不同条件下非饱和土中孔隙气压变化特征研究.pdf
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1、第 卷第期有色金属(矿山部分)年月 d o i:/j i s s n 不同条件下非饱和土中孔隙气压变化特征研究王帆,徐啸川(桂林矿产地质研究院工程有限公司,广西 桂林 ;中国地质大学(武汉)工程学院,武汉 )摘要:在研究土体内水的渗透行为时,通常直接采用压力表测量孔隙水压力.实际上压力表的测量值中包含了孔隙水压和孔隙气压.通常假设土体内的孔隙气压为k P a,所以一般没有考虑孔隙气压的影响.然而,根据近年来的研究认为,土体内孔隙气压的上升可能会对降雨时的边坡破坏、雨水渗透等产生影响.因此,在本研究中,为了掌握不同条件(降雨条件、地下水条件、排气条件)下的孔隙气压情况,进行了雨水渗透情况下土体内
2、孔隙气压的测量试验.结果表明,由于地表处于内涝状态,土体内的孔隙气压会上升,说明了降雨时测量孔隙气压是极为必要的.研究结果为弃土边坡的长期运行与监测预警提供一定的理论依据.关键词:土体;降雨;孔隙气压;孔隙水压;压力表中图分类号:T D 文献标志码:A文章编号:()V a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp o r ep r e s s u r e i nu n s a t u r a t e ds o i l su n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n sWANGF a n,XUX i
3、a o c h u a n(G u i l i nI n s t i t u t eo fM i n e r a lG e o l o g yE n g i n e e r i n gC o,L t d,G u i l i nG u a n g x i ,C h i n a;S c h o o l o fE n g i n e e r i n g,C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s(Wu h a n),Wu h a n ,C h i n a)A b s t r a c t:P r e s s u r eg a u g ei
4、su s u a l l yu s e dd i r e c t l yt om e a s u r ep o r ew a t e rp r e s s u r ew h e ns t u d y i n gt h es e e p a g eb e h a v i o ro fw a t e r i nt h es o i l T h eg a u g ea c t u a l l ym e a s u r e sb o t hp o r ew a t e rp r e s s u r ea n dp o r ep r e s s u r e I t i su s u a l l ya s
5、 s u m e dt h a t t h ep o r ep r e s s u r e i nt h es o i lb o d y i sk P a,s ot h ee f f e c to fp o r ep r e s s u r e i sn o t c o n s i d e r e d i ng e n e r a l H o w e v e r,a c c o r d i n gt or e c e n t s t u d i e s,i t i sb e l i e v e dt h a t t h e r i s eo f p o r ep r e s s u r e i
6、 nt h e s o i l b o d ym a yh a v ea n i m p a c to ns l o p ed e s t r u c t i o na n dr a i n w a t e r i n f i l t r a t i o nd u r i n gr a i n f a l l T h e r e f o r e,i nt h i ss t u d y,i no r d e rt om a s t e rt h ep o r ep r e s s u r eu n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s(r a i
7、n f a l l,g r o u n d w a t e r,a n de x h a u s t),t h ep o r ep r e s s u r em e a s u r e m e n tt e s t i nt h es o i lb o d yu n d e r t h e c o n d i t i o no f r a i n w a t e r i n f i l t r a t i o nw a s c a r r i e do u t T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h ep o r ep r e s s u r e i n
8、t h es o i lw i l l r i s ed u e t ot h ew a t e r l o g g i n gs t a t e,w h i c h i n d i c a t e s t h a t i t i sv e r yn e c e s s a r yt om e a s u r ep o r ep r e s s u r ed u r i n gr a i n f a l l T h er e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i s f o r t h e l o
9、n g t e r mo p e r a t i o n,m o n i t o r i n g,a n dw a r n i n go f t h ea b a n d o n e ds o i l s l o p e K e yw o r d s:s o i lm a s s;r a i n f a l l;p o r ep r e s s u r e;p o r ew a t e rp r e s s u r e;p r e s s u r eg a u g e收稿日期:基金项目:湖北省重点研发计划项目(B C A )作者简介:王帆(),男,工程师,从事岩土工程相关工作,E m a i
10、l:s h u c o m.近年来,随着气候异常,在异常暴雨来袭期,我国各地因降雨引发各类弃土边坡失稳破坏.国内外诸多学者对降雨条件下的边坡稳定性进行了大量研究,但是大部分稳定性分析模型并未考虑孔隙气压的存在 .研究表明,通过雨水渗透,土体中的孔隙水压增加,对土的强度降低的影响很大.到目前为止,许多研究人员为了预测边坡破坏的情况,进行现场监测时,常用压力表对不饱和土中的孔隙水压进行测量.但是,对于使用压力表测出的结果,因假设土体内的孔隙气压为k P a,所以是在没有掌握实际土体内孔隙气压变动的情况下进行测量的.也就是说,使用压力表测量的结果是土体内孔隙水压第期王 帆等:不同条件下非饱和土中孔隙
11、气压变化特征研究和孔隙气压混淆的结果.Z HANG等通过研究认为,在降雨情况下非饱和土区域产生孔隙气压会影响边坡的稳定性.韩同春等研究认为,孔隙气压力在大面积降雨的情况下对滑坡破坏具有明显的延时性.李援农等 通过试验证明土体中空气在入渗过程中起到减渗效应.综上所述,土体内气压上升对降雨时的边坡破坏和雨水渗透有影响,为了掌握土体内的渗透情况,必须要了解孔隙气压测量的正确方法及孔隙气压的变化机理.因此,本文通过使用边界条件和初始条件明确的圆柱土槽进行一维渗透试验,验证了孔隙气压对压力表测量结果产生的影响规律.同时,研究了降雨时土体内孔隙气压的变化机制.土体内孔隙气压测量的原理及方法当土中的孔隙气压
12、不为零时,压力表所测得的数据中就包含了孔隙气压的值.本研究中,从压力传感器测量的值用uw表示,孔隙水压计算式见式():uwuwua()式中:uw孔隙压力(压力表的值);uw孔隙水压;ua孔隙气压.迄今为止,在使用土槽进行渗透试验时,对孔隙气压进行测量的研究有很多.然而,许多文献并没有准确描述测量方法,大多数直接采用“孔隙气压计”的测量值,对实际状况的明确描述较少.测量方法大致分为将管道插入地面并测量管道内的压力(间接法)、直接埋设压力表(直接法).直接法是将压力表埋在土体内,可能导致传感器故障,而且在传感器故障的情况下不能轻易更换,因此本文采用间接法进行测量.试验中发现常用的P V C管外径为
13、mm、内径为mm,通过与压力计连接的方式进行测量,存在一定的误差.因为当水随着水位上升流入管内时,即使周围的水位下降,由 于管的内径 较 小,会 引 起 水 膜 的 变化,水膜始终存在,有可能无法准确测量土体内的孔隙气压.因此,采用与压力表端口直径相同的P V C管(外径 mm、内径 mm).另外,由于需要将其插入土体内安装,所以将前端 mm部分的管道内径和外径之间的厚度调整为mm(即内径 mm)(图).图管头结构示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo fp i p eh e a ds t r u c t u r e由于与大直径管道一样的原理,前端放入
14、水中后拉起时不会附着水膜,因此本研究使用该方法,基本消除了水膜效应造成的误差.测量孔隙气压时,当地下水上升而导致测量部位土体饱和、孔隙空气消失,水通过管道流入测量部时,此时不是空气而是水对管道内空气进行了压缩,因此测量过程中自由水面上升至测量部位时为无法准确测量的阶段.使用一维圆柱土槽对孔隙气压的测量采用边界条件和初始条件明确的圆柱土槽,通过改变降雨条件、地下水条件和排气条件,对孔隙气压的变化和压力表显示的孔隙水压进行了研究.圆柱土槽的制作和试验样品本试验采用了直径 c m高 c m的圆桶,底面部 c m处设有用于控制边界条件的空间和阀门.本试验中使用的土的物性特性如表所示,土柱高度为 c m
15、.在制作阶段,在土柱下部 c m的高度处设置了压力表、孔隙气压计、土壤水分计.孔隙气压计在设置时采用了大气压开放值(uak P a)的埋设方式.为了使压力表部分与周边地面的压力平衡,放置 h后进行试验,试验装置结构如图所示.表土体物理参数T a b l eP h y s i c a l p a r a m e t e r so f s o i lm a s s含水量w/干密度d/(gc m)间隙比e 最大颗粒大小/mm 土壤颗粒密度s/(gc m)最小干密度d(m i n)/(gc m)最大干密度d(m a x)/(gc m)有色金属(矿山部分)第 卷图试验装置结构示意图F i g S t r
16、 u c t u r ed i a g r a mo f t h e t e s td e v i c e 计量设备本试验使用了压力表、孔隙气压计和土壤水分计,以 s为间隔进行记录.压力传感器和P V C管中间采用软管连接,在P V C管 的 尖 端 设 置 过 滤 网.采 用 额 定 量 程 为 k P a的压力表进行测量.为了测量土壤水分,采用了介电常数型土壤水分检测仪.测量范围为 VWC,精度为 (校准实施时为),测量部位尺寸为长 c m宽 c m厚 c m.试验方案试验方案如表所示.分别设置了不同的降雨条件、排气条件和地下水条件,进行了 种不同的试 验 方 案.降 雨 强 度 分 为种
17、:、mm/h.排气条件采用排气或不排气两种模式,地下水条件采用有无地下水两种模式.排气条件方面,在圆柱土槽底部安装了阀门,以控制排气条件.地下水条件方面,将水灌至 c m高度的底部的状态视为有地下水.在方案至方案中,降雨装置的雨滴直径大约为 mm.在方案 至方案 中,降雨装置的设计雨滴直径约为 mm,但实际观察到降雨强度为 mm/h时雨滴大小变得非常细.表试验方案T a b l eE x p e r i m e n t a l s c h e m e方案降雨条件/(mmh)排气条件地下水条件方案方案方案 不排气排气有地下水无地下水方案方案方案 不排气排气有地下水无地下水方案方案方案 不排气排气
18、有地下水无地下水方案 方案 方案 不排气排气有地下水无地下水 试验结果和分析图 为在各排气和地下水条件下,在降雨条件为、mm/h时的孔隙气压、孔隙压力测量值,以及利用公式()计算测量结果得到的孔隙水压、体积含水率的时序变化图.图内的第一个箭头表示降雨时地表被降雨淹没的时间点;第二个箭头表示,在上文提到的测量方法下地下水位上升到测量深度,测量部位不存在孔隙气压,因此为不可能测量的领域.在各排气、排水条件下,根据降雨条件(、mm/h)的不同,总结了孔隙气压的变化趋势.不排气、有地下水条件下的测量结果土槽底面部不排气、有地下水时的孔隙气压、孔隙压力、孔隙水压的时序变化如图所示,孔隙气压、体积含水率的
19、时序变化如图所示.在孔隙气压上升后,出现了急速下降的倾向,这是由于试验中观察到土中孔隙空气体以气泡形式从地表流出而导致的.由于孔隙气压急剧下降的同时,孔隙压力和孔隙水压也在增加,所以可能发生了孔隙内空气和水的置换.可见,降雨强度越大,孔隙气压开始上升的时间越早,这与雨水淹没土槽表面的时间有关.关于孔隙气压增加量,计算出从孔隙空气的初始值到在孔隙气压测量的测量范围内地下水位到达测量第期王 帆等:不同条件下非饱和土中孔隙气压变化特征研究图不同降雨强度下不排气和有地下水条件下的孔隙气压、孔隙水压力和孔隙水压力测量结果(案例、)F i g M e a s u r e m e n t r e s u l
20、 t so fp o r ep r e s s u r e,p o r ew a t e rp r e s s u r e,a n dp o r ew a t e rp r e s s u r ew i t h o u t e x h a u s t a n dw i t hg r o u n d w a t e ru n d e rd i f f e r e n t r a i n f a l l i n t e n s i t i e s(C a s e,)地点为止的孔隙气压差,方案为 k P a,方案为 k P a,方案为 k P a.与降雨强度为 mm/h的方案相比,降雨强度为 mm/
21、h的方案的孔隙气压值明显增大,这表明随着降雨强度的增加,孔隙气压的上升量也有可能增加.就压力表测得的孔隙压而言,随着降雨而增加,与体积含水图不同降雨强度下不排气和有地下水条件下孔隙气压和体积含水量的测量结果(案例、)F i g M e a s u r e m e n t r e s u l t so fp o r ep r e s s u r ea n dv o l u m e t r i cw a t e rc o n t e n tw i t h o u t e x h a u s t a n dw i t hg r o u n d w a t e ru n d e rd i f f e
22、r e n t r a i n f a l l i n t e n s i t i e s(C a s e,)率的增加趋势相似,因此可以捕捉到渗透过程.在孔隙水压方面,由于从雨水淹没地表到孔隙空气体形成气泡从地表流出的过程中,没有空气的排泄通道,孔隙内的水和空气很难进行置换,因此,孔隙水压没有变化.由此可见,通过从孔隙压力中排除孔隙气压的影响,孔隙水压的行为更加明显.有色金属(矿山部分)第 卷 不排气、无地下水条件下的测量结果土槽底面部在不排气、无地下水的情况下的孔隙气压、孔隙压力、孔隙水压的时序变化如图所示,孔隙气压、体积含水率的时序变化如图所示.降雨强度越大,雨水开始淹没地表的时间越早,孔
23、隙图不同降雨强度下不排气和无地下水条件下孔隙气压、孔隙压力和孔隙水压力的测量结果(案例、)F i g M e a s u r e m e n t r e s u l t so fp o r ep r e s s u r e,p o r ep r e s s u r e,a n dp o r ew a t e rp r e s s u r eu n d e rd i f f e r e n t r a i n f a l l i n t e n s i t i e sw i t h o u t e x h a u s t a n dw i t h o u t g r o u n d w a t
24、e r(C a s e,)图不同降雨强度下不排气和无地下水条件下孔隙气压和体积含水量的测量结果(案例、)F i g M e a s u r e m e n t r e s u l t so fp o r ep r e s s u r ea n dv o l u m e t r i cw a t e rc o n t e n t u n d e rd i f f e r e n t r a i n f a l l i n t e n s i t i e sw i t h o u te x h a u s t a n dw i t h o u t g r o u n d w a t e r(C a
25、 s e,)气压开始增加的时间也就越早.关于孔隙气压增加量,计算出从孔隙空气的初始值到在孔隙气压测量的测量范围内地下水位到达测量地点为止的孔隙气压差,方案为 k P a,方案为 k P a,方案第期王 帆等:不同条件下非饱和土中孔隙气压变化特征研究为 k P a,随着降雨强度增加,孔隙气压的上升量也有增加的趋势.在孔隙压力和孔隙水压方面,由于没有地下水条件,因此初始孔隙水压比有地下水时(图)小.另外,在孔隙气压上升期间孔隙压力及孔隙水压几乎没有变化,但当孔隙气压停止增加时,孔隙压力及孔隙水压呈上升趋势.从图中可以判断出,由于孔隙气压急剧下降(气泡从地表流出,压力下降),孔隙内的水和空气发生了置
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