工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (1): 164-171   (1815KB)    
网纹红土土水特征曲线试验研究及其在边坡稳定性评价中的应用
石振明①②, 刘巍然①②, 彭铭①②, 李建中    
① 同济大学地下建筑与工程系 上海 200092;
② 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室 上海 200092;
③ 中南大学地球科学与信息物理学院 长沙 410083
摘要:网纹红土在中国南方地区有着广泛的分布,常见于各类岩土工程中。目前对网纹红土的研究主要集中在成因和粒度特性等方面,对于其非饱和特性方面的研究相对有限。本文采用滤纸法测量不同饱和度条件下网纹红土的基质吸力,利用Van Genuchten模型得到网纹红土的干燥-浸湿过程的土水特征曲线。研究发现,由于网纹红土孔隙较小且均匀,使得网纹红土存在进气值(约为100 kPa)相对于一般黏土较大、其土水特征曲线没有明显的残余段。利用干燥-浸湿过程的土水特征曲线对一维无限边坡的干燥和浸湿过程稳定性进行研究,发现在饱和度相同的情况下,边坡处于脱湿过程的稳定性要高于吸湿过程。随着深度的增加,脱湿与吸湿过程稳定性系数相差值减小;随着饱和度的提高,两者差值也出现减小的趋势。同时,网纹红土中基质吸力对抗滑力的贡献度较大,使得网纹红土质边坡较为稳定。
关键词网纹红土    滤纸法    干燥-浸湿    土水特征曲线    边坡稳定性    
EXPERIMENTAL STUDY ON SOIL-WATER CHARACTERISTIC CURVE OF RETICULATE RED CLAY AND ITS APPLICATION IN SLOPE STABILITY EVALUATION
SHI Zhenming①②, LIU Weiran①②, PENG Ming①②, LI Jianzhong    
① Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092;
② Key Laboratory of Geotechnicaland Underground Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092;
③ School of Geosciences and Into-physics, Central South University, Changsha 410083
Abstract: Reticulate red clay is widely distributed in southern China area and common in many kinds of geotechnical engineering. At present, the research of the reticulate red clay mainly focused on the causes and granularity characteristics. The study on its unsaturated characteristics is relatively limited. In this paper, the filter paper method is applied to measure the matrix suction of reticulate red clay in different saturation conditions. Van Genuchten model is used to get the soil-water characteristic curve in drying-wetting process. It is found that due to the small and relatively uniform void, the air entry value of reticulate red clay(about 100 kPa) is relatively larger than that of normal clays. There is no obvious residual stage in its soil-water characteristic curve. The soil water characteristic curve is applied to analyze the stability of one dimensional infinite slope in drying and wetting process. The results indicate that in the same saturation, the slope is more stable in the drying process than in the wetting process. With the increase of depth and saturation, the difference of stability factor in the two processes tends to decrease. Due to the larger contribution of matrix suction, reticulate red clay slope is relatively stable.
Key words: Reticulate red clay    Filter paper method    Drying-wetting    Soil water characteristic curve    Slope stability    

0 引言

网纹红土又称蠕虫状红土,在中国南方地区的岩土工程中十分常见。网纹红土区别于一般红土,带有白色如指状、管状、虫状或黄白色交织网纹,是第四纪黏土的重要组成部分。由于长期剧烈的水分活动导致红土中磁赤铁矿的溶解和铁质的流失,同时较强的成土作用使得强磁性的磁赤铁矿向弱磁性的赤铁矿转化。这是网纹红土区别于一般红黏土的主要化学特性。目前对网纹红土的研究主要集中在成因、微观结构、粒度特性等方面。来红州等(2005)对洞庭盆地第四系红土地层中网纹的元素地球化学、矿物组合特征和微观形貌特征进行了研究,探讨其网纹化成因;卓丽春等(2013)利用环境扫描电镜对岳麓山地区网纹红土的微观结构特性进行研究,得到网纹红土颗粒的大小、形状和分布等微观特性以及分形特性;朱丽东等(2014)对洞庭湖周边地区红土进行实验研究,发现相比于一般红黏土,该地区网纹红土的黏粒含量较高,砂粒含量低(通常低于3%),平均粒径更细小。而现有研究在网纹红土的非饱和特性方面,研究相对缺乏。

土水特征曲线是非饱和土中基质吸力和饱和度或含水率之间的函数关系,对非饱和土的各项物理力学性质有着重要影响(Fredlund et al., 1996, 2011)。常用的吸力测定方法有轴平移法、渗析法和滤纸法等。国内外学者对轴平移法和渗析法等做了大量研究与应用,如吴宏伟等(2006)Nam et al.(2010)对各方法进行了分析比较;Delage et al.(1998, 2008)介绍了渗析法的具体操作以及应用,并和轴平移等方法进行比较。关于滤纸法的原理以及操作要求,ASTM(1994)中做了详细的介绍。当滤纸与被测土之间水分迁移达到平衡后,只要知道滤纸含水率和自身吸力间的关系,通过量测滤纸含水率就可以得到被测土样的吸力。滤纸法价格低廉,同时精度较高,理论上可以测得全范围的基质吸力。滤纸法在各类土(如红黏土、砂质黏土、膨润土等)的吸力的测量中有着大量的采用(Suits et al., 2006;叶为民等,2006孙德安等,2014陈东霞等,2014)。

由于网纹红土特殊的成因,使得其粒径与孔隙特性和一般红土存在差别,因而其土水特征曲线也具有差异性。而化学作用形成的表观网纹其实质是矿物的迁移,这对渗透吸力存在影响,而对于基质吸力影响甚微。所以本文的研究重点在于网纹红土的粒径和孔隙特征对其干燥-浸湿过程的土水特征曲线的影响,而非其表观的网纹性状。同时以网纹红土为例,将干燥-浸湿过程土水特征曲线应用于非饱和土质边坡的稳定性分析中,得到一般规律,并对比其它土性的边坡,分析稳定性差异。

1 试验概况
1.1 滤纸法原理

滤纸法是建立在滤纸能够同具有一定吸力的土样通过水分的交换达到平衡的假设的基础上,通过滤纸的含水率来反映土样的吸力。滤纸属于多孔介质吸水材料,将其置于土体周围时,滤纸与土内的水分子将以液态或气态的形式相互迁移,待水分平衡时,土体与滤纸的吸力值相同,但两者的含水率并不相同(Suits et al., 2006)。滤纸作为传感体使用,当滤纸直接和土体接触时,其平衡含水率相当于土的基质吸力;而当滤纸不直接和土接触时,其平衡含水率相当于土的总吸力。

1.2 试验材料及仪器

本次试验采用的网纹红土样取自岳麓山地区,其力学指标、颗粒微观参数和孔隙微观参数(卓丽春等,2013)分别如表 1表 2表 3所示。

表 1 试验网纹红土的基本物理指标 Table 1 Basic physical indexes of reticulate red clay

表 2 网纹红土颗粒微观参数 Table 2 Micro particles parameters of reticulated red clay

表 3 网纹红土孔隙微观参数 Table 3 Micro porosity parameters of reticulated red clay

所采用的滤纸为国产双圈牌N202中速定量滤纸,率定曲线为(郝康宁,2014):

$ \left\{ \begin{array}{l} {\rm{lg}}\psi = - 0.480{w_f}+1.348\;\;\;\;\;\;{w_f} \leqslant 26\% \\ {\rm{lg}}\psi = - 0.125{w_f}+3.382\;\;\;\;\;\;{w_f} > 26\% \end{array} \right. $ (1)

式中:ψ为吸力(MPa);wf为滤纸含水率。

试验中所使用的设备包括:密封容器、精度为0.000 1 g的电子天平、称量瓶、恒温室、烘箱、击实仪等。

1.3 试验步骤

每个含水率做一组试验,为了提高试验精度,每组试验测3个试样。用于干燥和浸湿曲线测定的土样,均先将散装土配成目标含水率再进行击实,以保证同一组内土样含水率一致,干燥和浸湿过程一共进行21组试验。

1.3.1 土样制备

取网纹红土,在通风环境下风干数天后碾碎,去除土中的植物根系和碎石等杂物,放入烘箱中烘干12 h以上得到散状干土样。

对干燥土样喷雾加湿,使其达到设计的目标含水率,模拟网纹红土浸湿过程。模拟网纹红土干燥过程时,需要将干土样喷雾加湿至接近饱和状态,再进行自然风干脱湿至目标含水率。为了确保各组试样的干密度相同,需要在制样前测量每组土样的准确含水率,以便称取相应质量的散状土样。

用击实仪将散状土样击实成底面积为12 cm2,高为1.6 cm的圆柱形击实样。当干密度较低时,低含水率的土样松散易碎,影响试验的准确性,同时,由于考虑到网纹红土质地密实的特点,控制重塑土样干密度为1.6 g ·cm-3

1.3.2 滤纸放置与试验平衡

将浸泡过2%甲醛溶液的滤纸裁剪成直径为35 mm和38 mm的圆形小片,放入烘箱中烘干16 h以上,密封以备使用。

将一片直径35 mm的滤纸放置在两片直径38 mm的滤纸中间,防止土样污染中间滤纸,然后将组合好的3层滤纸夹在两个土样中间(图 1)。再用至少一层电工胶布密封接合处,以形成密封空间。

图 1 滤纸放置 Fig. 1 The placement of filter paper

将试样放置于密封容器中(图 2),在恒温室内放置7 d以上,使得滤纸和土样的水分交换平衡。

图 2 试样密封 Fig. 2 The sealing of sample

1.3.3 数据测量

待平衡期满,测量滤纸和土样的含水率,再通过率定曲线中滤纸含水率和吸力的对应关系,将滤纸的含水率换算成其所对应的基质吸力,从而得到干燥过程和浸湿过程的散点数据。

滤纸称量过程是试验的重点,所以需要严格控制称量精度,同时为了避免空气中水分对滤纸称量的影响,转移滤纸的过程尽量控制在5s内(ASTM,1994)。由于天平精度高,受温度影响大,在干滤纸的称量过程中,为了避免温度的波动对天平的测量影响,将烘干后的滤纸放置于干燥皿中冷却至室温,再进行称量(图 3)。这样也可以避免在冷却过程中滤纸吸水影响试验精度。

图 3 称量过程中滤纸的储存与干燥 Fig. 3 The storage and drying in the process of weighing the filterpaper

2 试验结果分析
2.1 数据整理

试验测得干燥和浸湿过程的数据分别如表 4表 5所示。

表 4 干燥过程数据表 Table 4 Sample data of drying progress

表 5 浸湿过程数据表 Table 5 Sample data of wetting progress

将数据绘制于线性坐标系中(图 4),可以看出:在干燥和浸湿过程中,随着饱和度增加,网纹红土的基质吸力都呈现减小的趋势。当饱和度低于50%左右,基质吸力对含水率变化敏感;当饱和度高于50%左右,基质吸力随含水率变化较小而不敏感。这种性质在干燥和浸湿曲线中一致。

图 4 网纹红土干燥-浸湿过程数据点(线性坐标) Fig. 4 Data of reticulate red clay in drying-wetting proces(Linear coordinate)

图 4亦可看出:在相同饱和度的情况下,干燥过程的基质吸力要大于浸湿过程,饱和度越低,此滞回现象越明显。饱和度在10%左右处时,干燥过程的基质吸力超过浸湿过程3 000 kPa以上。

2.2 土水特征曲线的拟合

图 4仅是基质吸力和含水率关系的数据点,很难清楚反映土水特征曲线的一些特征。因而需要将数据点拟合成具有特定表达式的曲线方程。本文采用Van Genuchten(1980)提出的平滑封闭数学模型,来拟合土水特征曲线,其数学表达式如下:

$ {S_e} = \frac{{S - {S_r}}}{{1 - {S_r}}} = {\left[ {\frac{1}{{1{\rm{ + }}{{\left( {a\psi } \right)}^n}}}} \right]^m} $ (2)

式中,Se为有效饱和度;ψ为基质吸力;anm均为拟合参数。Van Genuchten模型可以有效表征在进气压力值和趋近残余含水量状态时的平滑过渡情况。拟合参数a和进气状态有关;参数n和孔径分布有关;参数m和土水特征曲线的对称性有关。

采用Van Genuchten模型对散点拟合,得到网纹红土干燥-浸湿过程的土水特征曲线(图 5)。其中各参数拟合值如表 6所示。从拟合结果可以看出,Van Genuchten模型对于网纹红土具有很好的适用性。

图 5 网纹红土干燥-浸湿过程的土水特征曲线(半对数坐标) Fig. 5 SWCC of Reticulate red clay in drying-wetting process(Half logarithmic coordinate)

表 6 土水特征曲线拟合参数表 Table 6 Fitting parameter table of SWCC

2.3 结果讨论

陈东霞等(2014)研究的SC1号曲线(干燥-浸湿过程的土水特征曲线)绘制于图 5中,和本文研究的网纹红土对比,以便更好地突出网纹红土土水特征曲线存在的一些特点。因为其采用滤纸法研究残积砂质黏土也属于黏性土,其中SC1号曲线的干密度为1.58 g ·cm-3,和本文接近(本文为1.60 g ·cm-3),故而具有很好的对比性。陈东霞和龚晓南研究的砂质黏土的粒级质量百分数如表 7所示。

表 7 砂质黏土不同粒级土粒质量百分数(单位:%) Table 7 Weight percentages of different gradedsoil particles of sandy clay(unit:%)

图 5也可以看出该网纹红土的基质吸力相对于陈东霞等(2014)研究的砂质黏土在同等条件下要大,主要是由于网纹红土的颗粒和孔隙直径相对微小造成的。网纹红土的进气值约为100 kPa,相比图中陈东霞等(2014)研究的砂质黏土的进气值(约为34 kPa)要大,和孙德安等(2014)研究的红黏土的进气值(约为20 kPa)相比,网纹红土的进气值也较大。分析其原因,主要是网纹红土孔隙小且分布均匀。从表 3中可以看出其最大直径不超过2 μm,且直径在0.141~0.257 μm范围内的约占93%,而其余两种土中由于有砂粒的存在,使得最大孔隙要大且不均匀。根据Young-Laplace公式,进气值的大小和最大孔隙直径成反比关系:

$ {\psi _c} = \frac{{2\sigma cos\alpha }}{R} $ (3)

式中,ψc为进气值;σ为表面张力;α为接触角;R为最大孔隙直径。因而可以说明网纹红土进气值较大,类似的结论在陈东霞等(2014)研究的不同孔隙大小的砂质黏土中也有体现。

从浸湿曲线的拟合参数Sr=0可以看出,该网纹红土的残余饱和度约为0,相比于其他类型土没有明显的残余阶段。分析其原因,同样也是由于孔隙十分微小,即使在含水率较小的情况下,依然可以通过吸力的升高顺利排出孔隙水。这和Vu et al.(2007)得出的Regina黏土土水特征曲线的结论类似。

3 边坡干燥-浸湿过程稳定性分析

边坡暴露于大气中,在严格意义上来说处于非饱和状态,受降雨和蒸发等干湿变化影响,边坡中的水分随之变化,分别有浸湿和干燥两种过程。因而需要考虑边坡在非饱和状态下的稳定性。

拟采用一维无限边坡模型对该问题进行分析(图 6)。一维无限边坡作为一种理想模型,可以使得分析简单清晰,突出主要因素的影响,这在国内外的很多研究中被采用(唐小松等,2012; Zhang et al., 2014)。首先对边坡进行如下假设:(1)边坡为倾角α=45°的无限边坡;(2)无限边坡的滑动面平行于坡面,且在各深度处均如此;(3)边坡含水率均一,与大气相通。

图 6 一维无限边坡示意图 Fig. 6 One-dimensional infinite slope

Fredlund et al.(1993)提出非饱和土的抗剪强度公式:

$ \tau = c+(\sigma - {u_a}){\rm{tan}}\varphi + ({u_a} - {u_w}){\rm{tan}}{\varphi ^b} $ (4)

其中,c为有效黏聚力;ua为孔隙气压力;uw为孔隙水压力;φ为有效内摩擦角;φb为和基质吸力相关的内摩擦角。结合Bishop建议的抗剪强度公式,Fredlund提出:

$ {\rm{tan}}{\varphi ^{\rm{b}}} = \chi {\rm{tan}}\varphi $ (5)

因而式(4)可以改写为:

$ \tau = c + (\sigma - {u_a}){\rm{tan}}\varphi + \chi ({u_a} - {u_w}){\rm{tan}}\varphi $ (6)

对于式中难以确定的χ值,Khalili et al.(2001)通过大量实验给出其与基质吸力和进气值之间的函数关系:

$ \chi = {\left[ {\frac{{({u_a} - {u_w})}}{{{{({u_a} - {u_w})}_b}}}} \right]^{ - 0.55}} $ (7)

式中,(ua-uw)为基质吸力;(ua-uw)b为进气值。在拟合出的干燥-浸湿过程土水特征曲线中,进气值已知。

因而,将Fredlund抗剪强度公式引入非饱和边坡的稳定性分析,在某一深度下的稳定性系数有如下公式:

$ {F_S} = {\rm{ }}\frac{{c + {\gamma _t}z{\rm{co}}{{\rm{s}}^2}\alpha {\rm{tan}}\varphi + \left( {{u_a} - {u_w}} \right){{\left[ {\frac{{\left( {{u_a} - {u_w}} \right)}}{{\left( {{u_a} - {u_w}} \right)}_b}} \right]}^{ - 0.55}}{\rm{tan}}\varphi }}{{{\gamma _t}z{\rm{sin}}\alpha {\rm{cos}}\alpha }}{\rm{ }} $ (8)

其中,α为坡角;γt为土的天然重度;z为深度;σn=γtzcos2α。由于边坡和大气相通,孔隙气压力为0(ua=0)。

在本算例中,对比研究陈东霞等(2014)研究的花岗岩残积砂质黏土质边坡与本文研究的网纹红土质边坡。根据表 1中网纹红土的强度指标取c=30 kPa,φ=22°。对于砂质黏土的强度指标,因为该文中没有涉及,因而采用吴能森(2005)文中给出的同一地区的花岗岩残积砂质黏土的强度指标,其中,c=28 kPa,φ=25°。将干燥曲线与浸湿曲线分别和边坡的干燥和浸湿过程对应,当某一含水率下边坡分别处于干燥和浸湿过程时,得到稳定性系数Fs如下:

计算结果如图 7所示,可以看出,在整个深度范围内,无论是网纹红土还是砂质黏土,边坡处于干燥过程的稳定性系数要大于浸湿过程。同时随着深度的增加,干燥和浸湿过程的稳定性系数相差逐渐变小;这主要是由于深度z的增加,滑块体积因素逐渐处于主导地位,而基质吸力对整体稳定性的影响程度削弱。同时也可以看出,随着饱和度的提高,干燥和浸湿过程的稳定性系数差值也逐渐变小;这主要是由于饱和度较大时,干燥和浸湿曲线的基质吸力差值逐渐变小。

图 7 干燥和浸湿过程中稳定性系数随深度变化 Fig. 7 The factor of stability changing with depth in dehumidifying-soaking process a.饱和度0.3;b.饱和度0.6;c.饱和度0.9

同时可以看出,在强度指标接近的情况下,网纹红土的稳定性系数要大于砂质黏土。分析其原因,主要是在式(8)中,网纹红土的基质吸力项(分子第3项)对抗滑力的贡献值要大于砂质黏土,在干燥和浸湿过程中均如此。取深度z=16 m处为代表,将干燥和浸湿过程中不同饱和度条件下式(8)中黏聚力项、正应力项以及基质吸力项(分别对应分子第1、第2、第3项)对抗滑力的贡献值列于表 8表 9。从表中可以看出,两种土的黏聚力项和正应力项的值相差不大,而基质吸力项的值相差较大,导致抗滑力的差异,因而网纹红土的稳定性系数要大。这符合网纹红土工程性能良好的特点。

表 8 干燥过程抗滑力各项的贡献值 Table 8 The contribution to sliding resistance forcein drying process

表 9 浸湿过程抗滑力各项的贡献值 Table 9 The contribution to sliding resistance force in wetting process

4 结论与展望

本文采用滤纸法测量不同饱和度条件下网纹红土的基质吸力,利用Van Genuchten模型得到网纹红土的干燥-浸湿过程的土水特征曲线,并以网纹红土为例,将干燥-浸湿过程的土水特征曲线应用于无限边坡的稳定性分析中,得到以下结论:

(1) 由于网纹红土黏粒含量高,不含砂粒,最大孔隙直径较小且分布均匀,使得基质吸力较大,且土水特征曲线相对一般黏土具有较大进气值(约为100 kPa);微小的颗粒与孔隙也使得网纹红土依然可以通过吸力的升高顺利排出孔隙水,因而有残余阶段不明显的特征。

(2) 在相同深度以及同一饱和度条件下,边坡的稳定性系数在处于干燥过程时明显大于处于浸湿过程。随着深度的增加,基质吸力对抗滑力的贡献度降低,使得稳定性系数相差逐渐减小;同时随着饱和度的提高,使得干燥和浸湿过程的基质吸力的差值减小,也使得两者稳定性系数差值出现减小的趋势。由于网纹红土基质吸力项对抗滑力的贡献值大于砂质黏土,使得网纹红土边坡的稳定性系数明显大于砂质黏土。

(3) 由于试验采用重塑土样,因而没有考虑原状网纹红土的结构对土水特征曲线的影响。在边坡的稳定性分析中,本文将边坡视为含水率均匀分布,得到一般规律。但实际过程中边坡涉及降水和蒸发过程,在水体的渗流等因素的影响下含水率的分布较为复杂,在以后的研究中可以对此因素加以考虑。

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