顆粒級配與土水特征曲線的關(guān)系研究

文俊方,孫曉劍，雷嘉慧，王佳瑤，梁航

（天津城建大學(xué)，天津 300384）

1 研究目的

在土體顆粒形成的骨架孔隙中，除水以外還存在著連通氣體的土稱之為非飽和土[1]。工程項(xiàng)目中主要接觸到的是非飽和土。非飽和土中固體顆粒之間的孔隙被氣體和液體填充，是固、液、氣三相介質(zhì)，其力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過飽和土（是固、液兩相介質(zhì)）。目前只能用經(jīng)驗(yàn)或者飽和土的理論來近似估測非飽和土的參數(shù)，然而在估測非飽和土的眾多參數(shù)過程中，土-水特征曲線扮演著重要的角色。土-水特征曲線（Soil Water Characteristic Curve，簡稱土-水特征曲線）是土體的宏觀和微觀孔隙的持水能力隨吸力狀態(tài)變化的規(guī)律曲線[1，2]，是估算非飽和土滲透函數(shù)、抗剪強(qiáng)度、壓縮性能等參數(shù)的“橋梁”。

土-水特征曲線受到諸多因素的影響，國內(nèi)外專家和學(xué)者對此方面也做了大量研究。劉艷華[3]認(rèn)為土的礦物成分、初始孔隙比、固結(jié)壓力等對土-水特征曲線有重大影響；劉奉銀、熊承仁等[4,5]研究了含水量和密實(shí)度與土-水特征曲線的關(guān)系，并從不同方面解釋了變化規(guī)律；文寶萍[6]研究了顆粒級配對粘性土基質(zhì)吸力的影響；Fernando[7]研究了壓實(shí)功與土-水特征曲線形狀之間的關(guān)系；Indrawan[8]初步分析了粗粒殘積土水土特征曲線的變化特點(diǎn)。

在以上文獻(xiàn)中，對密實(shí)度、含水量、礦物成分、固結(jié)壓力、應(yīng)力歷史等方面研究土-水特征曲線的比較多，對于從不同粒組與非飽和土基本性質(zhì)相關(guān)性度，分析顆粒級配對土-水特征曲線的綜合影響，卻較少研究成果。從文獻(xiàn)[7]制備土樣的方案中，可以發(fā)現(xiàn)影響土的土-水特征曲線包括礦物成分和顆粒級配，不能忽略礦物成分的影響。因此，本項(xiàng)研究通過研磨砂土來保證土樣礦物成分相同、顆粒級配不同，從而有效的反映顆粒級配對土-水特征曲線的影響。

2 試樣及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 土樣及試樣的制備

測定所用砂土和黃土的顆分曲線，了解顆粒級配，經(jīng)分析，研磨砂土可以可變土的顆粒組成情況，研磨黃土顆粒級配變化不明顯，故使用研缽研磨砂土，然后與黃土按等比例混合，進(jìn)行顆分試驗(yàn)，配制4種礦物成分相同顆粒級配不同的土樣。

將所配制的土樣噴灑一定量的水并拌勻，裝入塑料貼標(biāo)簽，密封靜置48h，測定其含水率。在制樣器中放入直徑5.5cm、高1cm的環(huán)刀并倒入制備好的土樣，再用千斤頂壓成實(shí)樣。取出土樣測量其高度，計(jì)算土樣干密度。

2.2 試驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)方法

本項(xiàng)研究采用Fredlund教授和GCTS公司聯(lián)合研制的土水特征曲線儀。該試驗(yàn)設(shè)備基于軸平移原理，對同一試樣可測的一組連續(xù)的土水特征曲線數(shù)據(jù)。通過調(diào)壓閥控制試樣的孔隙氣壓ua,孔隙水壓力uw為0,由ua-uw可得基質(zhì)吸力；通過水體變管測量試樣含水量的變化，計(jì)算各級基質(zhì)吸力下對應(yīng)的飽和度，從而繪制出非飽和土的土水特征曲線。本項(xiàng)研究只測試減濕曲線。

將制備好的試樣和陶土板抽真空飽和，安裝試樣后封閉壓力室，排除GCTS中底座、出水管和體變管中的氣泡。待記下時(shí)間以及體變管中水的的初始讀數(shù)后，給壓力室逐級施加25、50、100、200、500、800kPa的氣壓力（一定要等到土樣排水量達(dá)到穩(wěn)定后，再施加下一級氣壓力），記錄測量管的初始讀數(shù)和每級氣壓下排水穩(wěn)定時(shí)測量管的讀數(shù)。

當(dāng)試樣排出的水量在24h內(nèi)小于0.1cm3時(shí)，可認(rèn)為吸力達(dá)到穩(wěn)定[9]。本實(shí)驗(yàn)每級吸力下排水量達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間大約為5d。試驗(yàn)過程中，每隔24h要用注射器沖刷一次陶土板底部聚積的氣泡。

試驗(yàn)結(jié)束后卸除壓力室，稱量試樣和陶土板的重量以確定其最終含水量，用之與通過各級吸力穩(wěn)定下的水體變管讀數(shù)確定的含水量進(jìn)行對比校正，進(jìn)而確定含水量。

3 結(jié)果分析與討論

通過研磨的方法，得到礦物成分相同顆粒級配不同的4組土樣，4組土樣顆粒級配如圖5，圖5中可看出土樣粗顆粒（砂粒）含量逐漸減少，細(xì)顆粒（粉粒和黏粒）含量逐漸增加。土顆粒越來越細(xì)，也趨于均勻。

由圖6中本試驗(yàn)測出的土水特征曲線，可看出土體含水量隨著基質(zhì)吸力的增加而減少。在土體開始由飽和狀態(tài)向非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)化的最初階段，基質(zhì)吸力對含水量的影響程度大。隨著土體飽和度的下降，基質(zhì)吸力對土體含水量的影響程度逐漸降低并且趨于穩(wěn)定。本實(shí)驗(yàn)測得的土水特征曲線與現(xiàn)已有研究得到的土水特征曲線形態(tài)和基本特征大體相同。

在基質(zhì)吸力小于50kPa范圍內(nèi)，土-水特征曲線的斜率大，含水率對基質(zhì)吸力的變化及其敏感。隨著基質(zhì)吸力稍稍增加土體含水率急劇降低。可是不同土樣含水量變化差值不同，土樣越粗，含水量下降越快。在基質(zhì)吸力大于50kPa小于200kPa范圍內(nèi)，存在著曲線的拐點(diǎn)，曲線斜率減小，但4種土樣在此范圍內(nèi)含水量的變化趨勢和程度基本一致。當(dāng)基質(zhì)吸力大于200kPa時(shí)，顆粒級配不同的土樣在同一基質(zhì)吸力變化范圍內(nèi)含水量的下降程度小，此階段曲線平緩，土體含水量逐漸趨于穩(wěn)定。

土體持水能力隨著土顆粒孔隙比的減小而單調(diào)增大：土體顆粒間，較細(xì)的顆粒填充較粗顆粒間的孔隙，使得土顆粒結(jié)合緊密，土體的滲透穩(wěn)定性好，從而提高持水能力。土體從飽和到非飽和過程中相同基質(zhì)吸力變化范圍內(nèi)，含水量變化程度較小，土水特征曲線較緩和。從圖2能明顯看出各組土樣的殘余含水量和殘余基質(zhì)吸力的近似值不同。非飽和土的殘余含水量隨著粘粒、粉粒含量的增加而線性增長，隨著砂粒含量的增加而線性負(fù)增長，說明非飽和土的殘余含水量受土體中粗細(xì)顆粒含量共同控制。

4 結(jié) 語

①本文的創(chuàng)新之處在于通過研磨砂土來保證土樣礦物成分相同、顆粒級配不同，從而有效的反映顆粒級配對土-水特征曲線的影響。

②顆粒級配不同，土體內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)也不相同，從而影響土體的持水能力。從土樣1～土樣4粗顆粒含量逐漸減少、細(xì)顆粒含量逐漸增多，土體內(nèi)孔隙減小，殘余含水量以及含水量變化幅度逐漸減小，土水特征曲線趨于平緩，持水能力逐漸增強(qiáng)。

③非飽和土的殘余含水量受土體中粗細(xì)顆粒含量共同控制。含水量對基質(zhì)吸力變化的敏感程度隨著粗顆粒的增加而提高。

[1] 費(fèi)雷德隆德DG,拉哈爾佐H.非飽和土土力學(xué)[M].陳仲頤,等譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.

[2] 熊承仁,劉寶深,張家生.重塑粘土的基質(zhì)吸力與土水分及密度狀態(tài)的關(guān)系[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005(2).

[3] 劉艷華,龔壁衛(wèi),蘇鴻.非飽和土的土水特征曲線研究[J].工程勘察,2002（3）.

[4] 熊承仁,劉寶深,張家生.重塑粘土的基質(zhì)吸力與土水分及密度狀態(tài)的關(guān)系[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005(2).

[5] 劉奉銀,張昭,周冬,等.密度和干濕循環(huán)對黃土土水特征曲線的影響[J].巖土力學(xué),2011(S2).

[6] 文寶萍,胡艷青.顆粒級配對非飽和粘性土基質(zhì)吸力的影響規(guī)律[J].水文地質(zhì)學(xué)報(bào),2008（6）.

[7] Fernando A,M Marinho,etal.The Influrnce of the compaction energy on the SWCC of a residual soil[C].Proceedings of sessions of Geo-Denver2000.

[8] Indrawan IG B,Rahardjo H,Leong E C.Effects of coarse-grained materialson properties of residualsoil[J].

[9] Pham,Q,H,A Volume-mass constitutive model for unsaturated soils[D].PH.D.thesis,2005,Department of civil Engineering,university of Saskatoon,Saskatchewan,Canada.