湿化问题及其研究进展

湿化问题及其研究进展

一湿化变形及湿化机理

1.1 湿化变形

地基基础工程以及土石坝等重要的水工建筑物，不可避免地要与水发生直接的接触，水位的上升使建筑物局部开始浸水，浸水后的土体由非饱和状态变为饱和状态，这时土体的结构发生变化，其应力应变关系也随之改变，各项物理力学指标有所降低，这个过程称为湿化过程。土体受湿化过程的影响，一般都要发生土体体积的改变，这种在湿化过程中的体积变化称之为湿化变形。土体产生湿化变形的原因通常有如下几种：土石坝初次蓄水；由毛细现象等引起的水位上升；大气降雨等等。

一些学者对土体的湿化和湿化变形进行了研究，对堆石料、土坝坝料土和膨胀土等分别进行了湿化试验，建立了一些土体湿化的数学模型。

1.2 湿化机理及防治

土体产生湿化变形的大小与土的三相组成和构成土的固体颗粒的结构形式具有密切的联系。

土是由固体的土颗粒、水和气体等所组成的三相体系。固相土颗粒构成土体的骨架，是土体的主要部分，一般为粘土矿物颗粒或砂粒；土颗粒之间的孔隙充满了水和气体，饱和土体，为两相体系；孔隙中水、气并存，为三相体系。

(1) 固体土颗粒

土体中的固体土颗粒是决定土的物理性质和工程性质的主要因素。一般情况下，矿物颗粒之间的作用比较稳定，具有较强的联系，因而土体的强度也比较高。土体浸水湿化后受水分子的润滑作用，矿物颗粒间的联系发生改变，土颗粒之间的作用也被削弱，土体的强度也随之降低。

土颗粒之间的关系可以从土体的狭义结构即构成土的固体颗粒的结构形式得到，它取决于土体固体颗粒的大小、形状、表面特性、相对位置和相互之间的联结等等。

目前研究比较多的还是土体固体颗粒的狭义结构以及由此建立的结构类型。

固体土颗粒按基本结构要素分为简单颗粒、团聚体和半团

聚体。这些结构要素在自然土体中不是孤立地存在的，由于一般土体均为含有多种矿物的组合体，并常常含有一定数量的砂粒，自然土体的结构类型是比较复杂的，通常可以分为四种类型：

散粒结构：土体是由大颗粒组成，颗粒间联系很少。在浸水以及压力的作用下，散粒结构很容易发生变化，由松散变得比较致密，湿化过程产生的变形和其它结构相比是最大的。

粒－膜结构：土体是由半团聚体组成，颗粒间存在某种联结，构成。在浸水以及压力的作用下，粒－膜结构也比较容易发生变化，随着颗粒之间的进一步致密，湿化过程产生的变形是比较大的。

团聚结构：土体中大小颗粒按一定比例混合，其特点是大颗粒彼此不接触。在这种结构中，颗粒之间的致密变化使总的体积变化较小，湿化过程中的变形是很小的。

融凝结构：土体基本上由细微的分散颗粒组成，无大颗粒，即使有个别大颗粒的存在，亦根本不起作用。土的所有性质完全由分散体系的特性所决定。这时土体的体积很难发生变化，湿化过程中几乎不产生湿化变形。

(2) 土中水

土中水与固体土颗粒一样，对土体的物理性质、工程性质的影响很大。土体的性质与土体的含水量、土中水的形态和物理条件、水中的化学成分有关。

土中的水可以分为强结合水、弱结合水、自由水。

强结合水是指紧靠土粒表面的结合水，不能溶解盐类和传递静水压力，具有很大的粘滞度、弹性和抗剪强度，其性质接近于固体，在湿化过程中其体积不会发生变化；

弱结合水是紧靠于强结合水的外围形成的一层结合水膜，没有溶解盐类的能力，可以从水膜较厚处向较薄处转移，具有渗透吸收的特性，在湿化过程中，其体积也不容易发生变化；

自由水是存在于土颗粒表面电场影响范围以外的水，和普通水一样，可以自由流动。自由水可以分为毛细水和重力水。

毛细水，存在于地下水位以上的透水层中，处于颗粒间的边角部位和填充于管状的孔隙之中，其体积的变化可以引起新的湿化过程，产生湿化变形；

重力水，存在于地下水位以下的透水层中，处于颗粒间的

大孔隙之中，在重力梯度作用下可产生移动。在湿化过程中，其体积易发生变化。

另外，土中的水在土体浸水饱和后，传递土体受到的外部荷载，对土体起到很大的压密作用，能够使土体发生收缩，促进土体的固结过程。

(3) 土体中的气体

土体中的气体具有较大的流动性，可以与水在一定条件下发生体积交换，土体中的气体也是影响土体浸水湿化、湿化变形的大小的重要因素。

土体中的气体大致可分为以下几种类型：

溶解气体：可以改变水的结构和溶解度的性质，当形成水化物时，它的作用更加显著；当湿度、压力增高时，可从自然溶液中释放出小气泡。气体的释放和溶解都将引起土的结构的变化，使水、气总体积减小，从而使土体在外荷载不变的情况下产生压密，在土体浸水过程中，这种体积减小将计入湿化变形内。

结合(表面吸附)气体：土的结合气体含量与土的矿物的化学成分、分散程度、土的湿度等因素有关。土体湿度增高，吸附气体的能力将降低，当湿度超过最大吸着含水量或达到饱和状态时，气体的吸附已经微不足道。在土体浸水湿化过程中，结合气体的体积也成为湿化变形的一部分。

自由与密闭的气体：是土体中的主要气体，填充与颗粒之间的大小孔隙中。控制自由气体总含量的因素有：孔隙度、湿度和物理环境特点。在土石坝的填筑过程中，表层土受水浸湿，当浸水位高时，常形成密闭气体。密闭气体的作用比较大，它可以降低土石坝的沉降量，这是一个有利的因素；随时间的推移，当密闭气体被土体中的水分吸收或者受压力影响被排除时，却又能引起土石坝的较大变形，这种变形应该计入湿化变形。密闭气体的排除见使土体的压密条件发生变化，可以使得在“干态”状态下不可压缩的土体在浸水后产生压密。

(4) 土体湿化的机理及防治

土体中最容易发生体积变化的成分为液相和气相，影响土体湿化变形大小的因素主要是土体中液相和气相的组成以及它们之间的相互关系。

土体浸水，由“干态”(不饱和)向“湿态”(饱和)过度，

增加的水分子与土体的固体土颗粒作用，其结果主要表现为使土体的各项物理力学指标有较大的改变，通常使土体的强度降低；而水分子与气体的相互作用：水分子排挤气体，同时在土体压力作用下，一些气体得以排出，等土体达到饱和时，土体中不存在吸附气体；水分可以溶解一部分气体，使得气体在土体中所占的体积减小。上述共同作用的结果，使得土体在浸水前后发生体积改变，称之为湿化变形。

湿化变形明显与否取决于土体的湿度、气体含量、压力、土体的密度和土颗粒的大小等土体的特性：原状土、超固结土，其湿化变形一般不太明显；而松软土，其湿化变形通常比较较明显。

对于大型的土石坝、初蓄水位变化较大以及施工期短的土石坝需要考虑湿化变形的影响。

在一些情况下可以忽略湿化变形的影响：30～40米以下的低矮坝；等级不重要的土石坝；严格控制施工条件和施工质量，边碾压，边撒水密实度高。

湿化变形的预防措施：在水工建筑物施工过程中，使用级配比较合理的岩土材料；分层填筑，分层碾压，一边碾压一边撒水，增加填筑的密实度，同时使材料有可能发生的湿化变形预先发生；对于地基基础工程来说，可以在工程的适当部位铺设隔水层，防止由毛细现象引发的水位的上升；设置防水和排水设施如排水沟、截水沟等，减小和防止由于降雨的影响而产生的湿化变形；对土石坝来讲，要控制水库的初蓄水位，避免水位的突变，同时要控制水位的上升和下降的速度。

二湿化变形的研究进展

浸水变形是岩土工程界长期关注的一个问题，除黄土具有湿陷性外，许多人工填土也具有不同程度的浸水变形性能。浸水湿化变形不仅对土石坝工程的变形、稳定、开裂和渗透稳定等有很大的影响，而且也常影响渠道边坡、挡土结构物和建筑物地基的性状。对土的湿化变形研究，国内外学者作了大量的工作，取得了许多成果。在利用有限元处理这类问题方面，也有许多好的观点和建议。

过去，湿化变形试验研究在单向固结仪中进行；1973年，Nobari和Duncan首先用三轴试验分别对非饱和试样和饱和试样进行了砂土的湿化变形试验，并认其相同应力状态下应变上的差

别作为湿化附加应变(双线试验法)，并提出了在非线性有限元计算中考虑湿化变形的方法，应用于分析Oroville 土坝的浸水变形。此后，不少学者从试验和计算方法上做了进一步的研究。

刘祖德首次提出多线试验法湿化试验。其方法为首先按常规三轴试验步骤在一定围压3σ下将干试样等向压缩到体积不变，然

后施加轴向压力，达到一定应力水平后，浸水饱和测浸水湿化变形量；在浸水饱和过程中，保持试验压力状态不变，测定湿化引起的轴应变增量a ε?、径向应变增量r ε?，最后再对此试样继续加

荷，直到破坏，在不同应力水平条件下，分别进行湿化变形试验。通过风化砂的湿化试验表明，在无偏应力的静水压力作用下，湿化体应变也是可观的，所有土样经湿化后，变形模量显著下降，Oroville 坝计算中采用自原点出发的干湿两条应力应变曲线直接跳跃的方法来处理湿化变形是不正确的，文中还推出了本次试验土料的湿化变形与应力状态关系的归一化公式。即

K a

aw =ε?，)1(K

c b vw -=ε? ； (1) 式中 aw ε?—湿化引起的轴应变；vw ε?—湿化引起的体应变；

K —侧压力系数，K =13/σσ；a ，b ，c —三个试验常数，视土质而定。

这之后，不少学者利用该方法对不同的填土(包括砂性土、粘性土、黄土)进行多线试验法试验。

陈慧远对砂土进行了双线试验法和多线试验法试验，结论认为在侧压力为常数的情况下进行湿化变形试验，所得到的饱和试样的应力～应变曲线在破坏前，有时不一定在干态的曲线之上；此时，将干态与饱和态曲线比较不能够反映湿化变形，并且得到的浸水体变和轴应变比多线试验法的小，应采用多线试验法求土料湿化变形。文中还对碧流河土石坝进行考虑湿化影响的应力应变分析。具体方法是把风干土样加荷到某种应力状态(31σσ和)，浸水饱和测湿化变形量，组合各种31σσ和，测得各应力状态下的

湿化变形量，把测得的湿化应变与相应应力状态下干土应变相叠加得假象的饱和状态，根据各应力下饱和状态的应变整理出本构模型的湿态参数，以后仍采用干湿两种状态计算应变之差作为湿化应变。

陆士强对粘性土进行了多线试验法湿化试验。粘性土也会产生附加应变，并得出该次试验下湿化附加应变值与应力水平及固

结压力三者之间的关系。多线试验法（特别在固结压力偏小时）得出的附加应变大于饱和试样与非饱和试样相应的应变差值，认为当土料湿化效应显著时要考虑用湿化试验来测定湿化应变值。

殷宗泽等提出了一种在有限元计算中考虑土坝浸水变形的方法。用更能反映浸水变形特性的双屈服面弹塑性本构模型代替Duncan —Zhang 模型，用增量法求浸水变形，克服全量法带来的缺点，并对小浪底土坝初次蓄水进行变形分析。

李广信对堆石料进行多线试验法和双线试验法湿化试验，用双线试验法得到的堆石料的湿化变形偏小。堆石料压实后湿化变形显著减小，轴向变形减少更明显，从用相似模拟制成的小试样的室内试验得到的湿化变形比现场值偏大。本文还提出了湿化割线模型，其与干、湿状态下土的双曲线模型配合，可进行土石坝初次蓄水时应力变形分析。

沈珠江等引用非饱和土毛细管吸力丧失理论解析土石料的浸水软化现象，分析了三峡工程二期围堰应力变形。计算中将初始切线模量n a a i P kP E )(3σ

=中3σ用3σ+μ代替，μ为毛细吸力。土体饱和时μ为0，非饱和时不等于0。

王春江等用有限元方法研究了软弱地基上粉质粘土填料路基发生纵向裂缝的成因，分析表明填方路基浸水引起的湿化变形、填土的密度及车辆超载是引起路面发生裂缝的主要原因。

从上述综述看出，湿化变形试验及计算方法有两种，对多线试验法，把风干土样加荷到某种应力状态，浸水饱和测湿化变形量，组合各种31σσ和，测得各应力状态下的湿化变形量，然后拟

合湿化变形量与应力的关系，有限元计算中，直接由应力求湿化应变，并假定与应力路径无关。也有把测得的湿化应变与相应应力状态下干土应变叠加得假想的饱和状态应变，整理出假想的饱和状态的本构模型的参数，采用干、湿态应变差作为湿化应变。对双线试验法，得出干、湿两种应力应变关系，然后根据有限元计算中选用的本构模型，由两种状态下的试验曲线整理出两套参数，采用干、湿态应变差作为湿化应变量。

土的湿化变形在土坝等填方体的有限元计算中占有十分重要的位置，解决了相应的一些工程问题，通过有限元进行坝体的应力应变分析，可以预测坝体的沉降和不均匀沉降，坝体可能出现破坏的部位，从而采取措施，减小湿化对工程的影响。但从检

索的文献看，土石坝设计中，一般仅考虑浮力和水压力的作用，在较高的土石坝设计中才考虑湿化作用的影响，对有关湿化影响分析的文献较少；在湿化附加应变计算过程中，大多采用从原点出发的干湿两条应力应变曲线（所谓双线法）来处理湿化变形，没有考虑在静水压力作用下的附加应变量。