PS對非飽和重塑黏土的土?水特征曲線的影響

邵明申，李最雄,

（1. 蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州，730000；2. 敦煌研究院，甘肅 敦煌，736200）

PS對非飽和重塑黏土的土?水特征曲線的影響

邵明申1，李最雄1,2

（1. 蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州，730000；2. 敦煌研究院，甘肅 敦煌，736200）

采用掃描電鏡測試PS加固前后黏土微觀結(jié)構(gòu)的變化，研究黏土礦物、孔隙結(jié)構(gòu)和土體收縮特性3種因素對加固以后非飽和重塑黏土的土?水特征曲線的影響。研究結(jié)果表明：PS與土顆粒的反應(yīng)是非常復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，在反應(yīng)中大量的黏土礦物被消耗，形成一種較致密的結(jié)構(gòu)，力學(xué)強(qiáng)度提高，同時，孔隙壁變得光滑、平直，土顆粒磨圓度增大，膨脹性降低，這些因素導(dǎo)致非飽和黏土的土?水特征曲線發(fā)生明顯變化；PS加固后飽和含水率和殘余含水率都有一定程度下降，進(jìn)氣值較高，斜率變陡，下降速度快。Van Genuchten模型（即VG模型）對PS作用前、后的土?水特征曲線的擬合效果較好。研究結(jié)果證明PS材料加固土遺址的良好性能。

PS；土?水特征曲線；黏土礦物；孔隙結(jié)構(gòu)；VG模型

土?水特征曲線描述了非飽和土含水率和基質(zhì)吸力的關(guān)系，在非飽和土力學(xué)中具有重要意義。很多學(xué)者對土?水特征曲線進(jìn)行了大量研究，并提出了很多曲線表達(dá)式[1?8]。影響土?水特征曲線的因素主要有土的礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)、土體的收縮性、干密度、初始含水率、土的應(yīng)力歷史和溫度等。但劉艷華等[9]認(rèn)為土的礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)是基本因素，其他因素往往是通過影響這2個基本因素而起作用的。PS是敦煌研究院研究開發(fā)的一種高模數(shù)K2SiO3溶液，為透明黏稠膠體，pH約為12，呈堿性，密度為1.25 g/cm3（25 ℃時），加入擴(kuò)散劑－亞甲基二磺酸鈉，可以降低表面張力，提高穩(wěn)定性，增強(qiáng)滲透性[10?13]。PS作為一種無機(jī)化學(xué)材料對低強(qiáng)度土體有非常好的加固效果，在我國土遺址保護(hù)工作中也發(fā)揮著越來越重要的作用。在此，本文作者研究PS對土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變狀況，通過對重塑樣土?水特征曲線的測試，對比PS加固前后曲線的變化，從礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)等方面探討引起變化的原因，以便為PS加固土遺址的良好效果提供理論依據(jù)，并為PS更加有效地加固土遺址提供技術(shù)支持。

1 土?水特征曲線

1.1 試樣的選取

土樣取自吐魯番高昌故城東墻中部坍塌的夯土，黏土含量較高，含水率極低，深黃色和淺黃色2種顏色交替，中間夾雜有暗灰色，孔隙較大，滲透性好。黏粒含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為40%～50%，方解石含量20%～30%，碎屑含量15%～25%。其中黏粒主要成分為蒙脫石、高嶺石、伊利石等。土樣的基本物理性質(zhì)見表1。

1.2 土?水特征曲線測試

為更好地反映PS與土作用引起的礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)變化對土水曲線的影響，特對其他影響因素如溫度、液體等均采用同等條件進(jìn)行控制，不再考慮它們的影響。PS加固樣是在黏土樣基礎(chǔ)上滴加7% PS制作而成，由于PS用量小，干密度增加不明顯，初始孔隙比也近似；將黏土樣和PS加固樣同時放入壓力膜儀中，采用同等條件進(jìn)行試驗。

對脫濕土?水特征曲線進(jìn)行試驗測試，采用美國Soilmoisture公司生產(chǎn)的1.5 MPa壓力板儀，如圖1所示。將飽和土樣與飽和高進(jìn)氣值陶土板充分接觸，先將陶土板下面的空氣排凈，并充滿水與量管連接，以保證試樣水量變化可由量管指示讀出，試樣內(nèi)孔隙水壓力uw=0。逐級增加容器內(nèi)的空氣氣壓ua，待吸力（ua?uw）平衡時，讀出量管指示數(shù)。逐級施加空氣氣壓并記錄ua及含水率變化，以便反算含水率。施加最后一級空氣壓力后，記錄吸力值ua?uw=us，稱量試樣質(zhì)量，烘干后計算質(zhì)量含水率w，繪出土水特征曲線。

圖1 體積壓力板儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of volumetric pressure plate test

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

PS與土作用以后土?水特征曲線發(fā)生了很大變化，如圖2所示。由圖2可知：飽和含水率和殘余含水率都有一定程度下降，說明各吸力段的持水能力變差，特別是高吸力段表現(xiàn)得尤為明顯；進(jìn)氣值較高；斜率變陡，失水的速度快。

2.2 原因分析

一般來說，土的持水能力在中低吸力段主要依賴于毛管作用和孔隙分布，在較高吸力范圍內(nèi)，愈來愈受吸附作用的制約，土顆粒的吸附能力及比表面的影響作用增強(qiáng)。由此可以推斷：PS與土反應(yīng)以后，土體的孔隙結(jié)構(gòu)、顆粒形態(tài)以及骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的改變。Li等[14?15]對PS與黏土的作用機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為PS改變了分離的、片狀的晶態(tài)黏土礦物的微觀結(jié)構(gòu), 形成了一種致密的凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。PS溶液是一種無機(jī)加固劑, 它在水中會發(fā)生以下離解反應(yīng)：

表1 高昌故城土的基本物理性質(zhì)Table 1 Basic soil properties of loess soil from ancient City of Gaochang

圖2 非飽和黏土的土?水特征曲線Fig.2 Soil-water characteristic curves of remolded unsaturated clay

黏土礦物的主要化學(xué)成分為伊利石KAl2[（OH）2（Si, Al）4O10]和綠泥石Mg6（Mg, Al, Fe, Mn）6-[（OH）16（Si,Al）8O20]等硅鋁酸鹽晶體，土團(tuán)之間具有大量的空隙。黏土礦物中硅鋁和氧原子之間的電子向硅鋁原子發(fā)生偏移，黏土礦物中含氧酸根硅鋁的電子云密度增加，而氧原子周圍的電子云密度降低，減弱了氧原子與黏土礦物分子中金屬陽離子的結(jié)合力。氧原子與金屬陽離子結(jié)合力的降低可能是PS 離解出的與黏土礦物中的金屬陽離子發(fā)生了靜電吸附作用，使硅鋁和氧原子之間的電子向氧原子發(fā)生偏移的結(jié)果。這種靜電吸附作用使PS 離解所產(chǎn)生的進(jìn)入了黏土礦物分子中的空隙, 將這些黏土礦物片層連接起來。最終產(chǎn)物應(yīng)為一種晶態(tài)和非晶態(tài)共存的硅鋁酸鹽凝膠體。

其次, 黏土礦物在溶液中易分散成片狀顆粒，而這些顆粒的板面與邊沿帶有不同的電荷,在一個較大的pH范圍內(nèi)，邊緣往往帶有正電荷，而板面總是帶有負(fù)電荷，且板面所帶的負(fù)電荷在數(shù)值上遠(yuǎn)大于邊緣所帶的正電荷，因此，黏土顆粒除了吸附PS 水解所產(chǎn)生的外，還會與K+進(jìn)行當(dāng)量吸附，使分散的黏土顆粒形成較大的團(tuán)粒。由于其表面積很大，會產(chǎn)生很大的表面能，能與較大的硅鋁酸鹽凝膠進(jìn)一步結(jié)合，形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。

2.2.1 礦物成分的影響

土顆粒的礦物成分的變化極大地影響了土?水特征曲線的變化規(guī)律（圖2）。試樣含有大量強(qiáng)親水性的礦物，如蒙脫石、高嶺石、綠泥石、伊利石等，對水分的親和程度非常高，持水性好，脫水速度較慢，脫水曲線的斜率也較為平緩。

PS與土體反應(yīng)以后，大量的礦物被消耗，其比表面和可能的結(jié)合水含量降低，在相同吸力條件下儲水能力變?nèi)酰撍俣燃涌?，曲線的斜率變陡。這種現(xiàn)象在吸力較小范圍內(nèi)表現(xiàn)得最明顯，在大吸力范圍內(nèi)，土樣儲水能力變化較小，曲線均變得比較平緩，此時，殘余含水率較低。

2.2.2 孔隙結(jié)構(gòu)

孔隙結(jié)構(gòu)與土的脫水速率、進(jìn)氣值和殘余含水率均有著密切的關(guān)系，它是影響土水特征曲線形狀的重要因素。對PS加固前后的試樣進(jìn)行電鏡測試，結(jié)果表明孔隙率沒有顯著降低，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的改變。一方面，孔隙壁發(fā)生了明顯的變化，如圖3所示?？紫侗砻娴酿ね恋V物被消耗，幾乎所有的棱角都消失，顆粒排列更為緊密、規(guī)整，表面變得光滑，由此帶來的結(jié)果是：比表面積縮減，土水作用的面積減小，吸附水的能力減弱，持水能力降低；收縮膜的形狀、張力的方向、作用點(diǎn)也隨之變化，吸力降低，進(jìn)而影響到土水特征曲線的形態(tài)。

圖3 PS加固前后孔隙變化Fig.3 Pore variation before and after reinforcement by PS

另一方面，孔隙空間不規(guī)則分布特征與原來基本保持一致，沒有根本改變，同一尺寸范圍的孔隙所占面積幾乎完全一致，但PS反應(yīng)后小孔隙的比例有所減小，見圖4。反應(yīng)前，孔隙面積小于10 μm2的比例為69.808%，10～20 μm2之間的比例為16.123%，反應(yīng)以后，小孔隙比例略有下降，小于10 μm2和10～20 μm2的比例分別為65.218%和13.499%，相應(yīng)地，較大孔隙的比例都有所增大。由于PS與黏土反應(yīng)過程中的充填作用，小孔隙的孔徑略有減小，脫水過程小孔徑起決定作用，孔隙尺寸小，進(jìn)氣值高，持水性強(qiáng)，則土?水特征曲線平緩；小孔隙尺寸的相對變化也對土?水特征曲線造成一定影響。

圖4 孔隙面積分布圖Fig.4 Distribution of pore area

2.2.3 收縮性的影響

對試樣均在側(cè)向約束的狀態(tài)下進(jìn)行飽水及脫水測試，其上部的變形不受外界約束，可自由膨脹或收縮。由于微觀結(jié)構(gòu)的變化，PS加固樣的力學(xué)強(qiáng)度很高，已具有明顯的強(qiáng)應(yīng)變軟化特性（圖5），在增濕和脫濕過程中，體積和孔隙變化很小，土樣則呈現(xiàn)出黏土應(yīng)有的膨脹性，體積發(fā)生較顯著的變化，飽和時體積增加了33.63%，孔隙率也隨之大幅度增大，導(dǎo)致其進(jìn)氣值比PS加固樣的低。在增濕過程中，飽和含水率也隨孔隙比的增大而增大，脫濕時因吸水而膨脹的孔隙被重新壓縮，隨著飽和土中孔隙水的排出，土顆粒間出現(xiàn)水氣界面即收縮膜，收縮膜產(chǎn)生的表面張力增加了土粒間的壓應(yīng)力；隨著更多的水排出，收縮膜曲率半徑減小，表面張力增大，又增強(qiáng)了土體的持水能力，使土樣的土?特征曲線的形狀更為平緩。

圖5 剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線 （p=100 kPa）Fig.5 Relationship curve between shear stress and shear displacement

3 土?水特征曲線的函數(shù)擬合

隨著對非飽和土的土?水特征曲線研究，大量的土?水特征曲線模型被提出，而常用的模型包括Van Genuchten 模型[2]、Fredlund 3參數(shù)模型[3]和Fredlund 4參數(shù)模型[3]，本文選用Van Genuchten 模型進(jìn)行擬合。Van Genuchten 模型為：

式中：θ為土體體積含水率；θs為飽和含水率；θr為殘余含水率；ψ為土體基質(zhì)吸力；參數(shù)a為空氣進(jìn)氣值的倒數(shù)；參數(shù)n為土?水特征曲線的斜率；參數(shù)m通常認(rèn)為等于1?1/n。θr也可通過試驗方法來得到，但由于殘余含水率的測試方法沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各種不同方法所測值也不相同，所以，本文采用參數(shù)擬合來得到θr。

需要提出的是：本文采取的是質(zhì)量含水率，而不是原公式中的體積含水率，Van Genuchten 模型仍顯示出了良好的擬合效果，相關(guān)性系數(shù)非常高，R2都在0.97以上。比較表2中各試樣的擬合參數(shù)可知：PS加固以后殘余含水率θr和a較小，控制土?水特征曲線斜率的n有所增大，較好地驗證了前面的分析結(jié)果，也證明了礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)對土的持水性能有較大影響。

表2 不同樣品的土?水特征曲線擬合參數(shù)Table 2 SWCC fitting parameters under different moulded conditions

4 結(jié)論

（1） PS與土反應(yīng)后，黏土的微觀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了顯著變化。黏土礦物被大量消耗，使PS加固樣的持水能力大幅度減弱；孔隙變得光滑、通暢，繞曲度減小，易于水的流動，在同等吸力條件下更易脫水；力學(xué)強(qiáng)度的提高使其表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化特性，與未加固樣相比膨脹性幾乎可以忽略；在排水過程中，收縮膜曲率半徑?jīng)]有明顯變化，表面張力保持穩(wěn)定，使得排水持續(xù)高速進(jìn)行，并較快地達(dá)到殘余含水率。因此，PS作用以后微觀結(jié)構(gòu)的變化是導(dǎo)致土水曲線呈現(xiàn)不同形狀的主要原因。

（2） 土?水特征曲線模型Van Genuchten對壓力板儀測試數(shù)據(jù)的擬合也取得了很好的效果，θr，a，n和m等參數(shù)也顯示了很好的相關(guān)性，驗證了微觀結(jié)構(gòu)的變化是導(dǎo)致土?水曲線顯著差異的原因。

（3） 非飽和土的土?水特征曲線能夠很好地反映黏土顆粒的微觀結(jié)構(gòu)的變化。

[1] Fredlund D G, Rahardjo H. 非飽和土力學(xué)[M]. 陳仲頤, 張在明, 陳愈炯, 等譯. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社, 1997： 92?125. Fredlund D G, Rahardjo H. Soil mechanics for unsaturated soils[M]. CHEN Zhong-yi, ZHANG Zai-ming, CHEN Yu-jiong, et al, transl. Beijing： China Architecture and Building Press, 1997： 92?125.

[2] Van Genuchten M T. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity for unsaturated soils[J]. Soil Science Society of America, 1980, 44： 892?898.

[3] Fredlund D G, Xing A. Equations for soil-water characteristic curve[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1994, 31： 521?532.

[4] 徐永福, 董平. 非飽和土的水分特征曲線的分形模型[J]. 巖土力學(xué), 2002, 23（4）： 400?405.

XU Yong-fu, DONG Ping. Fractal models for the soil water characteristics of unsaturated soils[J]. Rock and Soil Mechanics, 2002, 23（4）： 400?405.

[5] 徐永福, 史春樂. 用土的分形結(jié)構(gòu)確定土的水分特征曲線[J].巖土力學(xué), 1997, 18（2）： 40?43.

XU Yong-fu, SHI Chun-le. Calculation of soil-water characteristic curves by using fractal structure of soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 1997, 18（2）： 40?43.

[6] 戚國慶, 黃潤秋. 土水特征曲線的通用數(shù)學(xué)模型研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報, 2004, 12（2）： 182?186.

QI Guo-qing, HUANG Rui-qiu. An universal mathematical model of soil-water characteristic curve[J]. Journal of Engineering Geology, 2004, 12（2）： 182?186.

[7] 詹良通, 包承綱. 土?水特征曲線及其在非飽和土力學(xué)中的應(yīng)用[C]//南水北調(diào)膨脹土渠坡穩(wěn)定和滑動早期預(yù)報研究論文集.武漢： 長江科學(xué)院, 1998： 79?90.

ZHAN Ling-tong, BAO Chen-gang. The application of soil-water characteristic curve in unsaturated soil mechanics[C]// Collection of Research Paper on Stability of the Trench Slope and Prediction of the Forepart Slip-page in South-to-north Water Transfer. Wuhan： Yangtze River Scientific Research Institute, 1998： 79?90.

[8] 李志清, 胡瑞林, 王立朝, 等. 非飽和膨脹土SWCC研究[J].巖土力學(xué), 2006, 27（5）： 730?734.

LI Zhi-qing, HU Rui-lin, WANG Li-chao, et al. Study on SWCC of unsaturated expansive soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2006, 27（5）： 730?734.

[9] 劉艷華, 龔壁衛(wèi), 蘇鴻. 非飽和土的土水特征曲線研究[J]. 工程勘察, 2002（3）： 8?11.

LIU Yan-hua, GONG Bi-wei, SU Hong. Study on soil-water characteristic curve for unsaturated soils[J]. Geotechnical Investigation and Surveying, 2002（3）： 8?11.

[10] LI Huo-ming, ZHANG Bing-jian, LIU Qiang. A potential protect material in stone conservation： Biomimetic inorganic material[J]. Sciences of Conservation and Archaeology, 2005, 17（1）： 59?64.

[11] 尹小濤, 趙海英, 李最雄, 等. K2SiO3溶液對黏性土孔隙分形特性的影響分析[J]. 巖土力學(xué), 2008, 29（10）： 2847?2852

YIN Xiao-tao, ZHAO Hai-ying, LI Zui-xiong, et al. Analysis of fractal characteristics of ruins clay affected by K2SiO3solution under SEM test condition[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29（10）： 2847?2852.

[12] 王旭東. 中國西北干旱環(huán)境下石窟與土建筑遺址保護(hù)加固研究[D]. 蘭州： 蘭州大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 2002： 27?52.

WANG Xu-dong. The conservation and consolidation of the grottoes and the earthen architecture sites in the arid region of northwestern China[D]. Lanzhou： Lanzhou University. College of Earth and Environmental Sciences, 2002： 27?52.

[13] 王生新, 韓文峰, 諶文武, 等. 沖擊壓實路基黃土的微觀特征研究[J]. 巖土力學(xué), 2006, 27（6）： 939?944.

WANG Sheng-xin, HAN Wen-feng, CHEN Wen-wu, et al. Microstudy on roadbed loess improvement by impact compaction technology[J]. Rock and Soil Mechanics, 2006, 27（5）： 939?944.

[14] LI Zui-xiong. Consolidation of Neolithic earthen site with Potassium, compiled by the Getty conservation Institute[C]// The 6th International Conference on the Conservation of Earthen, Architecture. Los Angeles, New Mexico, USA： the Getty Conservation Institute, 1990： 295?301.

[15] 王銀梅. 西北干旱區(qū)土建筑遺址加固概述[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報, 2003, 11（2）： 189?192.

WANG Yin-mei. A brief of reinforcement of earth structure sites in the arid areas of Northwest China[J]. Journal of Engineering Geology, 2003, 11（2）： 189?192.

（編輯 楊幼平）

Effect of PS on soil-water characteristic curve of remolded unsaturated clay

SHAO Ming-shen1, LI Zui-xiong1,2
（1. College of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China; 2. Dunhuang Academy, Dunhuang 736200, China）

SEM was employed to analyze the micropore structure of remolded samples which were reinforced by PS or not. The effects of clay mineral, pore structure and shrinkage on the soil-water characteristic curve （SWCC） of remolded unsaturated clay after consolidating by PS were analyzed. The results show that PS can improve the mechanical property through binding separate earthen relics particle together, and a series of physical and chemical reactions between PS and particle surface also improve the clay behaviors of the remolded unsaturated clay, such as pore structure, psephicity and shrinkage, which lead to the change of SWCC of the unsaturated clay. The results also suggest that the characters of the samples including saturated water content, residual water content, air entry value and the slope of the SWCC are changed after consolidating by PS, the saturated water content and residual water content are lower while the air entry value and the slope of the SWCC become higher than that without PS. Van Genuchten model （i.e., VG model） fits the experimental data well. The conclusion proves the good performance of PS consolidation for earthen sites well.

PS; soil-water characteristic curve; clay mineral; pore structure; VG model

TU 411

A

1672?7207（2011）05?1432?05

2010?03?10；

2010?06?15

國家科技支撐計劃項目（2006BAK30B02）

邵明申（1980?），男，山東聊城人，博士，從事土遺址保護(hù)與非飽和土滲透性的研究；電話：15201119845；E-mail： shaomsh@163.com