非飽和上海軟土的土-水和變形特性

陳振新， 孫德安

(上海大學(xué)土木工程系，上海200072)

非飽和土的分布十分廣泛，主要有自然干燥土和壓實土.土壩的建造與運行、環(huán)境條件變化情況下的天然土坡、豎直挖方的邊坡穩(wěn)定、膨脹土造成的地面隆起及濕陷性土中的許多實際問題均屬于非飽和土力學(xué)的研究范疇［1］.可見，對于非飽和土性質(zhì)的研究有著很高的實際應(yīng)用價值.

上海地區(qū)分布的大量軟土具有含水量高、孔隙比大、滲透性小、力學(xué)特性復(fù)雜等特點.但是，由于城市建設(shè)的需要，很多深基坑的開挖使周圍土體中的水位下降，并使側(cè)壁的土處于非飽和狀態(tài).在一些填土路基工程中也存在著大量的非飽和土.因而，對上海地區(qū)非飽和土性質(zhì)進(jìn)行研究也具有重要的實際意義.

國內(nèi)已有很多學(xué)者對非飽和土的土-水特性和力學(xué)特性進(jìn)行了研究.例如，葉為民等［2］采用濾紙法、滲析法和氣相法獲得上海第②層土在0～1 400 kPa范圍以及全吸力(0～106kPa)范圍內(nèi)的土-水特征曲線，確定了上海第②層軟土的進(jìn)氣值在110～250 kPa之間.尹驥等［3］通過對上海第②層粉質(zhì)黏土重塑土進(jìn)行控制吸力、凈圍壓的加卸載剪切試驗，證明了隨著吸力的增大，土體的剛度和強度也隨之增大，并得到了變形模量與吸力及圍壓的關(guān)系.孟德林等［4］用濾紙法試驗研究了高廟子膨潤土與砂混合物的土-水特性.孫德安等［5］研究了影響土-水特征曲線的主要因素，并指出應(yīng)力狀態(tài)不是影響土-水特征曲線的直接因素.欒茂田等［6］針對不同類型土體，結(jié)合試樣收縮曲線和土-水特征曲線，分析了土體干燥與干濕循環(huán)過程中基質(zhì)吸力和孔隙比的關(guān)系.張芳枝等［7］研究了反復(fù)干濕循環(huán)對非飽和土變形和強度特性的影響.

本研究采用壓力板法和濾紙法對上海地區(qū)第②，③，④層原狀土和第②，③層重塑土進(jìn)行了土-水特性和收縮變形特性試驗，根據(jù)試驗結(jié)果得到了相應(yīng)的土-水特征曲線及收縮變形曲線，并進(jìn)行了對比分析.

1 試驗研究

1.1 土樣物理指標(biāo)及試樣制備

本試驗所用的土樣取自上海市虹橋樞紐地區(qū)，取樣方式為薄壁取樣，土樣包括第②，③，④層上海軟土，各層土樣的物理指標(biāo)如表1所示.表中w0為試樣初始含水量，e0為初始孔隙比，wl為塑限，wp為液限，Ip為塑性指數(shù).圖1是各層土樣的顆粒級配曲線，其中對第②，③層上海軟土還制備了重塑樣.

壓力板法試驗和濾紙法試驗所用的試樣直徑d=6.18 cm，高度h=2.0 cm.重塑土的制備方法如下：首先，將原狀土樣經(jīng)過長時間加水浸泡后充分?jǐn)嚢瑁瞥娠柡湍酀{;然后，倒入直徑15 cm，高16 cm的制樣桶中，分級加載，固結(jié)成樣，最后一級豎向荷載為75 kPa，在此荷載下，上下端面排水固結(jié)3 d;最后，將土樣從制樣桶中取出，用多層保鮮膜裹緊，放入密閉容器中儲存，供試驗用.試驗時，根據(jù)試樣尺寸切取固結(jié)土樣的一部分，切削土樣制成試樣.第②，③層上海重塑土固結(jié)試樣的初始含水量分別為30.9%和36.8%.

表1 上海軟土的物理指標(biāo)Table 1 Physical index of Shanghai soft clay

圖1 上海軟土顆粒級配曲線Fig.1 Grading curves of Shanghai soft clay

1.2 試驗方法

測量或控制非飽和土吸力的方法很多，主要有張力計法、濕度計法、壓力板法、濾紙法等.本研究采用壓力板法控制吸力，用濾紙法測量土吸力.在0～1 500 kPa吸力范圍內(nèi)采用美國GCTS公司產(chǎn)的非飽和土固結(jié)儀控制吸力;在大于1 500 kPa的吸力范圍內(nèi)，采用濾紙法測量吸力.

(1)壓力板法.

壓力板法試驗采用非飽和土固結(jié)儀，試驗前一天打開排水閥和沖刷閥，使陶土板底部管路充分飽和.關(guān)閉沖刷閥后，在排水管水頭差的作用下飽和陶土板1 d左右，等陶土板上表面有水可見時即可裝樣.在裝樣前將陶土板上的多余水分擦干，使其表面干燥，同時關(guān)閉進(jìn)排水閥.將制備好的試樣放在壓力室的陶土板上，在壓力室組裝完成固定后，即可通過調(diào)壓閥選擇施加于壓力室的目標(biāo)氣壓.但此時進(jìn)排水閥不能立即打開，可經(jīng)過適當(dāng)?shù)臅r間(約為2 h)，等施加氣壓充分布滿試樣后，再將試樣底部的排水閥打開.進(jìn)排水穩(wěn)定后，試樣的孔隙水壓通過陶瓷板與外界大氣壓相通，即孔隙水壓Uw=0.根據(jù)非飽和土基質(zhì)吸力的定義可知，施加孔隙氣壓Ua即為試樣的基質(zhì)吸力.因此，可以通過改變孔隙氣壓值來控制基質(zhì)吸力.等試樣在相應(yīng)吸力條件下排水充分穩(wěn)定(每級約需7 d)后，關(guān)閉進(jìn)排水閥，解除氣壓，取出試樣，測量試樣質(zhì)量，并用游標(biāo)卡尺多次測量試樣直徑和高度，取平均值求得體積，由此可以計算出對應(yīng)吸力下的含水量、飽和度和孔隙比.然后立即將試樣放回壓力室內(nèi)，重新裝樣，進(jìn)行下一級吸力試驗.

為了保證試樣的一致性和試驗的精確性，壓力板法對同一試樣在不同吸力條件下進(jìn)行試驗.試驗所用陶土板有進(jìn)氣值為500和1 500 kPa兩種規(guī)格，當(dāng)所需吸力在 500 kPa以下時采用前者，超過500 kPa時采用后者.故非飽和土固結(jié)儀能施加的吸力最大值為1 500 kPa.試驗室的空氣壓縮機能提供的最大氣壓為800 kPa.本研究通過采用增壓器可提供1 500 kPa以上的氣壓.

(2)濾紙法.

理論上，濾紙法能夠測量全范圍(0～106kPa)內(nèi)的吸力.在密閉空間里，當(dāng)土與濾紙之間的水分或水蒸氣交換達(dá)到平衡時，可以通過濾紙的率定曲線計算土中的吸力.濾紙法分為測基質(zhì)吸力的接觸法和測總吸力的非接觸法：當(dāng)濾紙與土樣直接接觸良好時，水分便從土中流入濾紙，平衡時濾紙含水量對應(yīng)的吸力相當(dāng)于土的基質(zhì)吸力;將干的濾紙懸置于土樣上方(即不直接接觸土)，土中水蒸氣進(jìn)入濾紙，平衡時濾紙含水量對應(yīng)的吸力相當(dāng)于土的總吸力.

本研究采用 Whatman No.42濾紙，其直徑為55 mm，率定曲線如圖2所示.率定曲線的方程［8］如下：

基質(zhì)吸力(S)的計算公式為

總吸力(ψ)為

試驗前先將濾紙放入烘箱中烘烤24 h以確保濾紙干燥，然后放入干燥器中備用.密封容器采用LockLock盒.將試樣放入容器中，在試樣底部依次對齊放3張烘干的濾紙.將試樣放入容器中，直接接觸濾紙，其中中間的濾紙用來測量濾紙的含水量，另外2張主要用于保護(hù)中間濾紙不受土樣污染，以確保正確測量濾紙的含水量.試樣上部放一張濾紙，在濾紙和試樣中間用一張2層的塑料紗布隔開，使二者不互相接觸，從而可以準(zhǔn)確測量試樣的總吸力.

圖2 Whatman No.42濾紙率定曲線［8］Fig.2 Calibration curves of Whatman No.42 filter paper［8］

試樣的組裝如圖3所示.將容器密封好，放置在恒溫室中14 d使其達(dá)到水氣平衡狀態(tài).平衡后，小心快速地用干燥的鑷子將濾紙取出，以減少環(huán)境對濾紙質(zhì)量的影響，并用FA2004N型高精度電子天平稱重，精度為0.1 mg.取出試樣，測量其質(zhì)量，并用游標(biāo)卡尺多次測量試樣的直徑和高度，取平均值求得試樣體積.然后烘干試樣，以得到試樣的含水量、飽和度和孔隙比.再將濾紙放入110℃的烘箱中烘干并稱重，得到濾紙的含水量.由此可通過濾紙的含水量從率定曲線中得到對應(yīng)的吸力值.

圖3 濾紙法示意圖Fig.3 Schematic drawing of the filter paper method

由于試樣達(dá)到水氣平衡所需的時間較長，故試驗采用了不同試樣.把初始狀態(tài)相同的若干試樣風(fēng)干到不同程度，達(dá)到不同的含水量，因此，在濾紙法中，每個試樣對應(yīng)一個試驗點.由于試驗為人工操作，因此，試驗結(jié)果受人為因素和試驗環(huán)境影響較大，特別是對高吸力時濾紙含水量的測定精度要求很高.所以，本研究沒有進(jìn)行高吸力范圍的吸力測定.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 土-水特性

由試驗結(jié)果可以得到上海地區(qū)第②，③，④層原狀土及第②，③層重塑土的土-水特征曲線(見圖4)，即吸力(S)與飽和度(Sr)的關(guān)系曲線.從圖中可以看到，第②，③，④層原狀土的進(jìn)氣值分別為150～180，220～250，650～800 kPa，其中第②層原狀土的進(jìn)氣值與葉為民等［3］得到的上海地區(qū)第②1層軟土的進(jìn)氣值在180 kPa左右的結(jié)論一致.一般通過作圖的方法確定進(jìn)氣值，在土-水特征曲線中，邊界效應(yīng)段的直線與過渡段直線的交點對應(yīng)的吸力就是進(jìn)氣值.從圖中還可以看出，在相同吸力條件下，第②，③，④層土樣的飽和度和含水量依次增大.當(dāng)吸力增至較大范圍內(nèi)時，第②層土樣開始進(jìn)入殘余含水量階段，而第③，④層土樣的含水量依然較高.

一般認(rèn)為，影響土-水特征曲線的主要因素是土的礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)［5］，而上述3種原狀土的孔隙比大致相同.因此，造成上述試驗現(xiàn)象的原因主要是由于各層土樣的礦物成分不同：第②層為褐黃色黏性土;第③層為灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，土質(zhì)松軟，夾薄層粉砂，在顯微鏡下鑒定為泥質(zhì)粉砂結(jié)構(gòu)，礦物成分主要有泥質(zhì)、粉砂質(zhì)石英、方解石及少量云母片，其中泥質(zhì)占10%～15%，石英碎屑占45%～50%，方解石占5%～10%，水云母占10%～15%;第④層為灰色淤泥質(zhì)黏土，黏土礦物為蒙脫石混水云母，顯微鏡下鑒定為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，除少量砂質(zhì)石英和方解石外，幾乎全是泥質(zhì)物、黏土質(zhì)點(占55% ～65%)，以及顯微鱗片狀或纖維狀的云母片［9］.從表1還可以知道，第②，③，④層土樣的塑性指數(shù)依次增大，并且由圖1中第②，③，④層土樣的顆粒級配可知，微小顆粒的含量越多，保水性能越好，脫水速度越慢，從而使3種不同土樣的進(jìn)氣值與殘余階段含水量差別較大.

圖4 上海軟土的土-水特征曲線Fig.4 Soil-water characteristic curves of Shanghai soft soils

對于同為第②層土樣的原狀土和重塑土，從圖4(a)中可以看出，重塑土的進(jìn)氣值比原狀土的要大，在吸力變化相同時，重塑土的含水率變化量比原狀土的要小，保水能力更強.這主要是由于二者的孔隙比不同造成的，原狀土和重塑土的初始孔隙比分別為1.13和0.83.孔隙比越小，土體越密實，氣體通過孔隙越困難，脫水速度越慢，從而進(jìn)氣值越大.而含水率變化量與土孔隙孔徑大小的均勻性有關(guān)，重塑土的孔隙大小比較均勻，故含水率變化量較小.

第③層土樣的原狀土和重塑土的初始含水量大致相等，初始孔隙比十分接近.從圖4(b)中可以看出，第③層原狀土的進(jìn)氣值為220～250 kPa，而第③層重塑土的進(jìn)氣值大約為550～600 kPa，這說明重塑土在相同吸力情況下的保水能力比原狀土強.

第③層土樣的原狀土和重塑土的礦物成分是相同的，盡管二者的孔隙比大致相同，但孔隙的孔徑分布不一樣.原狀土的顆粒組合結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔隙大小不均，孔隙孔徑分布比較分散.因此，即使原狀土和重塑土的孔隙比相同，原狀土的最大孔隙孔徑比重塑土的還是要大.當(dāng)施加氣壓時，氣體首先進(jìn)入大的孔隙通道，將水?dāng)D出，導(dǎo)致原狀土樣的進(jìn)氣值較小.當(dāng)吸力氣壓增大到一定程度時，大的孔隙通道中的水基本排完，使得脫水速率變慢.而重塑土經(jīng)過徹底攪拌和固結(jié)后，孔隙大小比較均勻，孔隙孔徑分布較為集中，使得空氣不容易將孔隙里面的水?dāng)D出去，所以重塑土的進(jìn)氣值比原狀土的要高.因重塑土的孔隙大小相對于原狀土要均勻，一旦吸力超過進(jìn)氣值，其含水率變化量比原狀土要大，故重塑土的土-水特征曲線的斜率(見圖4(b))比原狀土的大.

2.2 收縮變形特性

通過測量每級吸力穩(wěn)定后的試樣尺寸可以得出對應(yīng)吸力下的孔隙比.圖5是在脫濕過程中測得的5個試樣的吸力(S)與孔隙比(e)的關(guān)系.從圖5可以看出，隨著吸力的增大，含水量的降低，孔隙比總體是減小的趨勢.開始比較平緩，當(dāng)吸力達(dá)到了一定值時，孔隙比減小較快，并且呈線性下降趨勢;而當(dāng)吸力增大到某一值時，孔隙比幾乎不變.無論原狀土還是重塑土，其趨勢是一致的.

Alonso等［10］指出，當(dāng)吸力S超過某一臨界吸力S0時，土體將產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性體積變形，并定義了如下的吸力增大屈服方程：

圖5 收縮曲線Fig.5 Shrinkage curves

該方程表示土體的變形分為兩個階段：當(dāng)S＜S0時，土體處于彈性階段;當(dāng)S＞S0時，土體處于彈塑性階段.

由圖5可見，當(dāng)吸力很小時，孔隙比變化不大，為彈性階段;當(dāng)吸力增大時，孔隙比變化較快，為彈塑性階段;而當(dāng)吸力很大時，孔隙比并未有明顯變化，土樣收縮變形較小，為縮限階段.在土力學(xué)中，當(dāng)土的體積基本上不再因含水量的減少而減小時，土中的水分主要是固態(tài)的強結(jié)合水，土粒間聯(lián)接非常牢固，這標(biāo)志著土已經(jīng)由半固體狀態(tài)變?yōu)楣腆w狀態(tài).這時的界限含水量為收縮界限，簡稱縮限，對應(yīng)的吸力即為縮限吸力.從圖5中還可以發(fā)現(xiàn)，第②，③，④層原狀土從初始狀態(tài)到縮限的收縮變形所引起的孔隙比變化量分別為0.25，0.35，0.44，即收縮變形依次增大.同時，第②，③層重塑土從初始狀態(tài)至縮限的收縮變形所引起的孔隙比變化量分別為0.16和0.38，也是依次增大的.這可能與其塑性指數(shù)有關(guān)，塑性指數(shù)越大，黏粒越多，因干化而產(chǎn)生的變形量越大.比較圖5(b)中原狀土和重塑土的收縮曲線可知，對于含同樣礦物成分的黏土，如不同結(jié)構(gòu)土的孔隙比相近，則收縮變形量也接近.而從圖5(a)可知，對于含同樣礦物成分的黏土，初始孔隙比越大，則收縮變形量也越大.

圖6是在干燥脫水過程中土體的飽和度與孔隙比之間的關(guān)系.從圖中可以看出，對于第②，③層原狀土及第②，③層重塑土，當(dāng)飽和度大于90%時，土體的孔隙比減小較明顯;而后隨著飽和度的減小，孔隙比的減小并不十分明顯.對于這4個試樣，在干燥脫水過程中，當(dāng)飽和度減小到90%以后，基本完成了變形收縮過程，也就是說，非飽和狀態(tài)下由于吸力增大而引起的收縮變形不大.而對于第④層原狀土樣，當(dāng)飽和度大于70%時，土體的孔隙比減小較明顯;當(dāng)飽和度小于70%時，孔隙比的變化才不明顯.因此，第②，③層土樣和第④層土樣在干燥脫水過程中，收縮變形基本完成時對應(yīng)的飽和度不同.這主要是由于第④層土樣的塑性指數(shù)較大，微小黏土顆粒較多，保水能力強.這說明礦物成分不僅對土-水特性影響明顯，而且對收縮變形特性的影響也很大.

圖6 飽和度與孔隙比之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between degree of saturation and void ratio

3 結(jié)論

本研究對上海地區(qū)第②，③，④層原狀土和第②，③層重塑土進(jìn)行了土-水特性試驗，分別得到了各自的土-水特征曲線和收縮變形曲線，并作了對比分析.可得到以下結(jié)論：

(1)上海地區(qū)第②，③，④層原狀土的土-水特性各不相同，其保水特性依次增強，進(jìn)氣值分別為160～180，220～240，650～800 kPa.

(2)同一種土樣的原狀土與重塑土的土-水特性有很大差別，可用孔隙結(jié)構(gòu)分布不同來解釋這一現(xiàn)象.第③層重塑土的進(jìn)氣值為550～600 kPa，比原狀土的大;而對于土-水特征曲線的斜率，盡管原狀土與重塑土的孔隙比相近，但重塑土的斜率較大.原因都是由于重塑土的孔隙大小分布比原狀土的均勻.

(3)隨著吸力的增大，上海軟土的收縮變形可以分為3個階段，即彈性階段、彈塑性階段和縮限階段，每個階段的變形特點也不同，并且土體的收縮變形大小與塑性指數(shù)有關(guān).

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