張家口地區(qū)非飽和土土水特性曲線的影響因素研究

鄭顯春 吳 寶 孫思忠

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

張家口地區(qū)非飽和土土水特性曲線的影響因素研究

鄭顯春 吳 寶 孫思忠

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

針對(duì)張家口地區(qū)在建工程工地，選取有代表性的非飽和土試樣，進(jìn)行了一系列土水特征曲線試驗(yàn)，分析了試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)了土樣狀態(tài)、土質(zhì)、土體孔隙比、土體埋深、土的初始含水量及初始干密度等因素對(duì)土水特征曲線的影響.希望對(duì)我國(guó)非飽和土土水特性研究起到一定借鑒作用.

非飽和土；土水特性曲線；影響因素

0 引 言

在地球表面，干旱和半干旱地區(qū)的土，其孔隙中為部分水和氣所充填，而在地下水面附近的高飽和度土，其孔隙中也可能溶解了部分氣體，所以，可以說，地球上嚴(yán)格意義的飽和土少而少之.所有的巖土工程都會(huì)遇到非飽和土問題，因此研究非飽和土是一個(gè)值得關(guān)注的迫切問題.非飽和土的研究早在上世紀(jì)30年代就已經(jīng)開始了，然而，由于非飽和土的試驗(yàn)研究是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢的工作,而且許多試驗(yàn)操作困難，因此至今國(guó)內(nèi)外非飽和土理論都不是很完善[1].

土水特性曲線(Soil Water Characteristic Curve，SWCC)是土體含水量與吸力的關(guān)系曲線，它反映了土壤的持水性能.根據(jù)土水特征曲線可以推導(dǎo)出非飽和土的抗剪強(qiáng)度、滲透系數(shù)等指標(biāo)[2].因此近幾年，土水特性曲線的研究頗多，但很少考慮不同因素對(duì)曲線的影響.

本文通過進(jìn)行了一系列土水特征曲線試驗(yàn)，分析了試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)了土樣狀態(tài)、土質(zhì)、土體孔隙比、土體埋深、土的初始含水量及初始干密度等因素對(duì)土水特征曲線的影響.

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)土樣取自河北省張家口地區(qū)在建工程工地，選取有代表性的非飽和土試樣，試樣土質(zhì)主要為粉土及粉質(zhì)粘土；取土深度4～7 m，最大取土深度地下7 m，如表1所示.

表1 試樣土質(zhì)及埋深

本次實(shí)驗(yàn)采用由加拿大工程院院士D.G Fredlund設(shè)計(jì)，美國(guó)生產(chǎn)的Fredlund SWCC土水特征曲線壓力板儀.首先制備試樣，試樣的直徑為61.8 mm，高度為10 mm.試樣飽和完成后，迅速將試樣安裝于陶土板表面，蓋好壓力容器上蓋，調(diào)節(jié)減壓閥施加壓力.根據(jù)軸平移技術(shù)可知，當(dāng)試樣排水穩(wěn)定后，土樣的基質(zhì)吸力即等于壓力容器內(nèi)施加的氣壓值.通過雙壓力儀表和調(diào)節(jié)閥來控制試樣頂部的孔隙氣壓力Ua，可以使用許多數(shù)據(jù)樣點(diǎn)，從一個(gè)土體中得到完全的土水特征曲線[5].本次實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行了不同土樣狀態(tài)、不同土質(zhì)、不同孔隙比、不同埋深、不同初始含水量及不同初始干密度條件下的土水特征曲線試驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 初始含水量的影響

本次研究取埋深相同，含水量分別為14.5%、17.5%(最優(yōu)含水量)及20．5%、23.5%的四組試樣進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)出不同含水量條件下非飽和土體的土水特性曲線，如圖1所示.

圖1 不同含水量非飽和土體的土水特性曲線

由圖1可以看出，相同基質(zhì)吸力條件下，含水量越高的土體，其飽和度越高，因?yàn)楹吭礁?，土體中的水越難排出，則空氣進(jìn)入值增加，故其殘余含水量增加，飽和度增高[4].

2.2 初始干密度的影響

本次研究取埋深相同，初始干密度分別為1.69、1.57、1.44 g/cm3的三組試樣進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)出不同初始干密度條件下非飽和土體的土水特性曲線，如圖2所示.

圖2 不同初始干密度非飽和土體的土水特性曲線

由圖2中曲線可以看出，當(dāng)基質(zhì)吸力較低時(shí)，土的初始干密度越大，進(jìn)氣值愈高，其飽和度越低.但當(dāng)基質(zhì)吸力較高時(shí)，初始干密度低的土體水越容易排出，其脫水速率增大，含水量降低，則飽和度減小.

2.3 土體埋深的影響

取埋深分別為4、5、6、7 m的四組土樣進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)出不同埋深條件下非飽和土體的土水特性曲線，如圖3所示.

圖3 不同埋深非飽和土體的土水特性曲線

圖3表示土樣埋深對(duì)土水特征曲線的影響.由圖3中曲線可以看出，埋藏深的曲線進(jìn)氣值大的特點(diǎn)，這是因?yàn)槁癫厣畹南鄬?duì)密實(shí)、干密度大，可以認(rèn)為空隙直徑小，所以需要的進(jìn)氣值大.另外從圖中還可以看出隨著基質(zhì)吸力的增大土的飽和度降低，最后趨于穩(wěn)定時(shí)埋藏深的飽和度更高一些，這表明埋藏深的持水能力更強(qiáng)一些.

2.4 土質(zhì)的影響

本次試驗(yàn)選取兩組試樣，分別為粘土和粉土，其埋深相同，均為4 m，含水量也相差不多，測(cè)出不同土質(zhì)的非飽和土體的土水特性曲線，如圖4所示.

圖4 不同土質(zhì)非飽和土體的土水特性曲線

由圖4可以看出，在各個(gè)基質(zhì)吸力下粘土的飽和度均高于粉土，這是因?yàn)檎惩恋耐令w粒的粒徑小于粉土，其塑性高于粉土，則持水能力高于粉土，脫水速率小于粉土，故其進(jìn)氣值偏高，飽和度偏高.

2.5 土體孔隙比的影響

對(duì)孔隙比分別為0.86、0.74、0.65的三組土樣，進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)出不同孔隙比條件下非飽和土體的土水特性曲線，如圖5所示.

圖5 不同孔隙比非飽和土體的土水特性曲線

由圖5中曲線可以看出，孔隙比越小的曲線飽和度越大的特點(diǎn)，這是因?yàn)榭紫侗刃〉耐料鄬?duì)越密實(shí)，可以認(rèn)為空隙直徑較小，所以需要的進(jìn)氣值較大.

2.6 土樣狀態(tài)的影響

本次試驗(yàn)進(jìn)行了大量的原狀土的土水特性曲線測(cè)試，為了探討土樣狀態(tài)對(duì)土的土水特性曲線的影響程度，對(duì)張家口市內(nèi)5 m深的粉土制備了重塑土樣，分別測(cè)定了原狀土樣和重塑土樣的土水特征曲線，如圖6所示.

圖6 不同土樣狀態(tài)非飽和土體的土水特性曲線

如圖6所示，從曲線上看出，重塑土樣的飽和度均高于原狀土樣，這可能是由于土樣經(jīng)過擊實(shí)后，密實(shí)度增大，所以進(jìn)氣值均高于原狀土.

3 結(jié) 論

本文進(jìn)行了一系列土水特征曲線試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了初始含水量、初始干密度、土體埋深、土質(zhì)、土體孔隙比、土樣狀態(tài)等因素對(duì)土水特征曲線的影響.可以得到如下結(jié)論：

(1)含水量低的土體空氣進(jìn)入值低，土體中的水越容易排出，同樣基質(zhì)吸力下其飽和度也越高；

(2)當(dāng)基質(zhì)吸力較高時(shí)，初始干密度低的土體水越容易排出，其飽和度小于初始干密度高的土體；

(3)埋藏深的土體持水能力更強(qiáng)，同樣基質(zhì)吸力下其飽和度更高一些；

(4)粘土的持水能力均高于粉土，即土體越密實(shí)，持水能力越高，同樣基質(zhì)吸力下其飽和度也越高；

(5)孔隙比小的土體需要的進(jìn)氣值較大，其飽和度也越高；

(6)原狀土樣比重塑土樣有較低的進(jìn)氣值和較高的持水性能，同樣基質(zhì)吸力下其飽和度均低于重塑土樣.

希望本文的研究結(jié)果對(duì)我國(guó)非飽和土土水特性研究起到一定借鑒作用.

[1]盧靖，程彬.非飽和黃土土水特性曲線的研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2007(10)

[2]劉翠然，李紅帥，賀鵬程.非飽和土的土水特性曲線的試驗(yàn)研究及應(yīng)用[J].云南水力發(fā)電，2005(1)

[3]欒茂田，李順群，楊慶.非飽和土理論土-水特性曲線[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2005(6)

[4]凌華，殷宗澤.非飽和土強(qiáng)度隨含水量的變化[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007(7)

[5]孫樹國(guó)，陳正漢.壓力板儀配套及試驗(yàn)的若干問題探討[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2006(4)

Research on the influence factors of unsaturated soil soil-water characteristic curve in Zhangjiakou area

ZHENGXian-chun，WUBao，SUNSi-zhong

(Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering，075000,Zhangjiakou，Hebei,China)

The author selects some typical unsaturated soil specimens in some construction sites aiming at Zhangjiakou area,and mades a series of soil water characteristic curve test.The author analyzes the test results,and summarizes the influence of the soil sample status,soil texture,soil interspace ratio,soil depth,the initial water content and initial dry density for soil-water characteristic curve.The author hopes that the conclusion can play a reference role to the unsaturated soil soil-water characteristic research to our country.

unsaturated soil；soil-water characteristic curve；influence factors

2015-06-23

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科研項(xiàng)目(2012-k3-7)

鄭顯春(1972-)，女，副教授，主要從事土木工程科研與教學(xué)工作.

TU 4

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