濕化試驗

濕化試驗是指測定具有結構性的粘質土體在水中的崩解速度的一種試驗方法，它是作為濕法築壩選擇土料的標準之一。

隨著近年來土石壩建設的快速發展，土體濕化試驗研究變得尤為重要。濕化試驗大多是針對作為土石壩建築材料的粗粒料，這些材料更加經常地受到水的侵入而產生性質的變化。

基本介紹

• 中文名：濕化試驗
• 外文名：slaking test
• 學科：土木工程
• 存在問題：縮尺效應等
• 影響因素：物理特性、試驗特徵等
• 方法：“雙線法”和“單線法”

簡介

土體的濕化是指非飽和土體浸水後在自重作用下土顆粒重新調整其相互之間的位置、改變原來結構，由此使土體發生強度損失、產生變形的過程。土體受濕化作用的影響，一般都要發生體積收縮(特殊土除外)，壓縮下沉,產生濕化變形，並且其強度也會降低，因此土體在濕化後的結構特性必須重新定義。對土體濕化後的變形及強度等性質進行研究的試驗，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築材料的粗粒料，這些材料更加經常地受到水的侵入而產生性質的變化。資料顯示，細粒料在受到水分的浸入後，同樣會產生和粗粒料類似的強度損失，產生變形，因此逐漸發展了對於細粒料的濕化試驗研究。

研究歷程

20 世紀70 年代之前， 各國學者普遍採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係，局限性大。

20 世紀70 年代初期，國外學者開始採用三軸儀與“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。

劉祖德於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，研究了土在複雜應力條件下濕化過程中的應力-應變關係和附加濕化變形量。該方法隨後在國內外被普遍採用於砂礫料、堆石料的濕化變形試驗研究。

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下的應力-應變關係試驗， 假定某應力狀態下的濕化應變就是該應力狀態在自然、飽和兩種狀態下所對應的應變之差。由土體的自然、飽和兩種狀態下的試驗曲線整理出兩套相應的參數，據此計算土體的濕化應變數。此方法稱為“雙線法”，如圖1所示。

（2）把自然土樣載入到某種應力狀態，然後將土樣浸水飽和，測得土體的濕化變形量。根據測得的不同應力狀態下的濕化變形量，建立土體的濕化變形量與應力的對應關係，然後就可以直接由應力求濕化應變數。此方法稱為“單線法”，如圖2 所示。

以上兩種研究思路各有優缺點。“雙線法”改變了水與荷載對土體的作用次序， 這樣的應力狀態與實際不符；“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下的濕化變形， 要得到不同應力狀態下的濕化變形，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，發現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。

由於“單線法”符合實際的濕化過程，大多數學者都建議用“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”，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於“單線法”的，體積應變較“單線法”的稍大。“改進的雙線法”比普通的“雙線法”得到的數據較為符合實際。

濕化試驗方法

基於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、常規三軸剪下試驗、等p 下的三軸剪下試驗、平面應變試驗等。國外也有學者進行保持應變狀態和圍壓不變而使軸力鬆弛測取應力變化的試驗，如Neves（1985）。但由於這種試驗對儀器要求太高，所以目前很少有文獻涉及。

基於“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於“單線法”的濕化試驗方法：

（1）單向壓縮濕化試驗：採用單向固結壓縮儀，試驗方法是：自然樣在某一豎向壓力σv作用下固結穩定，然後保持豎向壓力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：採用常規三軸儀，試驗方法是：自然樣在某圍壓σ3下固結穩定，然後保持圍壓不變進行濕化，測記濕化變形。

（3）常規三軸濕化試驗：在常規三軸儀上進行，試驗方法是：自然樣在某圍壓σ3下固結穩定，然後保持圍壓不變增加大主應力σ1，進行三軸排氣剪下試驗。達到某應力水平後，保持應力不變進行浸水濕化，測記濕化變形。濕化完成後可以繼續進行三軸排水剪下，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：採用常規三軸儀，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，達到某應力水平後， 保持應力狀態不變進行濕化， 測記濕化變形。濕化完成後可繼續進行剪下，直到試驗破壞。

（5）平面應變試驗：採用平面應變試驗儀，試驗方法是：自然樣按照設計的某種應力路徑載入到某應力狀態， 然後浸水濕化，測記濕化變形。由於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。

影響因素

目前，濕化試驗研究發現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；從土體的試驗特徵參數來看，包括：初始乾密度、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、載入方式、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於內因，一般是長期的自然環境積累的結果，是土體自身的一種性質，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。李廣信用砂岩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， 發現砂礫料濕化變形要比堆石料小得多。張少宏等通過堆石料三軸濕化變形特性試驗發現由石英組成的石質堅硬的河床砂卵石的濕化變形要比砂岩組成的石質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。酈能惠通過現場和室內試驗指出了試樣尺寸對濕化變形的影響， 殷宗澤也指出了濕化試驗時尺寸效應的影響。因此，對於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、試驗特徵參數對濕化試驗影響

土體的試驗特徵參數對土體濕化試驗結果的影響屬於前期外因，可以通過一定的措施來改善土體中的這些參數，以達到避免土體濕化後發生事故的目的。這是在工程施工時就可以進行的控制。

初始乾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乾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。李廣信通過研究發現，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。傅旭東等通過研究指出密實度高的粘土濕化變形量較小。因而，將土體儘量壓實是減小濕化變形的有效手段，土石壩施工時應儘量碾壓密實，並控制乾容重的均勻分布，以免產生不均勻沉降。

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，而浸水濕化後其變形量要減小很多。風乾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後期的濕化變形。

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，浸水潤滑後極易滑動，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。李廣信通過試驗發現，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於細料含量明顯增加，導致遇水後濕化變形明顯增大。

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於後期外因，可以通過研究來找到土體濕化後的強度，然後控制土體濕化後所受的外部荷載來避免事故的發生。這是在工程完工後所做的控制。

應力水平是影響濕化變形的重要因素。李鵬等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，甚至變為負值。這在巨觀上表現出的特點是：在同一圍壓下，隨著應力水平的增大，試樣表現為軸向壓縮而側向膨脹。這是由於隨著濕化過程的進行，試樣顆粒在水的作用下發生軟化，稜角破碎，相互滑移，空隙增加，從而導致了試樣體積的膨脹。張少宏等通過堆石料三軸濕化變形試驗研究發現某一圍壓下， 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，同時發現當圍壓低而濕化應力水平較高時，試樣濕化產生了濕脹，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。李鵬等通過大三軸濕化試驗發現，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。張少宏等通過砂卵石和砂礫石的濕化試驗也發現了相似的規律，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。魏松等通過中三軸試驗發現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。

不同載入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場和室內濕化試驗中指出了這一點。所以濕化試驗應儘可能採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，主要是依據具體土料的濕化試驗、提出經驗計算模型、以解決工程實際問題。但是，大多數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試驗方法只局限於等壓固結試驗和常規三軸壓縮試驗， 所得結果沒有充分反映土體在複雜應力路徑下的濕化特性。②由於縮尺效應、膜嵌入效應、濕化應變測量精度等，使得試驗結果在巨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到飽和狀態的濕化變形，忽略了土體濕化變形隨含水率變化的規律，不能反映複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，所以大多數的土工試驗標準對於此類試驗都不完全適用，沒有明確的濕化試驗標準，如濕化變形穩定標準、濕化水頭標準等。