非飽和黃土土水特性與濕陷性關(guān)系分析

高凌霞，欒茂田，覃麗坤

(1.大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，遼寧大連116605;2.大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院巖土工程研究所，遼寧大連116024)

黃土是在干旱半干旱氣候條件下形成的一種第四紀(jì)沉積物，它往往是非飽和的，而且具有濕陷性，即在常應(yīng)力情況下，浸水或者隨著含水量的增加，體積大幅度減小的特性。增濕引起的變形或者濕陷，是黃土具有亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)的典型體現(xiàn)［1］。濕陷性在定量上的不可忽視性和在定性上的急速發(fā)展性，是影響其上建筑物穩(wěn)定性的一大突變問題［2］。對(duì)濕陷性的研究，前人做了大量的工作，并取得了豐碩的成果。目前，對(duì)濕陷性黃土的研究，主要建立在土處于飽和狀態(tài)時(shí)，在常規(guī)壓縮儀中測(cè)試濕陷變形。然而，大量的室內(nèi)外試驗(yàn)表明，土的濕陷決非在飽和時(shí)或吸力為零時(shí)才發(fā)生，而是由含水量，更準(zhǔn)切地說(shuō)是隨吸力的變化情況引起的［3-5］。因此，根據(jù)目前非飽和土力學(xué)的概念，要更好地描述土的濕陷變形，還需考慮凈法向應(yīng)力、基質(zhì)吸力，這樣才更有利于認(rèn)識(shí)土的濕陷過程。

土水特征曲線被廣泛用來(lái)表征土的含水量與吸力的關(guān)系，是分析土的滲流、抗剪強(qiáng)度及體變問題時(shí)的關(guān)鍵要素，因此被認(rèn)為是描述非飽和土性狀最重要的因素。除了可以描述土中水的滯后現(xiàn)象之外，還被廣泛地用來(lái)預(yù)測(cè)土的一些性質(zhì)。如非飽和水的滲透系數(shù)、抗剪強(qiáng)度等［6-7］。許多學(xué)者試圖用數(shù)學(xué)公式表示土水特性曲線。在眾多的數(shù)學(xué)公式中，F(xiàn)redlund and van Genuchten模型在巖土工程界得到廣泛的應(yīng)用［8-9］。然而，很少有文獻(xiàn)報(bào)道，把土水特征曲線和土的濕陷性聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行的研究。

本文針對(duì)取自相同地點(diǎn)的原狀黃土，利用壓力板儀測(cè)試了土水特征曲線，利用非飽和土三軸儀(GDS)測(cè)試了濕陷變形。通過二者的結(jié)合，利用土水特征曲線間接得出了不同含水量時(shí)土的吸力與濕陷性的關(guān)系，對(duì)非飽和黃土濕陷性的研究開辟新的思路具有一定的意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)用土取自陜西洛川，采用探井取樣，取樣深度為2.6 m，為Q3黃土。土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 土的物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 土水特征試驗(yàn)

土水特征曲線可用壓力板儀來(lái)測(cè)量，壓力板儀的構(gòu)造如圖1。其工作原理為:土樣與只透水不透氣的高進(jìn)氣值陶土板密切接觸，排水管與大氣聯(lián)通，因此孔隙水壓力與大氣壓力相等。在壓力室內(nèi)施加不同的氣壓值可以得到不同的基質(zhì)吸力。實(shí)際上，在施加氣壓的時(shí)候采用了軸平移技術(shù)。

1.2.2 濕陷變形試驗(yàn)

非飽和土濕陷變形試驗(yàn)利用非飽和土三軸儀(GDS)測(cè)試得到。

圖1 壓力板工作原理示意圖

土樣首先加濕飽和以釋放基質(zhì)吸力，飽和試樣先在各向等壓力下固結(jié)。固結(jié)完成后，給試樣施加200 kPa的基質(zhì)吸力，等吸力平衡后再依施加200 kPa的基質(zhì)吸力，等吸力平衡后再依次施加凈法向應(yīng)力50，100，200和400 kPa。在每級(jí)凈法向應(yīng)力作用下，允許試樣變形達(dá)到平衡，然后施加下一次荷載。以后逐級(jí)減小吸力100，50，25，10，0 kPa。測(cè)試相應(yīng)的濕陷變形。

濕陷變形計(jì)算式為

式中，ΔHi為土樣濕陷后的高度變化量，H0i為增濕前或吸力減小前土樣的高度。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕陷變形

初始吸力為200 kPa，在凈法向應(yīng)力為50，100，200，400 kPa時(shí)的濕陷變形曲線如圖2。

圖2 非飽和黃土壓縮曲線及濕陷變形

濕陷變形指的是吸力從200 kPa減小到0時(shí)土樣的體積變化。在凈法向應(yīng)力為100 kPa時(shí)土樣的濕陷量最大，也就是說(shuō)隨著壓力的變化，土的濕陷存在峰值，這是非飽和黃土濕陷性的特點(diǎn)。

土的濕陷系數(shù)與吸力的關(guān)系如圖3。凈法向應(yīng)力為50 kPa，吸力從200減小到25 kPa時(shí)，土樣基本沒有濕陷變形。而吸力從25 kPa變到0時(shí)土樣的濕陷量最大。另外，當(dāng)土樣的凈法向力為400 kPa，吸力小于100 kPa時(shí)，濕陷開始發(fā)展。說(shuō)明土在吸力減小到一定值時(shí)才出現(xiàn)濕陷，隨后濕陷系數(shù)開始迅速地增加。這一性狀與其土水特性密切相關(guān)。

圖3 濕陷系數(shù)與吸力的關(guān)系

2.2 土水特性曲線

凈法向應(yīng)力分別在0，50，100，400 kPa 作用下非飽和黃土的土水特征曲線如圖4。從圖4中可以看出，曲線的起始點(diǎn)均不相同，由此反應(yīng)了黃土加載及增濕時(shí)對(duì)體積變化的影響。各曲線的其他部分也比較相似。

凈法向應(yīng)力為0的曲線為原狀黃土的土水特性曲線，從圖4中可以看到，在降飽和區(qū)，吸力的較小變化意味著含水量的較大變化，即隨著含水量的增大，濕陷將增加，因?yàn)楦淖兾π枰^大的含水量。

不同凈法向應(yīng)力作用下，吸力變化相同，但濕陷應(yīng)變并不相同(如圖3)。這一差別與土水特性的變化有關(guān)，因?yàn)橥猎诓煌募虞d及增濕情況下體積發(fā)生了不同的變化。土的粒徑成分、孔隙大小以及應(yīng)力狀態(tài)將影響土的特性曲線的形狀，土經(jīng)不同凈法向應(yīng)力固結(jié)和增濕，宏觀孔隙的變化會(huì)影響土水特性。

2.3 濕陷變形與土水特性關(guān)系

從圖3可以看到，在凈法向應(yīng)力為50 kPa下增濕時(shí)，吸力從200 kPa降到25 kPa時(shí)，土樣基本沒有發(fā)生濕陷，濕陷主要發(fā)生在吸力從10 kPa降到0 kPa這一階段。在凈法向應(yīng)力為400 kPa下增濕時(shí)，吸力變化引起漸進(jìn)的濕陷變形，或者說(shuō)濕陷變形較為均勻。

同樣還可以看到，當(dāng)吸力低于臨界值時(shí)，濕陷應(yīng)變快速增加。較大的濕陷變形與土水特征曲線的降飽和區(qū)有關(guān)(如圖3)。有理由推測(cè)這一臨界值與殘余吸力有關(guān)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，增濕的濕陷是允許進(jìn)入土中水的量的函數(shù)。顯然，水量受基質(zhì)吸力或土水特性的控制。對(duì)土濕陷變形模式的分析表明，它符合土水特性曲線的模式(Fredlund and van Genuchten模型)，因此，可以用與土水特性曲線相似的模型來(lái)預(yù)測(cè)土的濕陷系數(shù)。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)洛川原狀黃土分別進(jìn)行了土水特性及濕陷性試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論:

(1)在吸力減小的情況下，非飽和黃土發(fā)生漸進(jìn)濕陷變形。隨著吸力的減小，濕陷應(yīng)變趨于增加，當(dāng)吸力減小至某一臨界值時(shí)，濕陷變形顯著增大，當(dāng)吸力為零時(shí)達(dá)到最大值。不同凈法向應(yīng)力作用下，吸力臨界值不同。在凈法向應(yīng)力為50 kPa時(shí)，吸力臨界值為10 kPa;凈法向應(yīng)力為100，200和400 kPa時(shí)，吸力臨界值為70 kPa;凈法向應(yīng)力為100 kPa時(shí)，其濕陷量最大，濕陷存在峰值壓力。

(3)在土水特性曲線的降飽和區(qū)，隨著含水量的增大，即吸力的減少，出現(xiàn)明顯的濕陷變形，出現(xiàn)濕陷變形時(shí)的吸力臨界值與土水特性曲線的殘余吸力有關(guān)。

(4)非飽和原狀黃土濕陷系數(shù)與吸力的關(guān)系模式與土水特性模式類似，因此累積的濕陷應(yīng)變可以用土水特征曲線類似的方程和吸力建立聯(lián)系。這樣就可以考慮吸力與凈法向應(yīng)力對(duì)濕陷性的影響，能夠更全面地了解黃土的濕陷變形特性。

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