桂林紅黏土的土-水特征曲線

孫德安，劉文捷，呂海波

（1.上海大學(xué) 土木工程系，上海 200072；2.桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004）

1 引 言

紅黏土作為一種典型特殊土，是碳酸鹽巖風(fēng)化殘坡積，并經(jīng)過紅土化作用而形成的棕紅、褐黃等色的高塑性黏土。我國紅黏土主要分布在南方熱帶和亞熱帶地區(qū)，如廣西、貴州、云南、廣東以及湖南等省份。由于風(fēng)化和紅土化的環(huán)境和程度不同，紅黏土的地質(zhì)與工程特性隨地域不同而具有明顯的差異性。

紅黏土具有較差的物理性質(zhì)和較好的力學(xué)性質(zhì)，這種特殊性質(zhì)主要是由于紅黏土中游離氧化物形成的膠結(jié)作用和顆粒間特殊的連接方式造成的。我國學(xué)者對紅黏土的成因和微觀結(jié)構(gòu)做了不少的研究[1－4]，并取得了很好的成果，但關(guān)于紅黏土的水力-力學(xué)特性的研究還較少。本文圍繞紅黏土的土-水特性展開了研究。

土-水特征曲線（SWCC）是指土中的水分與土中吸力的關(guān)系曲線。土中水分可以用重力含水率w、體積含水率θ 或飽和度Sr等參數(shù)表示，通過土-水特征曲線可以預(yù)測非飽和土的強度和滲透性等，對評估許多巖土工程問題如基坑工程、道路路基及邊坡穩(wěn)定性等都具有重要意義。

劉小文等[5]采用濾紙法對紅黏土進行吸力量測，探討了基質(zhì)吸力與含水率及干密度的關(guān)系；唐軍等[6]應(yīng)用壓力板測得了不同干密度下紅土的體積含水率與吸力的關(guān)系，并用3 種模型對玄武巖風(fēng)化紅土的土-水特征曲線進行了擬合；談云志等[7]利用壓力板儀研究了4 種干密度壓實試樣脫濕路徑下的土-水特征曲線，并從微觀結(jié)構(gòu)角度分析了壓實土體不同持水性能的原因。壓力板法和濾紙法可較好地量測吸力較低情況下的土-水特性，但有些干燥氣候下紅黏土的含水率很低，并產(chǎn)生開裂。因此，需要研究較高吸力條件下的土-水特性。

本文采用壓力板法（吸力范圍為0～1.5 MPa）、濾紙法（吸力范圍為0～40 MPa）和飽和鹽溶液法（吸力范圍為3～367 MPa）3 種方法，量測不同吸力范圍內(nèi)桂林紅黏土的土-水特性，最終得到了全程吸力范圍內(nèi)的土-水特征曲線，為進一步探究桂林紅黏土的水力-力學(xué)特性提供有價值的試驗數(shù)據(jù)。

2 試驗材料

試驗中用紅黏土取自桂林市南部的桂林理工大學(xué)雁山校區(qū)，取土深度為2.4～3.6 m，土樣呈紅褐色、稍濕、硬塑狀態(tài)、裂隙不發(fā)育、黏性較強。經(jīng)X 衍射分析法知其礦物成分主要為高嶺石(56.59%)、三水鋁石(11.44%)、針鐵礦(15.61%)，還含有一定量的石英(12.45%)[8]。試驗前，將土樣風(fēng)干、碾碎、過2 mm 篩，并烘干后使用，顆粒組成見圖1[8]，由圖可知紅黏土中小于2 μm 的顆粒含量較高，占總量的52.7%。桂林紅黏土物理和力學(xué)性質(zhì)指標分別如表1、2 所示[8]，由表1、2 可看出該紅黏土的液塑限都較高，屬于高液限黏土。

圖1 桂林紅黏土的顆粒分布Fig.1 Particle size distribution of Guilin lateritic clay

表1 桂林紅黏土的物理性質(zhì)指標Table 1 Physical indices of Guilin lateritic clay

表2 桂林紅黏土的力學(xué)性質(zhì)指標Table 2 Mechanical indices of Guilin lateritic clay

3 試驗方法

3.1 壓力板試驗

壓力板試驗采用美國GCTS 非飽和土固結(jié)儀，如圖2 所示。試驗采用軸平移技術(shù)控制試樣吸力，試樣底面與陶土板相連，陶土板將土樣中的孔隙水壓和孔隙氣壓分開，通過控制氣壓就可以達到控制吸力的目的。

圖2 GCTS 非飽和土固結(jié)儀Fig.2 GCTS oedometer for unsaturated soils

制樣時，首先配制含水率為28%的濕土，充分混合均勻后裝入保鮮袋，靜置24 h 待水分均勻后取用。試驗采用油壓式千斤頂配合模具制樣，環(huán)刀直徑為61.8 mm，高度為20 mm。將壓實樣抽氣飽和后，用游標卡尺量測試樣直徑和高度，并稱其質(zhì)量。然后放入GCTS 非飽和土固結(jié)儀中，施加預(yù)定的氣壓，吸力路徑為5→10→20→40→80→160→300→500→800→1 200 kPa。

通過觀察記錄與陶土板下方相連接的水管液面的變化，判定每級吸力下試樣的水分是否達到平衡狀態(tài)。每級吸力作用下穩(wěn)定后，將土樣取出，測量其體積和質(zhì)量。為了使陶土板處于飽和狀態(tài)，且陶土板下方無氣泡，因此，試驗過程中每隔一段時間進行氣泡沖刷。試驗中每級吸力平衡至少需要4 d，故完成整個吸力路徑的試驗需要一個半月左右。

吸力小于500 kPa 時，采用進氣值為500 kPa的陶土板，吸力大于500 kPa 時，更換進氣值為1.5 MPa 的陶土板。氣壓小于700 kPa 時，直接使用空壓機的氣源，氣壓大于700 kPa 時，使用經(jīng)增壓器增壓后的氣源。

3.2 濾紙法試驗

在進行濾紙法試驗時，用千斤頂壓制干密度相同的10個環(huán)刀樣，控制含水率范圍為7%～34%，即含水率每隔3%左右配制一個土樣。

如圖3(a)所示，在樂扣盒底部放置3 張濾紙，然后緊貼濾紙放置土樣（見圖3(b)），土樣上方用濾網(wǎng)隔開后再放一張濾紙（見圖3(c)），最后將密閉的樂扣盒（見圖3(d)）放入恒溫室內(nèi)。放置兩周后濾紙與土樣中水分達到平衡，測量土樣的體積、含水率及濾紙含水率。濾紙的重量用精度為1/104g 天平測量，且在打開樂扣盒后立刻稱重量，以免濾紙與空氣接觸后水分發(fā)生變化。

圖3 濾紙法試驗過程圖Fig.3 Sketch of filter paper method

試驗采用Whatman No.42號濾紙，率定曲線方程采用Leong 等[9]根據(jù)試驗結(jié)果給出的雙線性率定曲線方程。

基質(zhì)吸力為

式中：ψ為吸力；wf為平衡后濾紙含水率。總吸力為

3.3 飽和鹽溶液法試驗

飽和鹽溶液法是目前最常用的高吸力控制技術(shù)之一，通過不同的鹽溶液控制環(huán)境濕度，從而達到控制土樣吸力的目的。本文試驗中采用的飽和鹽溶液和對應(yīng)吸力值，是根據(jù)全國物理化學(xué)計量技術(shù)委員會給出的飽和鹽溶液標準相對濕度值RH[10]，飽和鹽溶液和對應(yīng)的吸力值如表3 所示。

表3 飽和鹽溶液及對應(yīng)吸力值（20℃）Table 3 Saturated salt solution and corresponding suction

試驗分為脫濕和吸濕試驗。制備相同初始干密度的環(huán)刀樣，將其中一部分環(huán)刀樣抽氣飽和后切成小塊，放入過飽和的鹽溶液上方，進行脫濕試驗；另一部分環(huán)刀樣切成小塊放入烘箱烘干后，再放入鹽溶液上方，進行吸濕試驗。每個環(huán)刀樣切成8個小塊（見圖4），每種溶液上方放置兩小塊飽和樣、兩小塊烘干樣，其中一塊用于測量吸力平衡后的含水率，另一塊用于根據(jù)阿基米德原理測量其體積。

土樣含水率和體積量測方法是在唐朝生等[11]所用的方法基礎(chǔ)上改進的。如圖5 所示，先將土塊在液體石蠟中預(yù)先浸潤15 min，使石蠟充滿土體表面的孔隙，取出后拭去土塊表面多余的石蠟。然后將其放入不規(guī)則土樣體積量測裝置的鋁盒內(nèi)，并浸沒于液體石蠟中。天平顯示的變化量即為被土塊排開的液體石蠟的質(zhì)量，由試驗所用液體石蠟的密度可得到土塊的體積。平衡時土樣的含水率、孔隙比和飽和度即可計算得到。

圖4 供飽和鹽溶液法用的試樣Fig.4 Samples for saturated salt solution method

圖5 土樣體積測量示意圖Fig.5 Sketch of volume measurement for soil sample

4 試驗結(jié)果及分析

典型的土-水特征曲線可分為3 段，即為邊界效應(yīng)段、過渡段和非飽和殘余段，如圖6 所示。在脫濕和吸濕兩種過程中，測得的土-水特征曲線是不同的，脫濕曲線總是高于吸濕曲線，這種現(xiàn)象稱為土-水特征曲線的滯回特性。對粗粒土而言，滯回區(qū)間較?。欢鴮t黏土這種滯回現(xiàn)象更加明顯。土體的滯回現(xiàn)象可以用瓶頸效應(yīng)等進行解釋。

圖6 典型的土-水特征曲線Fig.6 Typical soil-water characteristic curves

4.1 壓力板試驗結(jié)果

圖7為用壓力板法測得的桂林紅黏土在初始干密度為1.36 g/cm3時壓實試樣經(jīng)飽和后的脫濕土-水特征曲線，分別用吸力與含水率、體積含水率和飽和度關(guān)系表示。

圖7 紅黏土的脫濕土-水特征曲線（壓力板法）Fig.7 Soil-water characteristic curves of lateritic clay during drying by pressure plate method

根據(jù)進氣值的定義，在圖7(c)中作土-水特征曲線（s-Sr曲線）中下降段的切線，得知紅黏土的進氣值約為20 kPa。即當吸力大于20 kPa 時土體變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)。

試驗過程中隨著吸力不斷增大，試樣失水干縮，體積、孔隙比減小，試驗結(jié)束時，干密度為1.39 g/cm3，比初始干密度大。

4.2 濾紙法試驗結(jié)果

圖8為用濾紙法測得的桂林紅黏土的土-水特征曲線。濾紙法可以同時測得總吸力和基質(zhì)吸力。由于制樣存在誤差，10個試樣中有8個干密度在1.36～1.39 g/cm3范圍內(nèi)，含水率最高的兩個試樣干密度為1.42 g/cm3。由圖可以看出，由于紅黏土中并不含有大量的鹽分，所以測得的總吸力與基質(zhì)吸力幾乎相等，兩條土-水特征曲線幾乎重合。

圖8 紅黏土的土-水特征曲線（濾紙法）Fig.8 Soil-water characteristic curves of lateritic clay by filter paper method

4.3 飽和鹽溶液法試驗結(jié)果

為了研究不同干密度對于土-水特征曲線的影響，試驗共制備了4 種干密度的試樣，初始干密度分別為1.0、1.2、1.4、1.6 g/cm3。

圖9為初始干密度為1.4 g/cm3壓實紅黏土的土-水特征曲線。飽和鹽溶液法測量的是高吸力范圍內(nèi)的土-水特征曲線，只有在吸力較小時脫濕曲線略高于吸濕曲線，而當吸力大于100 MPa 時，滯回現(xiàn)象消失，脫濕曲線與吸濕曲線重合。吸力增大至367 MPa 時，壓實桂林紅黏土的含水率僅為0.74%，飽和度幾乎為0，與Fredlund 等[12]的結(jié)論相一致。

圖9 紅黏土的土-水特征曲線（飽和鹽溶液法）Fig.9 Soil-water characteristic curves of lateritic clay by saturated salt solution method

4.4 3 種方法試驗結(jié)果比較

圖10為3 種不同方法得到的紅黏土土-水特征曲線。

圖10 全程吸力范圍內(nèi)紅黏土的土-水特征曲線Fig.10 Soil-water characteristic curves of lateritic clay in full suction range

從圖10(a)可以看出，3 種方法在吸力范圍重合的區(qū)域內(nèi)，測得的土-水特征曲線能較好地重合，表明3 種方法能夠較好地結(jié)合起來，測得紅黏土全程吸力范圍內(nèi)的土-水特征曲線。

將圖10(c)與典型的土-水特征曲線（見圖6）進行對比，可發(fā)現(xiàn)紅黏土的土-水特征曲線的過渡段不是一直線，而是出現(xiàn)3 條不同斜率的線段，中間一段最平緩。

根據(jù)譚羅榮等[4]提出的紅黏土微觀結(jié)構(gòu)模型，紅黏土土體內(nèi)部由黏土礦物顆粒經(jīng)膠結(jié)作用黏聚成較大的粒團，大小不等的粒團再通過膠結(jié)物聚集構(gòu)成更大的聚集體。壓實紅黏土中的孔隙形式就分為聚集體內(nèi)孔隙和聚集體之間孔隙兩類，兩類孔隙的孔徑大小差別很大。由于聚集體之間的孔徑較大，施加一個很小的氣壓（20 kPa），紅黏土內(nèi)部聚集體之間水分就會排出；當吸力在100～1 000 kPa 之間時，聚集體之間水分已完全排出，而聚集體內(nèi)部孔隙較小，土體處于不排水狀態(tài)，就出現(xiàn)了水平階段。談云志等[8]用壓力板儀研究壓實紅黏土持水特性時，得到了類似的試驗結(jié)果，并用孔隙累積分布曲線解釋了土-水特征曲線出現(xiàn)平緩段的原因。

對于圖10(c)中，由于濾紙法在制樣過程中含水率最大試樣的干密度較大，從而計算所得的飽和度與同組數(shù)據(jù)相比偏高，因此，與壓力板法所測數(shù)據(jù)重合不是很好。

4.5 干密度對于土-水特征曲線的影響

為了研究干密度對紅黏土的土-水特征曲線的影響，用飽和鹽溶液法進行了4 種干密度試樣的試驗。

圖11為4 種不同干密度的土-水特征曲線。由于干密度為1.0 g/cm3的飽和樣非常松散，不易切割成型，故只進行了烘干樣的吸濕試驗，因此，4 種干密度的比較也以吸濕過程為例。

圖11 不同干密度下紅黏土的吸濕土-水特征曲線Fig.11 Soil-water characteristic curves of lateritic clay with different dry densities in wetting

由圖11(a)可以看出，用含水率與吸力關(guān)系表示土-水特征曲線時，吸力在6～367 MPa 范圍內(nèi)，不同初始干密度試樣在吸力平衡后，相同吸力下含水率幾乎相同，4 條曲線基本重合。因此，可以認為，在高吸力段試樣干密度對用吸力與含水率關(guān)系表示的土-水特征曲線沒有影響。

從圖11(b)可以發(fā)現(xiàn)，用飽和度與吸力關(guān)系表示土-水特征曲線時，當吸力小于50 MPa 時，不同干密度的土-水特征曲線相差較大，干密度越大，土-水特征曲線越高。當吸力大于50 MPa 時，不同干密度試樣平衡后的飽和度幾乎相同，干密度對土-水特征曲線無影響。

5 結(jié) 論

（1）用壓力板法、濾紙法和飽和鹽溶液法量測了桂林紅黏土在全程吸力范圍內(nèi)的土-水特征曲線，試驗結(jié)果表明，3 種方法得到的結(jié)果有較好的一致性，這為量測全程吸力范圍內(nèi)的土-水特征曲線提供了一種較為實用的方法。

（2）紅黏土的土-水特征曲線與典型的土-水特征曲線相比，其過渡段不是一直線，而是出現(xiàn)3 條不同斜率的線。這是由于紅黏土顆粒是以由粒團聚集而成的聚集體的形式存在的緣故。

（3）當吸力增大到367 MPa 時，壓實紅黏土的含水率僅為0.74%。從測得土-水特征曲線的趨勢看，若吸力繼續(xù)增大至106kPa，含水率和飽和度應(yīng)大致為0，與Fredlund 等的結(jié)論相一致。

（4）用含水率與吸力關(guān)系表示土-水特征曲線時，吸力在6～367 MPa 范圍內(nèi)，不同干密度的土-水特征曲線幾乎重合；用飽和度與吸力關(guān)系表示時，吸力小于50 MPa，不同干密度的土-水特征曲線相差較大，干密度越大，土-水特征曲線越高。

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