高含水率黏土表層基質(zhì)吸力的濾紙法測試

姜世新，閆澍旺，紀(jì)玉誠

（天津大學(xué)建筑工程學(xué)院巖土工程系，天津　300072）

高含水率黏土表層基質(zhì)吸力的濾紙法測試

姜世新，閆澍旺，紀(jì)玉誠

（天津大學(xué)建筑工程學(xué)院巖土工程系，天津300072）

在圍海造陸工程中，由于施工成本等原因需要改進(jìn)密封模式，用淤泥代替泥沙。但由于泥土的開裂性質(zhì)，易出現(xiàn)密封失效結(jié)果，因而需要對淤泥（高含水率土）的開裂性質(zhì)進(jìn)行研究。濾紙法測定土中吸力是一種簡單有效的試驗方法，用接觸法可以間接得出土中的基質(zhì)吸力，而土中的基質(zhì)吸力是引發(fā)土體開裂的重要因素，對于研究無砂真空預(yù)壓和土中的開裂有著重要幫助，文中在以往濾紙法的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了改進(jìn)，使其更為簡便。試驗結(jié)果對該方法的準(zhǔn)確性、不同厚度土表層的基質(zhì)吸力、不同厚度土中導(dǎo)致開裂的基質(zhì)吸力分別進(jìn)行了推算，很好地印證了較厚土層對于開裂的遲緩反應(yīng)。

濾紙法；基質(zhì)吸力；開裂；含水率；土水特征曲線

0　引言

在積多年科研理論研究成果和重大工程施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對吹填土軟土地基的加固，提出了吹填完畢后在吹填土層上直接打設(shè)排水板，采用吹填泥自密封的方法進(jìn)行加固，一次密封加固一段時間后吹填泥表面會干裂漏氣，當(dāng)充分干裂后進(jìn)行二次吹填泥進(jìn)行二次自密封，從而可以達(dá)到永久密封的目的。但是由于干燥蒸發(fā)等作用，土體會發(fā)生干燥開裂，因此有必要對土體開裂的主導(dǎo)因素——基質(zhì)吸力進(jìn)行研究。

土中吸力的量測有多種方法，按照測量的結(jié)果可以分為總吸力的量測和基質(zhì)吸力的量測?？偽κ潜硎镜耐林兴淖杂赡堋峭ㄟ^與土中水平衡時的部分蒸汽壓力得出，而基質(zhì)吸力為水的自由能中毛細(xì)部分，是總吸力的一部分，同另一部分滲透吸力共同構(gòu)成總吸力[1]。其中總吸力的量測方法與基質(zhì)吸力的測量方法均有多種，不同的方法所能量測的吸力范圍也是不同的，方法之一接觸式濾紙法為全范圍量測。濾紙法不但可以量測總吸力而且可以量測基質(zhì)吸力：當(dāng)干燥的濾紙與土體接觸時，土中水分遷移到濾紙上與濾紙達(dá)到平衡，此為接觸法試驗，量測的是基質(zhì)吸力；當(dāng)濾紙懸于土樣上方時，土中的水分蒸發(fā)，水蒸氣遷移到濾紙上達(dá)到平衡，此為非接觸法試驗，量測的是總吸力。在得到濾紙的質(zhì)量含水率后，通過對該型號濾紙的率定曲線可以間接的得出土中吸力。對于濾紙的率定曲線的得出，國外學(xué) 者 Fawcett 和 Collis-George 在 1967 年 對Whatman No.42 特 定濾 紙進(jìn) 行了 率 定[2]， 國 內(nèi)學(xué) 者在此方面的研究不多，蔣剛[3]首 次系統(tǒng)的對其進(jìn)行了研究，其所使用的為國產(chǎn)雙圈牌濾紙，率定結(jié)果與文獻(xiàn)[2]中基本符合一致，具有良好的一致性，為國內(nèi)基質(zhì)吸力方面的研究打下良好的基礎(chǔ)。

對于基質(zhì)吸力的量測，目前國內(nèi)的研究成果并不多。葉為民、白云[4]等人使 用濾紙法獲取了上海地區(qū)的軟土水土特征曲線 SWCC，唐東旗[5]對陜西地區(qū)非飽和黃土的基質(zhì)吸力做了初步研究，王釗[6]等人對濾紙法的現(xiàn)場量測中的應(yīng)用做了論證，有進(jìn)步意義的是王桂堯[7]創(chuàng)新性 地研制了新型基質(zhì)吸力測量儀，這在國內(nèi)尚屬首例且極具進(jìn)步意義。

然而，以上文獻(xiàn)研究中對基質(zhì)吸力的研究大多從土壤學(xué)理論中入手，從土壤開裂方面開展研究的寥寥無幾。并且文獻(xiàn)中的試驗土樣大多為低含水率粉土、黏土，所使用的環(huán)刀儀器在試驗步驟方面并不適合本文所需解決的高含水率下土體開裂的情況。為了滿足高含水率、表層吸力等所需試驗條件和結(jié)果，本文特此采用了新的吸力量測儀器和方法。

1　土的物理性質(zhì)

本次所選試驗用土為天津大港區(qū)工程用土，塑限 26.46%，液限 44.72%，塑性 指數(shù) 18.26，土體初始含水率為 80%，由三軸試驗得有效內(nèi)聚力 c＇=0，內(nèi)摩擦角 φ＇=30°，泊松比 μ =0.35。

2　接觸濾紙法

2.1試驗原理

如前所述接觸式濾紙法是采用在一定吸力土中水分在土體和濾紙重達(dá)到平衡，間接通過濾紙率定曲線所得基質(zhì)吸力見圖1。

圖1　基質(zhì)吸力試驗示意圖Fig.1　Configuration ofmatrix suction test

2.2試驗儀器

恒溫箱、高精度電子秤 （0.001 g）、玻璃槽（由5塊玻璃片構(gòu)成）、“雙圈”牌濾紙、凡士林。

2.3試驗方法

以往的接觸濾紙法采用環(huán)刀取土，兩環(huán)刀土樣夾置3張濾紙來測定土中的基質(zhì)吸力。但對于含水率較高的土樣，環(huán)刀無法固定土樣阻止其流動，并且環(huán)刀的高度數(shù)值較大不宜模擬表層土處的厚度，不宜測量表層基質(zhì)吸力，因此本文提出一種新的試驗容器。

選取 11 cm × 11 cm 的主玻璃片，以及 4 小片寬度為 1 cm 的不同厚度的副玻璃片 （1.8mm/2.86 mm/4.52mm） 貼附于主玻璃片上，使其形成一個凹槽，見圖2。

圖2　玻璃槽Fig.2　Theglass-groove

取3張干燥濾紙疊放，對中間濾紙要事先進(jìn)行稱量。然后取圖2中相同厚度的試件兩個構(gòu)成一組，在其凹槽內(nèi)均勻涂抹土樣使其填滿，將3張濾紙疊放后置于土樣上，用凡士林在4條副玻璃片上均勻涂抹（作用為保持試件內(nèi)的水分恒定），隨后將兩試件扣置，將其靜置于恒溫箱中7~10 d 后即可達(dá)到水分的平衡 （見圖 3）。

圖3　試件組Fig.3　The test piece

待濾紙水分平衡后，取出中間的濾紙并迅速放置于天平上稱量，為減少水分的流失，稱量過程應(yīng)在 30 s內(nèi)完成。然后將濾紙放置于烘干箱內(nèi)烘干，并測量其質(zhì)量，得出濾紙的質(zhì)量含水率。整個過程要細(xì)心，取紙時要利用鑷子小心地取出，避免與土體接觸。所選濾紙為杭州新華造紙廠“雙圈”牌濾紙，該濾紙的基本物理指標(biāo)為：直徑7 cm，中速定性，灰分 0.15%，灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%。

利用濾紙率定曲線得出土體表層的基質(zhì)吸力：lg S=5.493-0.076wf，wf≤ 47%（1）lg S=2.470-0.012wf，wf＞ 47%（2）式中：wf為濾紙質(zhì)量含水率；S 為基質(zhì)吸力。率定曲線采用王釗等人文獻(xiàn) [6]中的分析結(jié)果。

3　結(jié)果分析

3.1濾紙法測試的穩(wěn)定性

通過對相同厚度的試件表層基質(zhì)吸力的量測，可以得出用濾紙法測試基質(zhì)吸力的準(zhǔn)確性。表1為6個試件基質(zhì)吸力的取值。

表1　基質(zhì)吸力標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 1　The standard deviation of thematrix suction

從標(biāo)準(zhǔn)偏差看，3組數(shù)據(jù)所得的基質(zhì)吸力誤差很小，所測值可以看做是表層的真實(shí)基質(zhì)吸力，表明了此種試驗方法的可靠性。在基于此的基礎(chǔ)上，本文對基質(zhì)吸力與厚度和開裂間的關(guān)系進(jìn)行定量分析。

3.2土層厚度與表層基質(zhì)吸力的關(guān)系

因環(huán)境保護(hù)等原因，近年來砂源地的開采不斷遭到當(dāng)?shù)卣梗靸r不斷提高，對天津等沿海城市軟基處理等用砂量較大的工程造成極大影響；急需開發(fā)一種沒有砂墊層的、適合于大面積吹填土地基加固的新型真空預(yù)壓技術(shù)。在可查的文獻(xiàn)或?qū)嵗校毡椴捎脤⑴潘迮c真空抽水管道相連接[8-9]，但該方法密封效果方面欠缺。為此，提出將排水板插入土層下一定厚度，用上覆土來替代砂墊層密封。

但是這里涉及到本文考慮的內(nèi)容，即黏土的開裂和覆土的厚度。土體的開裂會導(dǎo)致密封性的降低，因而需要知道覆土厚度和土層開裂間的關(guān)系。而土體的開裂根據(jù)線彈性理論和 LEFM 理論，與土層的基質(zhì)吸力密切相關(guān)[10]。因此有必要知道土層厚度與所產(chǎn)生的基質(zhì)吸力的關(guān)系。在相同含水率（未開裂前）的情況下，對不同厚度的土產(chǎn)生的基質(zhì)吸力做出如圖4曲線。

從圖4中可以看出在土體未開裂前曲線呈現(xiàn)隨著厚度的增加，其表層的基質(zhì)吸力的數(shù)值減小的趨勢，兩者間關(guān)系成反比。這也預(yù)示較厚的土層更適合密封真空預(yù)壓，對于土體的開裂也有著延緩作用。

3.3開裂時土體表層的基質(zhì)吸力

圖4　厚度-基質(zhì)吸力曲線Fig.4　Curvesof relationship between the thickness andmatrix

初級裂縫的產(chǎn)生可以認(rèn)為是由于表層處的基質(zhì)吸力大于土體的抗拉強(qiáng)度而導(dǎo)致的，對于裂縫發(fā)展模型，國外學(xué)者已做過大量工作[11-13]，而國內(nèi)在此方面的研究并不多見。

Fredlund[1]（1979）認(rèn)為非飽 和土體剪切 強(qiáng) 度可以用以下公式表示：

式中：τf為剪切強(qiáng)度；c＇為有效內(nèi)聚力；σ 為總應(yīng)力；ua為孔隙氣壓力；uw為孔隙水壓力；φ＇為有效摩擦角；φb為剪切強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力增加的因子。

Morris[10]由公式 （3） 推導(dǎo)得出了非飽和土中抗拉強(qiáng)度的公式：

式中：t為抗拉強(qiáng)度；αT為系數(shù)，取值為 0.5~0.7，取 0.5。

因此可以看出土體開裂過程中基質(zhì)吸力的直接影響，并 Morris 根據(jù)線彈性理論認(rèn)為當(dāng)表層水平拉應(yīng)力大于土體的抗拉強(qiáng)度時，土體即產(chǎn)生初級裂縫?；谶@樣的理論基礎(chǔ)，本文對開裂時的基質(zhì)吸力做了初步測定。

試驗同樣采用3種不同厚度的試件，對于每種厚度的試件在同一時間制備，但擱置晾曬不同的時間段已達(dá)到不同含水率后再進(jìn)行濾紙法的量測。試驗結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5　含水率隨時間的變化曲線Fig.5　Curvesof the relationship between the water contentand time

圖6　土水特征曲線Fig.6　The soil-water characteristic curve

從圖 5、圖 6看出，含水率隨時間降低，土層越厚斜率越小，水分喪失越慢；基質(zhì)吸力則是隨著含水率的降低逐漸增大，且在高含水率處增加緩慢，而在低含水率處增勢陡增。且在3種土樣中未開裂前 （即最大含水率 56%之前），基質(zhì)吸力與厚度成反比，而開裂后的情況從圖5和表2看缺乏規(guī)律性，仍待研究。

表2　開裂時基質(zhì)吸力Table 2　Thematrix suction of the cracking

初始開裂時的情形見圖7。

很明顯開裂時候的基質(zhì)吸力在土層厚度較薄時數(shù)值更大，越薄的土層導(dǎo)致越大的基質(zhì)吸力從而引起越早的土體開裂，這也印證了 3.2 節(jié)中較厚土層對于密封性更好的結(jié)論。

圖7　初始開裂情況Fig.7　The picturesof the initial cracks

從數(shù)值理論上，可以通過一些假設(shè)得到所需的結(jié)果：對于淤泥質(zhì)黏土，c＇可以取為 0，又根據(jù)Morris 認(rèn)為 αT=0.5 tan φ＇，所以式（4）變?yōu)椋?/p>

其中 φb按照 φb= φ＇-5°=25°來取值。

Fredlund 在非飽和土中提出土中水平應(yīng)力為：

式中：σx為水平方向的總法向應(yīng)力；σh為豎直方向的總法向應(yīng)力，σh= γz。

地表開始出現(xiàn)開裂現(xiàn)象時，一般裂隙規(guī)模延伸很短，開裂深度較淺。在不考慮孔隙氣壓力ua情況下，σh-ua≈ 0，式 （6） 變?yōu)椋?/p>

以 1.8mm 為例，即將開裂前的基質(zhì)吸力值約為 68 kPa，則由式（5）、式（7）可得出：

以上兩式可以看出水平應(yīng)力大于土中的抗拉強(qiáng)度， σx>t，土體會發(fā)生開裂，這也與試驗觀察（圖4）所得相同，同理可以得出另兩種厚度下的σx、t比較值，均符合以上規(guī)律。由此可知表層的基質(zhì)吸力是預(yù)測土中開裂時需要掌握的重要因素。

4　結(jié)語

1） 濾紙法對表層的基質(zhì)吸力量測方法更為簡單、實(shí)用，但對操作過程要求比較嚴(yán)格，傳統(tǒng)濾紙法量測低含水率的土較為適用，對于高含水率的土傳統(tǒng)法取土比較困難。本文所用的玻璃槽法很好地滿足了所需的試驗要求，對于今后的基質(zhì)吸力量測方法做出了微薄貢獻(xiàn)。

2） 本文從理論和試驗相結(jié)合的角度，闡明了土中的基質(zhì)吸力為預(yù)測土中開裂的重要因素，當(dāng)土中的水平應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時，土中的裂縫開始發(fā)展，而這兩項均與基質(zhì)吸力密切相關(guān)。不足的是，本文所用理論不應(yīng)用于普遍情況。

3） 根據(jù)所得的測量結(jié)果表明，基質(zhì)吸力與土層的厚度有線性關(guān)系，由于儀器的限制無法得出詳細(xì)的情況，但其規(guī)律呈現(xiàn)反比關(guān)系，即土層越薄產(chǎn)生的基質(zhì)吸力越大。

4） 基質(zhì)吸力在含水率較高時數(shù)值很小，且隨含水率增加趨近于0，土水特征曲線斜率較小變化緩慢，隨著干燥的進(jìn)行斜率增加曲線變陡；且在開裂時，較薄土層的基質(zhì)吸力數(shù)值很大，容易引起裂縫。

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Surfacematrix suction test based on the filer paper m ethod for the high water content clay

JIANG Shi-xin，YANShu-wang，JIYu-cheng
（SchoolofCivilEngineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

It is necessary to replace the sand with the slurry because of the economic cost in the coastal reclamation project. However， the cracking of the slurry （the high water content clay） should be studied， because the cracking easily lead to seal failure.It is convenientand effective to test the suction using the filer papermethod in the soil and the contactingmethod can gain thematrix suction indirectly，while thematrix suction is important for the crack in the soil so thatwe can study the cracking soil in-depth and no-sand cushion vacuum preloading，and the paper improve themethod to adjust this test.The resultof test isabout the error，the surfacematrix suctions for the varies thickness of the clay，the surfacematrix suctions for the varies thicknessof the claywhen the clay crack，andwe prove that themore thickerabout the soil，the smaller the cracking.

filer papermethod；matrix suction；crack soil；water content；SWCC

U652.2

A

1003-3688（2014）01-0045-05

10.7640/zggw js201401008

2013-06-05

2013-09-09

姜世新 （1990 —），男，山東濟(jì)寧市人，碩士研究生。主要從事高含水率黏土開裂的研究。E-mail：muyuanshan90@126.com