摘要：简要回顾了非饱和土力学的研究历史及研究意义。结合南水北调中线工程中的膨胀土问题，探讨了非饱和土理论在渠道工程设计中的应用前景，重点论述了非饱和土抗剪强度理论及其简化计算方法，并从膨胀土的破坏机理、变形特点和强度特征出发，探讨了膨胀土渠坡工程处理措施和处理原则，为南水北调中线工程膨胀土渠段的设计和施工开拓了新的思路。
关键词：非饱和土；膨胀土；南水北调
中图分类号：TV68；TU4
文献标识码：A
文章编号：1672-1683(2008)01-0143-05
Mechanics for Unsaturated Soils and Its Application in the South-to-North Water Transfer Project
GONG Bi-wei，LI Qing-yun，WEN Song-lin
(Key Lab of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，
Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China)
Abstract：The research status and significance of the unsaturated soil mechanics at home and abroad are reviewed. For the problem of expansive soil at the Middle Route Project of South-to-North N Water Transfer，this paper covers an analysis on stability method of expansive soils slope，determination of expansive soils strength，rational design of canal slope ratio and support.
Key words：unsaturated soils；expansive soil；South-to-North Water Transfer Project
1 前 言
土力学是研究土的工程特性的科学。土力学发展至今，已形成了一套完善、独立的理论体系。土力学的研究对象——土，通常被视为两相体，即认为土是由土粒和孔隙水组成。对大多数工程来讲是一种合理的简化，但是，随着研究的逐渐深入，人们已经注意到，对于某些特殊区域或特殊性质的土，这种简化将造成理论分析的失误。如在膨胀土地基基础的设计中，如果单纯按照膨胀土的现有强度进行设计，则有可能将强度参数估计过高，造成工程隐患；如果按照膨胀土的最低强度进行设计，又势必造成工程的极大浪费。因此，合理的提出膨胀土在不同状态下的强度参数是工程的客观需要。不仅如此，膨胀土等非饱和土的变形性能也会随饱和度的不同发生变化，这些问题都是经典土力学难以解决的，因此研究土体在三相(非饱和)状态下的工程力学性质是土力学发展的趋势。从某种意义上讲，经典土力学只是现代土力学的一个分支，而完整的土力学原理应当是包含有饱和土和非饱和土两大内容的工程力学。
2 非饱和土的研究历史及研究意义
2.1 非饱和土的研究历史
非饱和土的研究始于20世纪30年代[1]，当时由于国外水利建设及交通工程的大规模兴建，出现了许多地下水位以上的水体流动问题。例如，低于防渗心墙的地下水在“毛细作用”下向上越过心墙所形成的渗流问题；地基及基础中的负孔隙水压力等。这些问题的出现促使工程技术人员对非饱和土的课题开始进行研究。在随后的近20年中，非饱和土的研究多局限于毛细水的流动问题。这主要是由于土在三相状态下的强度、变形等参数的量测十分复杂，使有关的理论研究进展缓慢。20世纪50、60年代，由于太沙基的有效应力公式在描述饱和土性状方面取得的巨大成功，使人们不约而同的把建立非饱和土的有效应力公式作为目标，其中，以Bishop[2]的有效应力公式影响最大，即：
Bishop公式在一段时间内得到了岩土工程师的认同。Donald和Blight曾分别用无黏性粉土和击实土进行试验以验证Bishop公式的正确性。
1977年，Morgenstern和Fredlund提出了建立在多相连续介质力学基础上的非饱和土应力分析，建议用两个独立的应力状态变量(σ-ua)和(ua-uw)建立有效应力表达式，并采用“零位”试验验证了该论点的可行性。在此基础上，Fredlund(1978)建立了基于双应力状态变量的非饱和土的抗剪强度表达式，将摩尔—库伦准则推广到以τ、(σ-ua)和(ua-uw)为坐标轴的三维空间，并由此初步建立了非饱和土变形、强度和渗流分析理论体系，以及应力—应变本构模型，为非饱和土力学的创建奠定了基础[1]。
2.2 非饱和土的研究意义
自然界中的土是由土颗粒和颗粒间的孔隙组成的，土颗粒孔隙中既含有液体，还含有气体，由于其含量不同，导致土体在受到外力作用时所反映出来的力学性质各有不同。包承纲[4]先生曾经在1978年采用土壤的毛细压力试验(吸力与含水量关系试验)和气渗性试验研究了土壤在不同状态下的毛细水压力情况。他认为，非饱和土在负孔隙水压力作用下的气相状态可以分为4种形态，即气连通、部分连通、内部连通和气封闭等。当孔隙中的气相以完全连通方式存在时，气渗性与含水量无关，土体有效应力表达式为σ′=(σn-ua)；随着含水量的增大，孔隙中的气体体积逐渐减少，并形成半封闭或封闭的气泡，孔隙气体以部分连通或内部连通状态存在，此时，土壤的负孔隙水压力(土中吸力)逐渐减小，土体有效应力表达式中应当分别考虑孔隙气压力和孔隙水压力的影响；当土壤中的含水量很高以后，气相完全为液体所包围，体积微小，并只能随液体一起流动，可视为一种挟气水的二相体系。此时，土体基本达到饱和状态，土壤的气渗性极小，负孔隙水压力基本为零，土体有效应力表达式与饱和土相同。由此，他认为，非饱和土的关键问题就在于土中气体对土体性质的影响，而且这种影响是通过负孔隙水压力产生的，也即非饱和土力学中所谓的土中吸力(Suction)。
研究表明，土中吸力的存在是造成土体不符合经典土力学理论的主要原因。由于土中吸力的影响，使得岩土工程问题，尤其是一些特殊土的工程问题更加复杂[1]。
众所周知，膨胀土与黄土均是受水份影响较大的土类，膨胀土的胀缩变形，内因是土体的矿物成分和天然结构，外因则是降雨、气候或地下水的共同作用。膨胀土的胀缩性、裂隙性和超固结特性实质上均与土体内部孔隙变化及水、气比例关系有关。膨胀土水份变化均由孔隙气、水相互作用所控制，研究膨胀土、黄土等非饱和土的变形及强度问题，必须探讨孔隙气、水对它们的影响，如果简单的将其视为饱和土，必然导致理论分析上的失误。这方面较典型的问题有：膨胀土的抗剪强度表现出明显的变动强度特性，膨胀土在干、湿状态的强度相差极大，如果单纯按照土体的现有强度进行设计、计算，则有可能随时间增长产生边坡失稳的隐患；又如果以土体的最低强度(如残余强度)进行设计，势必造成工程极大的浪费。膨胀土、黄土均是最典型的非饱和土，对它们的性质研究，必须本着科学、负责的态度。
3 非饱和土理论在南水北调中线工程中的初步应用
3.1 南水北调中线工程膨胀土渠段的主要技术难题
南水北调工程是目前我国乃至世界上在建的最宏伟的调水工程，中线工程总干渠跨越了长江、黄河、淮河、海河等多个流域，以及从南往北的气候带和不同地质结构，存在着诸如膨胀土、黄土、砂土等特殊性质的岩土，尤其是有数百公里渠段将穿越膨胀土地区，对这些渠段的断面设计以及相应的工程处理措施，一直是工程技术人员所关注的问题[12-14]。目前，在南水北调中线工程总干渠膨胀土渠段有以下主要技术问题有待探讨。
(1)膨胀土抗剪强度试验方法及指标的选取；(2)膨胀土渠道合理的断面形式、边坡坡比及处理措施；(3)膨胀土边坡稳定分析方法；(4)膨胀土作为填方土料的可行性及处理措施研究；(5)工程运行期渠坡的变形与破坏的长期监测等。
其中，膨胀土抗剪强度是渠坡的稳定分析、断面设计、渠道处理措施设计的基础。以往对膨胀土的边坡，一般均按照饱和黏性土设计，忽视了土体内部结构、裂隙面、胀缩性等客观因素对抗剪强度的影响，这样的设计往往是简单的放缓边坡，结果导致工程量增大，造成大量宝贵农田的浪费。之所以产生这样的情况，主要是因为研究手段和研究理论的严重滞后，使得工程设计人员不得不按照“最安全”的方法进行设计。然而，如果不了解膨胀土破坏的内在原因，不掌握膨胀土边坡变形的真实机理，即使如此，也难从根本上解决膨胀土滑坡的隐患。非饱和土力学的创立，使上述问题的解决成为可能。
3.2 非饱和土强度理论在膨胀土中的初步应用
3.2.1 非饱和膨胀土强度的变动性 研究表明，膨胀土边坡在一定深度范围内的含水率随着降雨、温度、蒸发等环境因素发生变化，而含水率的变化将使土体的负孔隙水压力——基质吸力随之改变[15-16]。由于非饱和土的抗剪强度中一项十分重要的分量与基质吸力密切相关，因而，非饱和土的抗剪强度随之呈现出显著的“变动强度”特性，即干强度高，饱和强度低(如图1)。常规的膨胀土抗剪强度试验是先将试样饱和，然后再进行剪切，由此得到的强度指标也是饱和土的指标。显然，在土体绝大部分时间为非饱和或根本不可能饱和的情况下，采用饱和土强度指标进行设计是存在疑问的。因此，应该重视非饱和土强度的测试和应用研究。
图1 抗剪强度参数φb与吸力的关系
3.2.2 预测非饱和膨胀土强度指标的经验公式 非饱和土强度可以通过非饱和土试验测定，然而，由于非饱和土试验还存在一些测试方法、技术和测试设备上的困难，短期内难以普遍开展。同时，这样的试验是相当耗费时间和精力的，而且也非一般岩土试验室所能完成。因此，Vanapalli和Fredlund[17](1995年)，在对非饱和土中各相细观分析的基础上，提出了用土水特征曲线(SWCC-Soil-Water Characteristics Curve)来预测非饱和土抗剪强度的经验公式：
3.3 膨胀土渠坡稳定分析
岩土边坡稳定分析目前多采用极限平衡法，通常是已知、假定或试算最危险滑动面，由滑动面上的滑动力和抗滑力的对比来判定土坡的安全系数，其中土的强度采用饱和土强度。这是一种宏观的力系平衡的分析方法。对于边坡滑动面附近土体为非饱和的情况，尤其是土体饱和度受降雨或蒸发作用而反复变化的情况，这种计算方法则难以反映工程实际。以南阳某膨胀土渠坡的稳定分析为例，渠道边坡设计坡比为1：2.5，坡高12 m。分别考虑4种计算工况：①常规极限平衡分析；②降雨入渗；③地表蒸发；④负孔隙水压力与静水压力平衡。其中工况①为不考虑吸力对抗剪强度影响的饱和土极限平衡分析，工况②③④为考虑了吸力作用的非饱和土极限平衡分析，计算成果如表1。
由表可见，按照常规的饱和土理论计算出来的边坡安全稳定系数仅0.79，即边坡已处于破坏状态，这与实际情况不符，而采用非饱和土理论计算的渠道天然状态(吸力与静水压力平衡)和降雨入渗时边坡稳定安全系数，则基本上反映出安全系数随着膨胀土饱和程度变化的趋势。说明按目前规范所建议的边坡稳定计算方法存在一定的误差。
以上分析仅仅反映出饱和和非饱和土理论在工程应用中的某些差异，实际工程中边坡的失效破坏机理及形式可能不仅仅是整体剪切破坏那么简单。例如，土体的膨胀力在边坡失稳中的作用机理?对于平缓的膨胀土边坡，按饱和强度验算是稳定的，为何还会滑动失稳呢?显然，仅从宏观的整体分析难以解释。这里有二个问题：一是膨胀土的非饱和强度到底是比饱和强度高还是低?二是破坏形式是整体滑动还是多米诺骨牌式的连续局部破坏?对于前者，膨胀土在反复的干湿循环下，土的微观颗粒结构可能逐步达成一种定向的不稳定排列，如果存在渗流还可能加剧这种排列，使得某一方向的抗剪强度大大降低，出现严重的各向异性，类似于结构力学中“结构”变为“机构”的机理。这种“机构”只在膨胀土原位状态下存在，一旦取样试验(取样扰动、加围压扰动等)则“机构”不复存在，使得试验所得的抗剪强度偏高。以上只是一种推测，需要从微观和细观上对膨胀土的强度问题进行研究。对于后者，由于膨胀土的反复干湿循环、内部裂纹的反复张开、闭合与重组，以及土强度的严重的各向异性的产生，则土坡的破坏可能是单元式的破坏，这种单元式的破坏可能扩展到整个土坡，表现出来可能是多次局部滑动以及不止一个滑动面。
基于上述考虑，对于非饱和土，尤其是膨胀土等特殊土的问题，有必要进行一些细致的微、宏观结合的试验研究，探讨其强度变化及破坏的本质。
4 膨胀土渠道处理措施
4.1 降雨对渠坡稳定的影响
长江科学院曾先后两次在鄂西北膨胀土地区开展天然膨胀土渠坡的现场试验研究工作，分析研究了膨胀土渠坡在降雨条件下的破坏形态和破坏机理[22-24]。1996年在引唐灌区大岗坡二级泵站进行了为期3个月的现场监测，运用了国产热传导探头和张力计监测膨胀土坡在降雨期间的吸力反映，成果显示：膨胀土边坡的土中吸力在土层深度方向呈指数函数分布，表层吸力较大，随深度吸力减小；同时，膨胀土边坡中存在吸力“影响深度”，此深度以上，膨胀土的变形、强度等受到降雨、裂隙分布、气温等环境因素的影响。在此深度以下至地下水位以上，吸力几乎不受降雨的影响。
2001年在香港RGC研究基金资助下，采用大型喷灌系统模拟降雨，在31 m×16 m(长×宽)的渠道边坡上，进行了降雨对渠坡稳定影响的大型现场试验，全面监测和分析了降雨期间渠道边坡的变形、强度、吸力、含水量变化规律，得到了以下基本认识。
(1)降雨将引起渠坡1.0 m以内的浅层土体膨胀，并且，坡上裂隙发育部位的土体的膨胀量比坡下更大。(2)渠坡的最大变形发生在表层和渠坡软弱构造带。(3)膨胀土的吸力是渠坡稳定的重要因素，降雨导致的吸力降低、抗剪强度(主要是凝聚力)衰减是滑坡的内在机理。(4)降雨仅对浅表层土体吸力影响较大。吸力开始降低的反映时间，对初始吸力较高的土体，一般在持续降雨1 d以后；对初始吸力较低的土体，一般在持续降雨2 d以后；同时，吸力锐减的速率，无论是坡上、坡中和坡下，是基本一致的，即浅表层土体一般只需一天甚至几个钟头，而深层土体(1.5~3 m)一般需要2 d，吸力即由初始值降低到最小值。测斜观测成果也反映出此时的位移量有明显增大的趋势。
4.2 渠坡稳定处理措施
基于现场试验所揭示的膨胀土变形、破坏的机理，膨胀土渠坡稳定处理措施，应主要针对膨胀土的裂隙性、膨胀性、吸水软化等三个突出的特性，采取对应的处理措施[25]，具体有以下方法。
4.2.1 裂隙处理 膨胀土的破坏，源于水对土体的作用，而水主要是通过土体的裂隙入渗的，这里所指的裂隙，除了一般肉眼可见的裂缝外，更重要的是膨胀土形成过程中所存在的软弱结构面和黏土矿物成分聚集的条带状裂隙面。这些裂隙面失水开裂，吸水膨胀。同时，它们还是土体主要的储水层，因此，膨胀土的治理首先必须解决土体的裂隙问题。根治裂隙的最佳措施就是破坏原有土层结构，释放出膨胀土由于超固结所聚集的能量。具体可采用局部翻挖回填的工程处理措施。结合前面所提出的分析成果，翻挖的深度一般以大气影响深度为限。值得注意的是，翻挖回填的密度不应以最优含水量和最大干密度为准，而应该以膨胀势最小作为填筑控制标准。
4.2.2 膨胀性处理 膨胀土的膨胀力和吸力的本质不尽相同，但它们是相互关联、相互转换的，当土体干燥时，膨胀势以吸力形式“储存”在土体之中，而一旦有水进入，吸力以膨胀的形式释放。因此，对于膨胀土的胀缩特性，主要应从两方面进行处理。首先，应尽可能避免膨胀土与外界的水量交换，保持土体水分恒定，即保持吸力恒定；其次，还应当考虑采用吸收膨胀能的处理措施。渠坡土体保持有一定的吸力，对于边坡稳定是有利的。吸力对抗剪强度的贡献已是众所周知的事实，认识这一事实，并在工程加以利用，能转换膨胀土的不利因素为有利因素，要做到此点，仅做好坡面防护是不够的，还应该在土体内、外设置必要的排水系统，使坡面的渗水和地下水能迅速排出坡体。
膨胀土渠坡的破坏，尤其是渠道衬砌的破坏，除了由于土体浸水导致抗剪强度降低外，膨胀以膨胀能力或以膨胀量为表现形式的能起着十分重要的作用。局部支挡是常用的处理措施之一，但往往实际工程中由于对膨胀力的重视不够，支挡和护坡破坏的事例屡屡发生。根据长江科学院现场试验中的观测数据，中膨胀性土在降雨之后的最大膨胀量约为30 mm，因此，可考虑采用“柔性衬砌”型式，将此部分膨胀力予以吸收。同时，在土体失水收缩的过程中还可起到变形协调的作用。具体的衬垫材料和厚度应通过试验确定。此外，采用对坡面附近的土体进行加筋的方法也值得研究。
4.2.3 坡面防护和排水处理 膨胀土渠坡的渗透性主要受裂隙的控制，降雨首先沿裂隙面渗入土体，然后在土体内扩散，因此，做好坡面防护是十分重要的。常用的坡面防护措施主要有：坡面纵向和横向排水沟；坡面植草、混凝土框格等。
综合考虑膨胀土的破坏特征，渠坡处理应关注以下几个原则。(1)坡面水位以上区域以防护为主，防止雨水入渗和土体开裂；(2)水下和水位变动区域设置混凝土衬砌，并在衬砌下部铺设柔性垫层，吸收膨胀势能，提高土体抗滑能力；(3)开挖缓坡，破坏大气影响深度范围的土体结构，然后，按一定的设计坡比回填，形成稳定的坡型。土坡的回填可考虑采用大型机械翻挖原土并根据需要设置土工格栅加筋等。具体处理措施宜通过现场和室内试验研究确定。
5 结 语
南水北调中线工程的膨胀土渠坡稳定是工程的关键技术问题之一，以往已作了许多的研究工作，但主要还是将饱和土的概念和理论套用到非饱和土中去。对于膨胀土边坡失稳的机理尚不甚了解，边坡稳定分析方法也有待改进。运用非饱和土理论来研究和分析该工程的膨胀土问题，才能有助于人们认识膨胀土破坏的本质，并针对其本质采取相应的工程处理措施，才能充分发挥科学技术作为第一生产力的作用。
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注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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