土水特征曲線試驗(yàn)及其擬合研究

陳承佑 王煥新

廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧 530004

土水特征曲線試驗(yàn)及其擬合研究

陳承佑 王煥新

廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧 530004

本文通過對南寧膨脹土進(jìn)行壓力板試驗(yàn)，測得其含水量—基質(zhì)吸力的關(guān)系（即SWCC）。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)一般存在一定的離散性，故需進(jìn)行擬合；本文借助Origin軟件，用二種土水特征曲線模型對其進(jìn)行擬合，并對擬合結(jié)果進(jìn)行了討論分析。

膨脹土；土水特征曲線；擬合

expansive soil；SWCC；fitting

引言

土水特征曲線(SWCC) 是指非飽和土中吸力和質(zhì)量含水率ω、體積含水量θ或飽和度S之間的關(guān)系。土水特征曲線在非飽和土力學(xué)研究中扮演著重要角色，它可用來解釋非飽和土性狀的主要本構(gòu)關(guān)系，將理論試驗(yàn)測試與預(yù)測方法有機(jī)地聯(lián)系起來[1]。通過土水特征曲線可獲得非飽和土的滲透函數(shù)、抗剪強(qiáng)度等有關(guān)參數(shù)[2][3]。但由于由試驗(yàn)測試得到的土水特征數(shù)據(jù)一般較為粗糙，離散點(diǎn)比較多。如直接應(yīng)用于數(shù)值模擬，往往導(dǎo)致數(shù)值不收斂，需要進(jìn)一步擬合，才能應(yīng)用于實(shí)際。為此，本文先采用壓力板法獲得南寧膨脹土脫濕土水特征曲線數(shù)據(jù)，然后分別利用VG和FX模型對其進(jìn)行擬合。

1 試驗(yàn)過程及結(jié)果

1.1 試驗(yàn)過程

試樣土樣為南寧膨脹土。采用悶土法制備含水量為35.8%、干密度為1.3 g/cm3的土餅，然后制備環(huán)刀土樣。土樣的干密度差值不得超過0.03g/cm3。將制備好的土樣先進(jìn)行真空飽和，然后進(jìn)行壓力板試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)采用美國 Soilmoisture公司生產(chǎn)的壓力板儀，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 土水特征曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 土水特征曲線數(shù)學(xué)模型及模擬

2.1 土水特征曲線數(shù)學(xué)模

2.1.1 Van genuchten （VG）模型[4]

Van Genuchten (1980)提出了一個平滑的封閉型3參數(shù)數(shù)學(xué)模型，用于擬合土體土-水特征曲線，其表達(dá)如下：

VG模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式，包含了其所描述曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)的信息，能更好的擬合實(shí)際土體SWCC的形狀。參數(shù)a約等于進(jìn)氣壓力值，參數(shù)n與土體孔隙尺寸分布有關(guān)，參數(shù)m可由n來定。

2.1.2 Fredlund-Xing (FX)模型[5]

該模型也考慮了孔隙尺寸分布的作用，并提出了下面的表達(dá)式：

式中Ψ為吸力(kPa)，a，m，n為模型參數(shù)，e為自然對數(shù)常量，C(Ψ)為修正因子，Ψr為土體處于殘余含水量狀態(tài)時的吸力值。

2.2 土水特征曲線擬合

本文采用Origin軟件進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖1和圖2：

圖1 Van genuchten 模型擬合曲線

圖2 Fredlund-Xing 模型擬合曲線

從圖1和圖2可以看出，利用上述二個數(shù)學(xué)模型對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合所得的曲線連續(xù)光滑，應(yīng)用起來相當(dāng)便利。

表2 南寧膨脹土擬合參數(shù)

3 結(jié)語

本文主要結(jié)論如下：

3.1 利用軸平移技術(shù)，通過高進(jìn)氣值的陶土板改變不同的基質(zhì)吸力，測試出土體的土水特征曲線的方法是可行的。

3.2 VG、FX土水特征曲線數(shù)學(xué)模型的擬合結(jié)果與試驗(yàn)比較接近，證明了該模型的具有很強(qiáng)在適用性。

3.3 利用Origin能夠方便的對土水特征曲線進(jìn)行擬合，可以得到較為正確的擬合參數(shù)。

[1]BARBOUR, L S. Nineteentcha nadiagn eotechn ical colloquiumth: e soil-water characteristicc urve: a historicapl erspective[CJ]. anadiaGn eotechnicJaol urnal,1998, 35(5).

[2]FREDLUND D G, XING A, FREDLUND M D,et al. The relationshoipf the unsaturatesd oil shear strengthf unctiont o the soil-water characteris tic curve[J]. CanadianG eotechnicJaol urnal, 1995,32(8): 440-448.

[3]VANAPALLSI K, FREDLUND D G, PUFAHL D E.The relationshbipe tweetn he soil-water characteristic curve and the unsaturatesd hear strength of a compactegdl acial till[J]. GeotechnicTael sting Journal,1996, 19(6): 259-268.

[4]劉漢樂，周啟友，徐速.非飽和帶中非均質(zhì)條件下 LNAPL 運(yùn)移與分布特性實(shí)驗(yàn)研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2006, 33（5）：52-57.

[5]孟長江.非飽和土土水特征曲線與強(qiáng)度的試驗(yàn)研究及其應(yīng)用[D].

Soil water characteristic curve test and fitting research

Chen Chengyou Wang Huanxin
College of Engineering, Guangxi University,Nanning 530004,China

The pappert hrought o nanninge xpansivse oi l pressure plate test,meassutrhe e relation between the moisturce ontenat nd suction-matr(i x SWCC).As there are some experimendtaal ta are general discretenesss, o they are requiredf or fitting ;the paper introducets wo kinds of soil wate r characteristcic urve modetl o the fitting with the Origin software.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.11.013

TU411

A