某滑坡土体土_水特征曲线试验研究

收稿日期：2006-10-09

基金项目：湖北省教育厅科学研究计划项目（No.2002A53010）资助。

作者简介：王世梅，女，1965年生，博士，教授。E-mail: wsm3044@yahoo.com.cn

文章编号：1000－7598－(2008) 10－2651－04

某滑坡土体土-水特征曲线试验研究

王世梅1，刘德富1，谈云志2，李孝平1

（1. 三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002；2. 中国科学院武汉岩土力学研究所，武汉 430071）

摘 要：利用能够控制基质吸力的4联式非饱和土直剪仪，对清江流域古树包滑坡滑带土体进行了不同固结应力条件下土-水特征试验，得出了土-水特征曲线并进行了函数拟合。结合土-水特征曲线拟合函数，经过数学推导确定了函数中各个参数的物理意义，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。 关 键 词：土-水特征曲线；固结应力；非饱和土直剪仪 中图分类号：TU 433 文献标识码：A

Experimental research on soil-water characteristics curves of soils for a landslide

WANG Shi-mei 1

, LIU De-fu 1

, TAN Yun-zhi 2, LI Xiao-ping 1

(1. Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area of Education Ministry, China Three Gorges University, Yichang 443002, China;

2. Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China)

Abstract: The experiments of soil-water characteristics curves are made under different consolidation pressures for sliding zone soils of Gushubao landslide in the Qingjiang valley, with an advanced unsaturated soil shear instruments which can control suction. The experiments show clearly the influences of consolidation pressure on the soil-water characteristics curves. The varied consistent functions have been established from the experiment data of soil-water characteristics curves; and the physical meanings of parameters in the consistent functions have been deduced and discussed. Finally, a comprehensive function expression which can reflect the relation among consolidation pressure, suction and water content, is established. The study has made up for the deficiency of other methods which can not consider the consolidated pressure and is very significant for the supplement and development of the theory and experimental method of soil-water characteristics curves.

Key words: soil-water characteristics curves; consolidation stress; unsaturated soil shear instruments

1 前 言

水-土特征曲线是近年来的研究热点[1, 2]。水-土特征曲线是土的含水率w θ或饱和度r S 与基质吸力的关系曲线，与非饱和土的结构、土颗粒成分、孔隙尺寸分布以及土壤中水分变化的历史等因素有关，反映了非饱和土对水分的吸持作用，在非饱和土研究中相当重要。土-水特征曲线不仅关系到非饱和土的强度[3, 4]、应变和渗透系数w k [5, 6]，而且关系到土壤水分运动方程[7]等。

研究土-水特征曲线源于土壤学和土壤物理学，主要侧重于研究天然状态下表层土壤吸力的变化、土壤的持水特性及水分运动特征等[6]，并没有考虑

应力状态对土-水特征曲线的影响。实际工程中的 土体大都处于一定的应力状态，因此传统的土-水 特征曲线试验方法及曲线函数与实际工程中的情况不符。陈正汉[7]通过试验发现，非饱和土的含水率与净平均应力有关，并提出了广义土-水特征曲线的概念，即土-水特征曲线应同时考虑基质吸力和应力状态的影响。

为了探索土-水特征曲线与应力状态的相关性，本次试验采用非饱和土直剪仪测得了在不同固结应力作用下土样的土-水特征曲线，探讨了该曲线最佳拟合函数，并经过数学推导确定了函数中各个参数的物理意义，在此基础上建立了能够同时反映固结应力、基质吸力和质量含水率之间关系的函数表达式。

岩 土 力 学 2008年

2 试验仪器与试验方法

2.1 试验仪器

采用能够控制和测量基质吸力的4联式非饱土直剪仪，是在常规4联式直剪仪基础上改进而成，后勤工程学院陈正汉设计、江苏栗阳土工仪器厂制造，由台架、气压室、剪切盒、竖向加载装置、水平剪力加载系统、排水系统、应力和位移量测系统等部件组成（图1）。与常规直剪仪相比，该仪器增加了一套气压控制和量测系统，用于对试样施加预定的基质吸力，剪切盒必须安装在密封的容器内，试样底座装有一定进气值的陶土板，试样中水可以经过陶土板排出，而气不能通过陶土板泄露，从而保证试样中维持有固定的气压和基质吸力。本仪器的关键技术在于保证容器及管路的密封性，以保证整个系统不漏气。

图1 非饱和土直剪仪示意图

Fig.1 Diagram of unsaturation-soil shear instrument

4联式非饱和土直剪仪的优点是：在每次控制预定基质吸力的条件下能够同时在4个试样上施加不同的固结应力，因而能够同时完成4个试验，不仅速度快、节省时间，而且能够同时制备4个完全相同的试样，在同一基质吸力下施加4个不同的垂直压力进行固结，不仅避免了制样差异造成试验数据的偏差和离散性，还能保证试验中4个试样具有完全相同的基质吸力。 2.2 试样

试验土样取自清江流域古树包滑坡滑带土，室内测得土样物性指标见表1。取回后风干碾散，将碾细的土样过筛，筛孔直径为2 mm ，然后配成试验用土。

表1 古树包滑坡滑带土物性指标

Table 1 Physical parameters of slide zone soils

in Gushubao landslide

土体

液限 / %

塑限 / %

塑性 指数

比重

初始含水率

/ %

低液限黏土 30.8 13.6 17.2 2.78 23.8

2.3 试验方法

4个试样施加垂直固结应力分别为50，100，200 kPa 和400 kPa ，每个试件的基质吸力按0，50， 100，150，200 kPa 和300 kPa 的预定值逐级施加，在垂直固结应力和每级基质吸力的共同作用下对试样进行固结直至稳定。待试样固结稳定后，打开压力罩，取出土样分别测得每个土样的含水率。固结稳定标准是：2 h 变形量不超过0.01 mm 且12 h 排水量不超过0.01 mL 。

3 试验结果与分析

按照2.3的试验方案得到4组共24个试验数据，见表2。根据该试验数据整理出不同固结应力作用下的土-水特征曲线如图2所示。从图2可知，在各种不同固结应力下试样含水率均随着基质吸力的增大而减小，但随着基质吸力的增大，4条曲线最终趋于重合，说明固结应力对土-水特征曲线有影响，但这种影响随着基质吸力的增大而较小，当基质吸力达到一定程度，这种影响逐渐消失。

表2 不同固结应力下的土水特征曲线试验数据 Table 2 The Test date of the characteristics curves of soil-water under different consolidation stresses

不同基质吸力S (kPa)下含水率 /%

固结应力/kPa

0 50 100 150 250 300

100 21.2317.9416.88 15.99 14.6914.42200 18.7716.7915.96 15.37 14.4914.37300 18.4515.8415.21 14. 14.1513.800 17.59

15.31

14.74 14.15 14.13

13.85

图2 不同固结应力下的土-水特征曲线

Fig.2 The characteristics curves of soil-water under

different consolidation stresses

4 土-水特征曲线的函数拟合

4.1 基质吸力-含水率关系函数拟合

首先对不同固结应力作用下的各条土-水特征曲线分别进行函数拟合。拟合结果发现：同一种土

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第10期 王世梅等：某滑坡土体土-水特征曲线试验研究

样在不同固结应力下含水率-基质吸力关系曲线可以用同一拟合函数式（1）来表达，只是其中的拟合参数随固结应力不同而不相同。

/01e u t w B B −=+ （1）

式中：w ，u 分别为重力含水率和基质吸力；B 0，B 1，t 为函数中的参数。

利用Microsoft Origin 软件对表1中的数据用式（1）进行拟合，得到不同固结应力作用下土-水特征曲线的拟合函数（见式（2））及参数（见表3）。从表3中可知，用式（1）拟合试验曲线效果很好，拟合函数相关系数均高达0.98以上。根据式（2）得出一族如图3所示的土-水特征曲线。

/99.001

/105.216/71.353/55.42914.198 6.4e

14.127 4.58e 14.021 4.333e 13.971 3.596e u u u u w w w w −−−−⎫

=+⎪

=+⎪

⎬=+⎪⎪=+⎭；；； （2）

表3 不同固结应力作用下土水特征曲线拟合函数参数

Table 3 The consistented parameters of the characteristics curves of soil-water under different consolidation stresses

指数衰减函数的拟合参数

固结应力 /kPa B 0 /% B 1 /% t /kPa R 2 100 14.198 6.4 99.001 0.990 0 200 14.127 4.58 105.216 0.995 1

300 14.021 4.333 71.353 0.978 1 400

13.971

3.596

55.429

0.991 4

图 3 拟合后的土-水特征曲线

Fig.3 The consistented characteristics curves of soil-water

4.2 各参数的物理意义

B 0的物理意义：对式（1），当0lim u w B →∞

=，即

当基质吸力趋近于足够大时含水率不再变化，等于一个固定值B 0，定义B 0为残余含水率。笔者认为残余含水率B 0相当于黏性土颗粒表面的强结合水膜层对应的含水率，由于强结合水膜受到黏土颗粒

表面电荷的强烈吸引，致使外力（这里指基质吸力）的作用不能使其从土中排出，残余含水率的大小取决于强结合水膜层的厚度，相当于黏性土的缩限。

对式（1）进行变换得B 1的物理意义：

1/e u t

w B B −−=

（3）

当0u =时，s w w =，1s 0B w B =−。式中：s w 为饱和含水率；B 1为在整个基质吸力变化过程中含水量的变化范围，定义为可变含水率。

对式（1）变换得t 的物理意义：

/01e u t w B B −−= （4）

对式（4）两边取对数整理得

01ln()ln u

w B B t −=− （5）

设1/k t =，则

01()ln

w B u

ku B t

−=−=− （6） 式中：k 为以u 为横坐标、0ln()w B −为纵坐标的 坐标系中直线的斜率。k 越大表示单位基质吸力的增加而引起含水率减少量越大，而t 正好相反，t 越大，表示单位基质吸力的增加而引起含水率增加量越大，因此k 和t 是反映含水率随基质吸力变化的度量指标，k 定义为衰减指数，t 则定义为增长模量。

4.3 固结应力对各参数的影响

（1）固结应力对B 0的影响

从表2可以看出，参数B 0在不同的固结应力作用下保持同一个值基本不变，可以认为固结应力对残余含水率B 0影响很小。前已述及，残余含水率是黏性土颗粒表面强结合水膜层，基于相同的原因，强结合水膜受到黏土颗粒表面电荷的强烈吸引，致使基质吸力和固结应力都不能使其从土中排出。

（2）固结应力对B 1的影响

1s 0B w B =−，为可变含水率，随着固结应力P 的增大而减少。由本节（1）可知，固结应力P 对

B 0几乎没有影响，因此B 1随着固结应力的增大而 减少是由于w s 在减小的缘故，而w s 为基质吸力等于0时的饱和含水率，没有基质吸力时的初始含水率随固结应力的增大而减小。

（3）固结应力对t 的影响

t 反映了单位基质吸力引起含水率减少的程度，根据式（6）可知，二者之间呈常用对数关系。而t 与固结应力呈递减关系，t 越大表示单位基质吸力增加引起的含水率减少幅度越小，反之亦然。

0 50 100 150 200 250 300

基质吸力 /kPa

固结应力固结应力固结应力固结应力2221

20191817161514

含水率 /%

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5 基质吸力-固结应力-含水率关系函

数拟合

5.1 各参数与固结应力P 的关系

由于4联式直剪仪的第2个直剪仪压力室不密封（陶土板损坏漏气），导致固结应力P =200 kPa 的数据出现异常，因此数据整理时未考虑该数据 点，用其余3个点进行分析。由表2中的数据可以得到各参数与固结应力P 的关系：（1）参数B 0与 固结应力P 不相关，即固结应力P 的变化对参数

B 0没有影响；（2）参数B 1随固结应力P 的增大而减小，呈直线关系，见图4。拟合函数表达式为

10.01137.94B P =−+ （7）

图4 固结应力P 与B 1关系图

Fig.4 Diagram showing the relation between

consolidation stress P and B 1

（3）参数t 随固结应力P 的增大而减小，同样呈直线关系，如图5所示。拟合函数表达式为

0.1443113.73t P =−+ （8）

图5 固结应力P 与B 1关系图

Fig.5 Diagram showing the relation between

consolidation stress P and B 1

5.2 包含固结应力的土水特征曲线函数表达式

将式（7）和式（8）代入式（1）得到同时包含固结应力、基质吸力及含水率的土-水特征曲线函 数表达式：

/(0.1442113.73)14.09(0.01137.94)e u P w P −+=+−+ （9）

当固结应力0P =时式（9）退化为不包含固结应力的土-水特征曲线函数：

/113.7414.087.94e u w −=+ （10） 6 结 论

采用能够控制基质吸力的4联式非饱和土直剪仪，对不同固结应力作用下的土-水特征曲线进行 了研究，得出如下结论：

（1）在各种不同固结应力作用下土-水特征曲线都可以用同一拟合函数式（1）来表示，拟合函数相

关系数高达0.99；固结应力仅仅影响拟合函数的参数。

（2）上述土-水特征曲线函数表达式3个参数的物理意义明确：土样残余含水率为与土性有关的参数，而与基质吸力和固结应力都无关；可变含水率表示在整个基质吸力变化过程中含水率的变化范围，随着固结应力的增加而减小；增长模量为反映含水率随基质吸力变化的度量指标，随着固结应力的增加而减小。

（3）建立了能够同时反映固结应力、基质吸力和含水率3个变量的土-水特征曲线函数表达式（9）。当固结应力0P =时，式（9）可退化为不包含固结应力的土-水特征曲线函数表达式（10）

。 参 考 文 献

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