土样的土水特征曲线大多数研究者认为土的矿物成分、颗粒形状和级配、密实度以及不同的干湿循环次数等是影响土水特征曲线的重要因素，也有研究认为土水特征曲线的主要影响因素是矿物成分和孔隙结构，干密度是矿物成分和孔隙结构的综合反映［9］。对于干密度为1.29g/cm3、1.41g/cm3、1.48g/cm3的土水特征曲线如图2所示。由于自然界中的原状土是大小颗粒混杂在一起，不同粒度的土粒在土中所起的作用不同，大颗粒的存在对土中的孔隙水的脱湿路径有一定影响，使得试验测出的数据有一定的离散性，土水特征曲线出现不规则点，但总体趋势不变。由图2可以看出，试样的干密度对土水特征曲线的影响显著，密度越大，土样越密实，颗粒间的

2.3重塑土样的土水特征曲线对于同一种土，含水率相同时，其原状土的基质势较低，重塑土的基质势较高［11］。原状样被扰动后，完全改变了内在的结构构造，相应地改变了残积土的水力特性，从微观上来看，原状土粒间孔隙在土体内数量最多，这也是水流的主要通道［12］。施加一定的基质吸力，在同一干密度下，重塑土排出的水要少得多;对重塑土而言由于土体的天然结构被破坏，颗粒较细，大大减少了粒间孔隙的数量，形成的孔径较小，连通性也较差。从粒间的连接关系上分析，一般来讲，黏性土粒表面带有一定的电荷，与水接触，在静电作用下，形成双电荷，在双电荷影响下的水膜称为结合水，含水率大时，水膜厚，此时颗粒间的连接力较弱，随着基质吸力不断增加，土样逐渐脱湿，结合水膜会变薄，连接力具有较大的强度，以后再增加基质吸力，土样的体积含水率变化不大，特别是干密度大的土样，这样的趋势更明显，如图3所示。曲线的拟合参数如表3所示。线形状基本相似，在曲线某些特征点上(如残余含水率)相差一定量级。说明在同一干密度情况下，无论是原状土还是重塑土，土水特征曲线总体趋势变化不大。另外，由试验所测的数据分析可见，干密度大的土样在饱和度降低过程中，脱水速率低于干密度小的土样，试验过程中，初始干密度大的土样饱和度大于初始干密度小的土样，基质吸力较高时，干密度高的试样含水率大于低密度试样，这是由于初始干密度大，孔隙之间的结合紧密，持水能力强，相应的进气值大，沿着右斜线方向，随着饱和度的增大，干密度呈增大的趋势(如图4所示)。

2.4两种土样土水特征曲线对比分析原状土土水特征曲线进气值比重塑土小，曲线斜率较为平缓;虽然重塑土进气值较大，但当气压超过进气值以后，曲线斜率增大，但最终与原状土曲线基本平行。原状土样与重塑土样的土水特征曲通过两种土样的土水特征曲线的模型拟合，可以看出，重塑土样在三种模型方程拟合后的相关系数平方值都超过0.99(见表2和表3)，表明了拟合的数据和试验数据相关性较好，而原状土样有一定的离散型。随干密度的增大，R2的值有减小的趋势。从Fredlund3参数模型和Fredlund4参数模型拟合参数看出，拟合后的R2基本相同，对总体的参数没有大的影响，结果表明，Fredlund3参数模型中，假定残余含水率θr为0是合理的，两种模型不但适合其它土样［4］，也可以应用到玄武岩残积土的研究中。对比表2与表3，可以发现，相应于较大n值的特征曲线较为“平坦”一些，较小α值的土体具有更大的进气压力值，这和Tinjum［13～14］等人研究结果相似。另外，无论是原状土还是重塑土样，VG模型拟合的参数中R2的值都比另外两种模型拟合数值大，且四参数模型拟合的数据优于三参数模型方程。结果表明，在描述玄武岩残积土土水特征曲线关系时，VG模型具有更好的拟合效果。

3结论

(1)通过室内试验，选取原状土和重塑土样，采用压力板测试了贵州玄武岩残积土脱湿过程中的土水特征数据。讨论了不同干密度对黄褐色玄武岩残积土土水特征曲线的影响;基质吸力随干密度的增大而增大;当基质吸力超过850kPa后，体积含水率随基质吸力的变化很小，干密度对进气值以后的曲线斜率有很大影响。(2)选取三种常用的经验模型，结合室内试验实测的数据进行拟合。研究表明，两种土样用VG模型拟合出的相关系数平方值都大于0.99，VG模型更适合玄武岩残积土的土水特征曲线拟合。(3)土的初始干密度越大，进气值愈高。高初始干密度的试样在饱和度降低过程中脱水速率要低于低密度的试样，这就导致当基质吸力较高时，初始干密度高的试样含水量大于低密度的试样。