[科普中國]-濕化試驗

簡介

土體的濕化是指非飽和土體浸水后在自重作用下土顆粒重新調(diào)整其相互之間的位置、改變原來結構，由此使土體發(fā)生強度損失、產(chǎn)生變形的過程。土體受濕化作用的影響，一般都要發(fā)生體積收縮(特殊土除外)，壓縮下沉,產(chǎn)生濕化變形，并且其強度也會降低，因此土體在濕化后的結構特性必須重新定義。對土體濕化后的變形及強度等性質(zhì)進行研究的試驗，我們稱之為土體的濕化試驗。

目前，濕化試驗大多是針對作為土石壩建筑材料的粗粒料，這些材料更加經(jīng)常地受到水的侵入而產(chǎn)生性質(zhì)的變化。資料顯示，細粒料在受到水分的浸入后，同樣會產(chǎn)生和粗粒料類似的強度損失，產(chǎn)生變形，因此逐漸發(fā)展了對于細粒料的濕化試驗研究。1

研究歷程20 世紀70 年代之前， 各國學者普遍采用單向固結儀進行濕化變形研究，一維固結儀雖然簡單易行，但其應力狀態(tài)和變形條件均不符合實際情況， 只能測得垂直壓力和垂直濕化應變的關系，局限性大。

20 世紀70 年代初期，國外學者開始采用三軸儀與“雙線法”來研究濕化問題。

20世紀70 年代末期，我國學者提出了模擬實際浸水濕化的三軸“單線法”來研究濕化問題。

劉祖德于1977 年利用三軸儀與“單線法”進行了張家嘴水庫土壩風化砂的濕化變形試驗，研究了土在復雜應力條件下濕化過程中的應力-應變關系和附加濕化變形量。該方法隨后在國內(nèi)外被普遍采用于砂礫料、堆石料的濕化變形試驗研究。2

研究思路濕化研究的目的主要是測量土體的濕化變形以及濕化后土體的強度變化，目前濕化試驗的研究思路主要有“雙線法”和“單線法”兩種：

（1）分別用自然土樣和飽和土樣作兩種狀態(tài)下的應力-應變關系試驗， 假定某應力狀態(tài)下的濕化應變就是該應力狀態(tài)在自然、飽和兩種狀態(tài)下所對應的應變之差。由土體的自然、飽和兩種狀態(tài)下的試驗曲線整理出兩套相應的參數(shù)，據(jù)此計算土體的濕化應變量。此方法稱為“雙線法”，如圖1所示。

（2）把自然土樣加載到某種應力狀態(tài)，然后將土樣浸水飽和，測得土體的濕化變形量。根據(jù)測得的不同應力狀態(tài)下的濕化變形量，建立土體的濕化變形量與應力的對應關系，然后就可以直接由應力求濕化應變量。此方法稱為“單線法”，如圖2 所示。

以上兩種研究思路各有優(yōu)缺點?！半p線法”改變了水與荷載對土體的作用次序， 這樣的應力狀態(tài)與實際不符；“單線法”符合浸水變形的實際過程，較“雙線法”更加合理。但一個試樣只能得到一種應力狀態(tài)下的濕化變形， 要得到不同應力狀態(tài)下的濕化變形，必須做多次試驗，試驗工作量很大。

Nobari 和Duncan 在三軸儀上用砂作了以上兩種試驗，發(fā)現(xiàn)兩種方法得到的濕化變形是相近的， 因而認為可以用雙線法來代替單線法。

由于“單線法”符合實際的濕化過程，大多數(shù)學者都建議用“單線法”進行土體的濕化試驗。

魏松在研究粗粒料浸水濕化特性時提出了“改進的雙線法”3，即在應力水平為0 時對自然樣浸水飽和，用此飽和樣的應力-應變曲線和自然樣的應力-應變曲線進行比較，得出濕化變形。此方法得出的軸向應變更加接近于“單線法”的，體積應變較“單線法”的稍大?！案倪M的雙線法”比普通的“雙線法”得到的數(shù)據(jù)較為符合實際。

濕化試驗方法基于以上所提到的濕化試驗的思路， 濕化試驗有著各種不同的試驗方法，包括：等向壓縮試驗、常規(guī)三軸剪切試驗、等p 下的三軸剪切試驗、平面應變試驗等。國外也有學者進行保持應變狀態(tài)和圍壓不變而使軸力松弛測取應力變化的試驗，如Neves（1985）。但由于這種試驗對儀器要求太高，所以目前很少有文獻涉及。4

基于“雙線法”的濕化試驗比較簡單，只要用以上的試驗方法分別測出自然樣和濕樣（或飽和樣）的應力-應變曲線，則同一應力水平下自然樣和濕樣（或飽和樣）的應變之差即為濕化變形量。

下面主要介紹一下基于“單線法”的濕化試驗方法：

（1）單向壓縮濕化試驗：采用單向固結壓縮儀，試驗方法是：自然樣在某一豎向壓力σv作用下固結穩(wěn)定，然后保持豎向壓力σv不變進行浸水濕化，測記浸水濕化變形。

（2）等壓下的濕化試驗：采用常規(guī)三軸儀，試驗方法是：自然樣在某圍壓σ3下固結穩(wěn)定，然后保持圍壓不變進行濕化，測記濕化變形。

（3）常規(guī)三軸濕化試驗：在常規(guī)三軸儀上進行，試驗方法是：自然樣在某圍壓σ3下固結穩(wěn)定，然后保持圍壓不變增加大主應力σ1，進行三軸排氣剪切試驗。達到某應力水平后，保持應力不變進行浸水濕化，測記濕化變形。濕化完成后可以繼續(xù)進行三軸排水剪切，直到試驗破壞。這是目前主要的濕化變形試驗方法。

（4）等p 下的濕化試驗：采用常規(guī)三軸儀，試驗方法是：自然樣在某圍壓下固結，保持p 不變，增大偏應力q，達到某應力水平后， 保持應力狀態(tài)不變進行濕化， 測記濕化變形。濕化完成后可繼續(xù)進行剪切，直到試驗破壞。

（5）平面應變試驗：采用平面應變試驗儀，試驗方法是：自然樣按照設計的某種應力路徑加載到某應力狀態(tài)， 然后浸水濕化，測記濕化變形。由于平面應變試驗儀器較少，只有李廣信在《高土石壩初次蓄水及水位驟降情況應力變形分析計算總報告》（1990）中進行了該種試驗。5

影響因素目前，濕化試驗研究發(fā)現(xiàn)了土體的一些濕化特性。將這些影響土體濕化試驗結果的因素分為3 類， 從土體的自身物理特性來看，包括：礦物成分、顆粒尺寸；從土體的試驗特征參數(shù)來看，包括：初始干密度、初始含水率、細料含量；從土體所受到的外部力學特性來看，包括：應力水平、圍壓、加載方式、濕化水頭。

1、物理特性對濕化試驗影響

土體自身的物理特性對濕化試驗結果的影響屬于內(nèi)因，一般是長期的自然環(huán)境積累的結果，是土體自身的一種性質(zhì)，很難對其進行改進。

土體的礦物成分決定著強度， 進而影響到土體的濕化變形特性。強度低，吸水易軟化的礦物成分組成的土體濕化變形也較大。李廣信用砂巖組成的堆石料和石英等礦物組成的砂礫料進行了濕化試驗， 發(fā)現(xiàn)砂礫料濕化變形要比堆石料小得多。5張少宏等通過堆石料三軸濕化變形特性試驗發(fā)現(xiàn)由石英組成的石質(zhì)堅硬的河床砂卵石的濕化變形要比砂巖組成的石質(zhì)較軟的砂礫石的濕化變形小。顆粒尺寸對土體的濕化變形也有影響。6酈能惠通過現(xiàn)場和室內(nèi)試驗指出了試樣尺寸對濕化變形的影響，7 殷宗澤也指出了濕化試驗時尺寸效應的影響。8因此，對于尺寸相差較大的細粒料和粗粒料的濕化研究應該分別進行。

2、試驗特征參數(shù)對濕化試驗影響

土體的試驗特征參數(shù)對土體濕化試驗結果的影響屬于前期外因，可以通過一定的措施來改善土體中的這些參數(shù)，以達到避免土體濕化后發(fā)生事故的目的。這是在工程施工時就可以進行的控制。

初始干密度對濕化變形的影響很大， 有關濕化變形的研究基本都得到了相似的結論。保華富等通過試驗研究表明干容重是影響濕化變形的重要因素， 尤其對軸向變形影響較大，對土體應變的影響也隨壓力的增大而增大。李廣信通過研究發(fā)現(xiàn)，土料的密度對土的濕化變形影響很大，密度越大，濕化變形越小。5傅旭東等9通過研究指出密實度高的粘土濕化變形量較小。因而，將土體盡量壓實是減小濕化變形的有效手段，土石壩施工時應盡量碾壓密實，并控制干容重的均勻分布，以免產(chǎn)生不均勻沉降。

初始含水率對濕化變形也有影響， 從雙線法得知濕樣比自然樣變形大很多， 提高初始含水率意味著濕化之前的變形較大，而浸水濕化后其變形量要減小很多。風干料所得的濕化變形會過高估計濕化作用， 因而土石壩碾壓時常加適量含水率以減少后期的濕化變形。

細料含量不但對強度影響很大， 對濕化變形的影響也非常明顯。細料組成主要是粉土，浸水潤滑后極易滑動，因而變形較大，細料含量越多，濕化變形也就越大。保華富10通過試驗研究表明減小細粒含量能減小濕化變形， 尤其是濕化體變。李廣信5通過試驗發(fā)現(xiàn)，相同的縮制方法小試樣的濕化變形要比大試樣大很多， 這也說明了小試樣由于細料含量明顯增加，導致遇水后濕化變形明顯增大。

3、外部力學特性對濕化試驗影響

土體所受的外部力學特性對土體濕化試驗結果的影響屬于后期外因，可以通過研究來找到土體濕化后的強度，然后控制土體濕化后所受的外部荷載來避免事故的發(fā)生。這是在工程完工后所做的控制。

應力水平是影響濕化變形的重要因素。李鵬等11在粗顆粒的大型高壓三軸濕化試驗表明在同等圍壓下， 濕化軸向應變隨著應力水平的提高而增大， 而濕化體應變隨著應力水平的增大而減小，甚至變?yōu)樨撝怠＿@在宏觀上表現(xiàn)出的特點是：在同一圍壓下，隨著應力水平的增大，試樣表現(xiàn)為軸向壓縮而側(cè)向膨脹。這是由于隨著濕化過程的進行，試樣顆粒在水的作用下發(fā)生軟化，棱角破碎，相互滑移，空隙增加，從而導致了試樣體積的膨脹。張少宏等6通過堆石料三軸濕化變形試驗研究發(fā)現(xiàn)某一圍壓下， 隨著濕化時應力水平增加，濕化軸應變在增大，濕化體應變卻隨應力水平的增加而減小，同時發(fā)現(xiàn)當圍壓低而濕化應力水平較高時，試樣濕化產(chǎn)生了濕脹，這與人們常認為的濕縮有所不同。圍壓也是影響濕化變形的重要因素。李鵬等11通過大三軸濕化試驗發(fā)現(xiàn)，同一應力水平下，濕化軸向應變隨圍壓的增大而增加；濕化體應變也隨圍壓的增大而增大。張少宏等6通過砂卵石和砂礫石的濕化試驗也發(fā)現(xiàn)了相似的規(guī)律，中低應力水平下濕化軸應變隨圍壓的增大而增大；體應變在相同應力水平下隨著圍壓的增大而增大。魏松等3通過中三軸試驗發(fā)現(xiàn)當濕化應力水平相同時， 濕化軸應變基本上隨圍壓的增大而增大， 濕化體應變也隨圍壓的增大而增大。

不同加載方式得到的濕化試驗結果不盡相同。Ordemir針對沖積層地基進行的室外現(xiàn)場和室內(nèi)濕化試驗中指出了這一點。所以濕化試驗應盡可能采用與實際情況類似的應力路徑。濕化浸水水頭的大小會影響到土體的濕化變形量。從傅旭東等9在巫山縣污水處理廠高填方地基濕化變形試驗研究中可以看出，濕化浸水水頭越高，濕化的變形量越大。

存在的問題目前，土體濕化試驗研究進入了相對緩慢的發(fā)展期，主要原因是到了試驗儀器和方法的瓶頸階段。目前的濕化變形研究，主要是依據(jù)具體土料的濕化試驗、提出經(jīng)驗計算模型、以解決工程實際問題。但是，大多數(shù)濕化試驗都沒有很好地反映土體濕化變形的實際情況。所以現(xiàn)在的土體濕化研究還存在以下的一些問題：①試驗方法只局限于等壓固結試驗和常規(guī)三軸壓縮試驗， 所得結果沒有充分反映土體在復雜應力路徑下的濕化特性。②由于縮尺效應、膜嵌入效應、濕化應變測量精度等，使得試驗結果在宏觀上不一定正確反映實際情況。③濕化試驗大都只關注土體從自然狀態(tài)到飽和狀態(tài)的濕化變形，忽略了土體濕化變形隨含水率變化的規(guī)律，不能反映復雜浸水條件下土體變形的實際情況。④濕化試驗是特殊試驗，所以大多數(shù)的土工試驗標準對于此類試驗都不完全適用，沒有明確的濕化試驗標準，如濕化變形穩(wěn)定標準、濕化水頭標準等。