桂林、柳州兩種紅黏土的土-水特征曲線

常紅帥,劉 麗,季春生,呂海波,

(1.桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004;2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,南寧 530004)

桂林、柳州兩種紅黏土的土-水特征曲線

常紅帥1,劉 麗2,季春生1,呂海波1,2

(1.桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004;2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,南寧 530004)

采用壓力板法和濾紙法聯(lián)合測(cè)定柳州、桂林兩種紅黏土的土-水特征曲線,發(fā)現(xiàn)同一含水率下桂林紅黏土的基質(zhì)吸力大于柳州紅黏土,具有較強(qiáng)的持水能力。對(duì)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果的分析表明:(1)從物性指標(biāo)比較,桂林紅黏土具有較高的液、塑限及黏粒含量,黏性較高;(2)從礦物成分分析,桂林紅黏土中的礦物含有三水鋁石和針鐵礦,且針鐵礦含量為15.6%,是柳州紅黏土的2倍,表明桂林紅黏土處于更高的紅土化水平,土中團(tuán)?；鼮榘l(fā)育,形成利于持水的孔隙結(jié)構(gòu)。最后,使用van Genuchten (V-G)模型對(duì)兩種紅黏土的土-水特征曲線進(jìn)行擬合,結(jié)果表明V-G模型可用于兩種紅黏土的土-水特征曲線的擬合,且具有較高的相關(guān)度。

紅黏土;土-水特征曲線;壓力板法;濾紙法;V-G模型；桂林；柳州

0 引 言

紅黏土是一種區(qū)域性土,由于成因復(fù)雜導(dǎo)致了其工程性質(zhì)特殊。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)紅黏土的成因進(jìn)行了研究,總結(jié)了紅黏土的強(qiáng)度、壓縮性以及填筑性特點(diǎn)：文獻(xiàn)[1-2]對(duì)紅黏土的填筑性進(jìn)行了研究,文獻(xiàn)[3-6]從不同角度分析了紅黏土的抗剪強(qiáng)度。在實(shí)際環(huán)境中,紅黏土常常處于地表非飽和區(qū),因此其非飽和土力學(xué)性質(zhì)被多種工程所關(guān)注。目前,國(guó)外對(duì)非飽和土的研究集中于對(duì)其本構(gòu)關(guān)系的構(gòu)建。非飽和土的水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)主要由土-水特征曲線(SWCC)、水力傳導(dǎo)度或擴(kuò)散率組成,通過(guò)土-水特征曲線可求出比水容量C,進(jìn)而推導(dǎo)出擴(kuò)散率D(θ),因此土-水特征曲線是求土壤水運(yùn)動(dòng)參數(shù)的基礎(chǔ)[7]。盡管土-水特征曲線在非飽和土中的重要性已為研究者所認(rèn)同,并針對(duì)不同的土類開(kāi)展了大量測(cè)試工作，但具體到紅黏土,針對(duì)這一特性的測(cè)定試驗(yàn)仍進(jìn)行得較少。從已公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看,僅有孫德安等[8]測(cè)定和分析了壓實(shí)桂林紅黏土全吸力范圍內(nèi)的土-水特征曲線,并研究了干密度對(duì)土-水特征曲線的影響;談云志等[9]對(duì)壓實(shí)的4種干密度下的紅黏土的土-水特征曲線進(jìn)行了測(cè)定與比較，并從微觀角度解釋了其持水機(jī)制?？梢?jiàn),目前紅黏土的土-水特征曲線試驗(yàn)成果積累較少,不足以總結(jié)該類土體的整體特點(diǎn),需要加強(qiáng)研究。另外,由于紅黏土的區(qū)域性較強(qiáng),土質(zhì)特別,因此如何從土質(zhì)學(xué)的角度解釋不同紅黏土的土-水特征曲線的差異也值得深入探討。為此本文對(duì)取自桂林、柳州兩地的紅黏土進(jìn)行了土-水特征曲線的試驗(yàn),并從礦物成分組成角度初步解釋了兩種土樣的土-水特征曲線產(chǎn)生差異的原因。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣為重塑的桂林紅黏土和柳州紅黏土,其中桂林紅黏土取自桂林市雁山區(qū)桂林理工大學(xué),取土深度為2.4～3.6m;柳州紅黏土取自柳州市工

人醫(yī)院建筑工地,取土深度為2～3m。兩種紅黏土均屬碳酸鹽巖風(fēng)化殘坡積形成。根據(jù)已有的研究資料[10]和本文進(jìn)行的試驗(yàn),其基本的物理性質(zhì)、礦物成分和顆粒組成見(jiàn)表1、表2和圖1。

表1 土樣的基本物理性質(zhì)

表2 土樣的主要礦物[9]

由表1和圖1可知,根據(jù)桂林、柳州兩地紅黏土的液塑限指標(biāo)和顆粒成分可判定兩者都屬于高液限黏土。由表2可知,石英、高嶺石、針鐵礦為兩種紅黏土的主要礦物成分,但所占比例不同。柳州紅黏土中石英為優(yōu)勢(shì)礦物,含量高達(dá)44.3%;而桂林紅黏土中高嶺石為主要礦物,含量為56.6%。對(duì)于紅黏土性質(zhì)具有重要影響的針鐵礦,桂林紅黏土的含量則是柳州紅黏土含量的2倍多。兩種紅黏土各自獨(dú)有的礦物分別是柳州土樣含伊利石,而桂林土樣含三水鋁石。

1.2 試驗(yàn)方法

目前,測(cè)定土-水特征曲線常用的試驗(yàn)方法有壓力板法、濾紙法和飽和鹽溶液法等。在工程實(shí)踐中,需要的土-水特征曲線的范圍一般在40MPa之內(nèi),因此本文采用測(cè)試范圍為0～1.5MPa的壓力板法和測(cè)試范圍為0～40MPa的濾紙法對(duì)柳州紅黏土的土-水特征曲線進(jìn)行聯(lián)合測(cè)定,而桂林紅黏土的數(shù)據(jù)則引自采用了同樣測(cè)試方法的文獻(xiàn)[8]。

1.2.1 壓力板法 壓力板法是利用軸平移技術(shù)通過(guò)高進(jìn)氣值陶土板來(lái)測(cè)量負(fù)孔隙水壓力。首先將柳州紅黏土進(jìn)行風(fēng)干、碾碎后過(guò)2mm篩,測(cè)定風(fēng)干含水率后配制含水率為25%的濕土,密封靜置24h后攪拌均勻(防止土樣出現(xiàn)團(tuán)聚結(jié)構(gòu)),再次密封靜置12h(使含水率均勻)后使用油壓千斤頂、模具和直徑為61.8mm、高為20mm的環(huán)刀按干密度1.4g/cm3進(jìn)行制樣。

將制好的試樣抽真空飽和后稱重,計(jì)算飽和含水率;然后將其放入儀器中,按照預(yù)先設(shè)定的應(yīng)力路徑5→10→15→30→50→80→160kPa對(duì)柳州紅黏土試樣進(jìn)行加壓。采用此應(yīng)力路徑主要是為了測(cè)定柳州紅黏土的進(jìn)氣值以及對(duì)由濾紙法測(cè)定的試樣土-水特征曲線的邊界效應(yīng)段進(jìn)行補(bǔ)充和比較。

1.2.2 濾紙法 濾紙法是一種簡(jiǎn)便實(shí)用并可以解決非飽和土工程實(shí)際問(wèn)題的測(cè)量吸力的方法。濾紙法既可用于測(cè)定土壤的基質(zhì)吸力也可用于測(cè)定土壤的總吸力,其原理是將濾紙作為媒介,當(dāng)濾紙與土壤之間的水分或水蒸氣達(dá)到平衡時(shí),濾紙與土具有相同的吸力。描述濾紙含水率與吸力之間關(guān)系的曲線稱為率定曲線,通過(guò)測(cè)定濾紙的吸力間接測(cè)定土壤的吸力。

將風(fēng)干、過(guò)篩后的土樣配制成含水率為7%、10%、13%、…、34%(間隔為3%)的濕土,按上述標(biāo)準(zhǔn)制樣。濾紙法試驗(yàn)步驟(圖2):① 將3張濾紙放置于密封盒底部,中間濾紙直徑為55mm,上下濾紙直徑為57mm;② 將試樣緊貼濾紙放置;③ 在試樣上方放置濾網(wǎng)并將濾紙放于濾網(wǎng)上方(使濾紙架空在土樣上方);④ 密封容器并置于恒溫恒濕箱中兩周。

試驗(yàn)所用WhatmanNo.42濾紙為同一批次(減少誤差),其率定曲線關(guān)系見(jiàn)式(1)～式(5)[11],該濾紙的吸力ψ和含水率ω呈雙線性關(guān)系:

基質(zhì)吸力為

lgS=2.909-0.022 9ωf,ωf≥47;

(1)

lgS=4.945-0.067 3ωf, 26≤ωf<47;

(2)

lgS=5.31-0.087 9ωf,ωf<26。

(3)

圖2 濾紙法試驗(yàn)過(guò)程

總吸力為

lgS=8.778-0.222ωf,ωf≥26；

(4)

lgS=5.31-0.087 9ωf,ωf<26。

(5)

式中:S為吸力;ωf為濾紙平衡后含水率。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

通過(guò)壓力板法和濾紙法測(cè)定得到柳州紅黏土的基質(zhì)吸力土-水特征曲線(脫濕)，對(duì)該曲線進(jìn)行分析,并與桂林紅黏土的土-水特征曲線(脫濕)進(jìn)行對(duì)比。

2.1 壓力板法試驗(yàn)結(jié)果

由壓力板法測(cè)定的柳州紅黏土土-水特征曲線見(jiàn)圖3。

圖3 柳州紅黏土的土-水特征曲線(壓力板法測(cè)定)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知,在15kPa時(shí)紅黏土試樣開(kāi)始失水，根據(jù)進(jìn)氣值定義可知柳州紅黏土的進(jìn)氣值約為15kPa。

2.2 濾紙法試驗(yàn)結(jié)果

由濾紙法測(cè)定的柳州紅黏土土-水特征曲線如圖4所示,可見(jiàn)試樣在過(guò)渡段的土-水特征曲線比較平緩并近似為一條直線。

圖4 柳州紅黏土的土-水特征曲線(濾紙法測(cè)定)

2.3 試驗(yàn)結(jié)果比較和分析

將由壓力板法、 濾紙法聯(lián)合測(cè)定的紅黏土基質(zhì)吸力土-水特征曲線(脫濕)進(jìn)行合并, 由圖5可知, 在同一吸力條件下桂林紅黏土的含水率高于柳州紅黏土, 或在同一含水率下桂林紅黏土的基質(zhì)吸力明顯大于柳州紅黏土, 具有較強(qiáng)的持水能力。

從表征粘性的液、 塑限指標(biāo)分析, 桂林紅黏土

圖5 兩地紅黏土的土-水特征曲線

具有較高的液、 塑限及塑性指數(shù), 黏粒(<5μm)含量也高于柳州紅黏土,因此,直觀上判斷桂林紅黏土具有較強(qiáng)的黏性, 粒間的吸附作用更為發(fā)育, 所形成的孔隙在數(shù)量及復(fù)雜性上較高。 盡管影響紅黏土土-水特征曲線的因素較多, 但結(jié)合兩種紅黏土的礦物成分, 可對(duì)兩種紅黏土的土水特征曲線的差異進(jìn)行更深入的分析。

由表1可知, 兩種紅黏土的礦物成分有兩個(gè)主要的差異: 一是桂林紅黏土中出現(xiàn)了三水鋁石； 二是桂林紅黏土中的針鐵礦含量較高。 根據(jù)文獻(xiàn)[12]對(duì)紅黏土成土過(guò)程的分析, 碳酸鹽巖風(fēng)化成土的地球化學(xué)過(guò)程可分為脫鈣鎂富硅鋁、 富鐵錳和脫硅富鋁3個(gè)階段, 各階段相應(yīng)的標(biāo)志性礦物分別為黏土礦物、 氧化鐵錳礦物和三水鋁石。 三水鋁石的出現(xiàn)表明碳酸鹽巖已經(jīng)進(jìn)入了紅土化的最高階段，在這一階段, 風(fēng)化成土作用早期形成的高嶺石和殘積的石英被分解破壞和溶解,SiO2呈水化物或弱硅酸鹽游離出來(lái), 發(fā)生以下主要化學(xué)反應(yīng):

高嶺石 三水鋁石

三水鋁石的存在, 表明桂林紅黏土已經(jīng)發(fā)生了高度紅土化作用;另外, 桂林紅黏土中針鐵礦的含量為15.6%, 是柳州紅黏土的2倍, 這也表明桂林紅黏土已經(jīng)經(jīng)歷了富鐵錳階段, 而柳州紅黏土則沒(méi)有完成。紅土化形成的氧化鐵對(duì)土顆粒產(chǎn)生膠結(jié)作用, 從而形成典型的團(tuán)聚結(jié)構(gòu), 這種團(tuán)粒具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性, 且內(nèi)部小孔隙發(fā)育, 所賦存的水分較難失去, 因此天然狀態(tài)下的紅黏土往往具有較高的含水率。從這個(gè)角度理解, 桂林紅黏土中的團(tuán)?；饔帽攘菁t黏土高, 其土-水特征曲線自然表現(xiàn)出較好的持水性。

3 土-水特征曲線的擬合

目前,土壤水吸力與含水率的關(guān)系尚不能由理論分析得出,因此土-水特征曲線必須通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定。但在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上總結(jié)出來(lái)的擬合模型對(duì)結(jié)果驗(yàn)證及數(shù)值計(jì)算具有一定的幫助,因此對(duì)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用了目前較為普遍使用的vanGenuchten模型進(jìn)行擬合。

vanGenuchten模型公式為

(6)

式中:θs為飽和含水率(cm3/cm3);θr為殘余含水率(cm3/cm3);h為壓力水頭(cm);α、m、n為擬合參數(shù)且m=1-1/n。

根據(jù)兩地紅黏土的土水特征曲線,得到兩地紅黏土的擬合參數(shù)θs、θr和α:桂林紅黏土θs=0.515,θr=0.05,α=0.005;柳州紅黏土θs=0.50,θr=0.068,α=0.006 7。使用vanGenuchten模型對(duì)兩地紅黏土的土-水特征曲線進(jìn)行模擬,并將擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)圖6和圖7,擬合后參數(shù)見(jiàn)表3。

圖6 桂林紅黏土擬合值和實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖7 柳州紅黏土擬合值和實(shí)測(cè)值對(duì)比

表3 試樣擬合參數(shù)

Table3Fittingparametersofthesoilsamples

土樣θsθrαθs*n*rα*桂林紅黏土0.5150.0500.0050.464811.813230.00002柳州紅黏土0.5000.0680.00670.502821.419430.00057

注：*為擬合后的參數(shù)。

可知,桂林、柳州兩地紅黏土的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值誤差都比較小,相關(guān)系數(shù)平方(R2)分別為0.974 7和0.993 9,表明van Genuchten模型可較好地對(duì)兩地紅黏土的土-水特征曲線進(jìn)行擬合。

4 結(jié) 論

(1)使用壓力板法和濾紙法聯(lián)合測(cè)定得到桂林與柳州紅黏土的土-水特征曲線(脫濕),兩種方法的聯(lián)合使用具有快速簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。

(2)在同一含水率下桂林紅黏土的基質(zhì)吸力大于柳州紅黏土,具有較強(qiáng)的持水能力,這是由于桂林紅黏土具有較高的液、塑限及黏粒含量,黏性較高。進(jìn)一步的礦物分析表明,桂林紅黏土中的礦物含有三水鋁石,且針鐵礦含量為15.6%,是柳州紅黏土的2倍,表明桂林紅黏土處于更高的紅土化水平,土中團(tuán)?；鼮榘l(fā)育,形成利于持水的孔隙結(jié)構(gòu)。兩地紅黏土在持水性方面存在顯著差異,其差異對(duì)兩地紅黏土進(jìn)行地基處理時(shí)的操作有一定的參考價(jià)值。

(3)van Genuchten模型可用于兩種紅黏土的土-水特征曲線擬合,并且擬合結(jié)果具有較高的相關(guān)度。

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Soil-water characteristic curves of two kinds of lateritic clay from Guilin and Liuzhou

CHANG Hong-shuai1,LIU Li2,JI Chun-sheng1,LYU Hai-bo1,2

(1.GuangXi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China;2.College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004,China)

The pressure method and filter paper method are combined to determine the soil-water characteristic curves (SWCC) of lateritic clay from Liuzhou and Guilin.The SWCC shows that the matrix suction of the Guilin lateritic clay under the same moisture content is higher than that of Liuzhou lateritic clay, and the Guilin lateritic clay has stronger water holding capacity. Relevant experiment results show that: (1) Through the comparison of the physical indexes, the Guilin lateritic clay contains higher liquid limit and plastic limit, and clay content, higher viscosity.(2) Through the mineral composition analysis, Guilin lateritic clay contains gibbsite and goethite. The proposition of goethite is 15.6%, which is as twice as the lateritic clay of Liuzhou. It indicates that Guilin lateritic clay is at a higher level of laterization with more soil aggregate and forms the pore structure which is conducive to hold water.Finally, the van Genuchten (V-G) model was used to fit the SWCC of Guilin lateritic clay and Liuzhou lateritic clay.The results show that V-G model is suitable for both of them and closely relevant to practical situation.Key words: lateritic clay;soil-water characteristic curve;pressure plate method;filter paper method;van-Genuchten model;Guilin;Liuzhou

1674-9057(2015)04-0855-05

10.3969/j.issn.1674-9057.2015.04.027

2015-04-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51169005;41272358);廣西自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2012GXNSFGA060001)

常紅帥(1989—),男,碩士研究生,巖土工程專業(yè),897384533@qq.com。

呂海波,博士,教授,lhb@glut.edu.cn。

常紅帥,劉麗,季春生,等.桂林、柳州兩種紅黏土的土-水特征曲線[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,35(4):855-859.

TU446

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