溫度效應(yīng)對粉砂土壤水分特征曲線的影響研究

陳 宸，張 灃,2，張 華,2，高 抗，陳童睿

(1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2．三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002； 3．中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430000)

土壤水分特征曲線是非飽和土力學(xué)中的重要的曲線，通過土壤水分特征曲線曲線可以直接或間接地了解非飽和土壤中的吸力狀況、抗剪強(qiáng)度和滲透性等性質(zhì)。影響土壤水分特征曲線的因素是十分復(fù)雜的，然而在過去的幾十年時(shí)間里，由于受到試驗(yàn)條件與應(yīng)用實(shí)踐的限制，學(xué)者們將研究的重點(diǎn)放在了與土體自身物理性質(zhì)相關(guān)的影響因素上如土體類型與結(jié)構(gòu)、初始含水率和干密度、干濕循環(huán)、應(yīng)力路徑、應(yīng)力狀態(tài)等因素的影響[1-4]。隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展，巖土工程領(lǐng)域所涉及的問題越來越復(fù)雜，如地下核廢料的處置、二氧化碳地下封存、地?zé)豳Y源開發(fā)、石油開采、高壓電纜的埋設(shè)等，這些工程設(shè)施往往承受較大的溫差?？紤]溫度效應(yīng)的土壤水分特征曲線開始逐漸受到研究人員的重視，Philip和de Vries[5]最早進(jìn)行了溫度對非飽和土土壤水分特征曲線影響的研究，指出溫度會導(dǎo)致非飽和土中吸力發(fā)生變化，并基于Laplace方程提出了吸力隨溫度變化的關(guān)系式；She和Sleep[6]通過對石英砂試樣試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溫度對吸力的影響主要體現(xiàn)在溫度對土中孔隙水的表面張力和接觸角的影響；王鐵行[7]對不同溫度和壓實(shí)度條件的黃土進(jìn)行了試驗(yàn)研究，指出溫度變化對黃土土壤水分特征曲線有一定的影響，但沒有密度變化對土壤水分特征曲線的影響程度大；汪龍等[8]對含有石英砂的膨脹土試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)溫度和摻砂率對試樣土壤水分特征曲線的影響明顯大于干密度對土壤水分特征曲線的影響。通過上述學(xué)者研究可以看出，溫度對于不同類型土的土壤水分特征曲線都具有一定影響，而其影響程度與土樣的種類有關(guān)。

上述學(xué)者[5-8]的研究對象大多為吸力范圍較大的黏性土，對于土中黏粒較少的砂性土來說，由于其土壤水分特征曲線的吸力范圍很小，常用的軸平移技術(shù)難以將特征曲線精確地測量出來。本文以三峽庫區(qū)秭歸砂土為研究對象研究溫度效應(yīng)對砂土土壤水分特征曲線的影響，利用自制的高精度土壤水分特征曲線測試系統(tǒng)測得了不同溫度下的土壤水分特征曲線，并根據(jù)土壤水分特征曲線不同階段的孔隙水賦存狀態(tài)不同，對溫度效應(yīng)對砂土各階段土壤水分特征曲線的影響進(jìn)行了分析；結(jié)合粉砂、黃土和膨脹土在不同溫度下的土壤水分特征曲線，探討了VG模型中溫度對粉砂土的a、n、θr值的影響與對其他類型土a、n、θr值影響的差異。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試樣制備

本文選取三峽庫區(qū)秭歸砂土作為研究對象，測定了試樣的基本物性指標(biāo)和土體顆粒分布曲線分別如表1和圖1所示，該土樣細(xì)粒組(≤0.075 mm)質(zhì)量所占比例為44.4%，粉粒組(0.005～0.075 mm)質(zhì)量所占比例為89.3%，根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》 (GB/T50145-2007)確定該試樣為粉土質(zhì)砂。

表1 土的基本物性指標(biāo)

圖1 土體顆粒分布曲線

試驗(yàn)試樣設(shè)定初始含水率為最優(yōu)含水率14.1%，初始干密度為1.60 g/cm3。將野外取回的秭歸砂土風(fēng)干用橡皮錘錘碎后過2 mm篩，然后將過篩后的土樣放入溫度設(shè)定為105 ℃的烘箱內(nèi)烘12 h。按照試樣初始含水率計(jì)算好所需水的質(zhì)量，將稱好的水均勻噴灑在土體上充分拌和，將拌好的土樣放入密封袋中靜置24 h后開始制備土樣，土樣制好后放入保濕缸中存放，待到要做試驗(yàn)之前將試樣拿出放入飽和缸中進(jìn)行抽真空飽和(見圖2)。

圖2 試樣制備及飽和裝置

1.2 儀器設(shè)備的采用

本試驗(yàn)土樣為砂性土，其土壤水分特征曲線的進(jìn)氣值和殘余值都很小。傳統(tǒng)軸平移技術(shù)所采用的壓力源通常為空氣壓縮機(jī)，其壓力大小由減壓閥控制，由于空壓機(jī)減壓閥精度的限制，很難在二三十千帕的范圍內(nèi)對吸力值進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，因此本文研制了一套高精度土壤水分特征曲線測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)中采用GDS標(biāo)準(zhǔn)體積/壓力控制器取代空壓機(jī)和減壓閥來作為壓力源，其精度為±1 kPa，可實(shí)現(xiàn)對吸力值的精確控制；壓力室的材質(zhì)為機(jī)玻璃，實(shí)驗(yàn)過程中從壓力室排出的水分由放置在精度為千分之一的天平上的集水瓶收集，通過RS232數(shù)據(jù)接頭可以將天平稱量數(shù)據(jù)接入PC機(jī)中實(shí)現(xiàn)對排出水量變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控。高精度土壤水分特征曲線測試系統(tǒng)的布置圖如圖3所示。

圖3 高精度土壤水分特征曲線自動(dòng)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)過程的自動(dòng)控制，減小人為因素引起的誤差，本試驗(yàn)利用Labview軟件編寫了一套VI程序并開發(fā)了一個(gè)程序控制界面，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中壓力室壓力的自動(dòng)加壓和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄。Labview是美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)一套圖形化編輯軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集與控制功能，在土工試驗(yàn)方面已經(jīng)有了較好的應(yīng)用[9,10]。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)相關(guān)資料顯示近50年宜昌地區(qū)的最高溫度均不超過40 ℃[11]，因此將試驗(yàn)溫度區(qū)間設(shè)定為常溫區(qū)間25～40 ℃。采用自研的高精度土壤水分特征曲線測試系統(tǒng)，分別測得25、30、35、40 ℃ 4種不同溫度下秭歸粉砂的土壤水分特征曲線如圖4所示。

圖4 不同溫度下粉砂的土壤水分特征曲線

通過圖3計(jì)算出不同溫度條件下秭歸砂性土的飽和含水率及殘余含水率和進(jìn)氣值如表2所示。同一吸力下土樣體積含水率與溫度的關(guān)系如圖5所示。

表2 不同溫度下粉砂進(jìn)氣值、殘余含水率及飽和含水率實(shí)測值

圖5 體積含水率隨溫度變化

通過圖3可以發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，砂性土試樣的土壤水分特征曲線有向左下方偏移的趨勢，即在同一吸力條件下，隨著溫度的升高，土樣的持水性能在下降。且溫度對土壤水分特征曲線的影響程度在中間階段相對較大，在初始階段和殘余階段則相對較小。從圖5可以看出，隨著溫度的升高，同一吸力下的土樣含水率大致呈線性降低的趨勢，且其降低的幅度隨著溫度的升高而減小。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，土壤水分特征曲線的進(jìn)氣值及殘余含水率均隨著溫度的升高而減小。

2 土壤水分特征曲線的溫度效應(yīng)分析

2.1 溫度對砂土各階段土壤水分特征曲線的影響分析

非飽和土由固相(土顆粒)、液相(土中水)和氣相(土中氣)3部分構(gòu)成，俞培基[12]根據(jù)土體中各階段孔隙水的飽和度提出土體中液相和氣相的存在形態(tài)可以分為水封閉、雙開敞、氣封閉3類。各個(gè)階段非飽和土中水、氣賦存狀態(tài)及其概化模型如圖6所示。

圖6 非飽和土中水、氣賦存狀態(tài)及概化模型

粉砂土壤水分特征曲線溫度效應(yīng)的影響機(jī)理因其水相和氣相存在形態(tài)不同而發(fā)生改變。在土壤水分特征曲線的飽和段，氣相主要以封閉氣泡的形式存在，由亨利定律可知隨著溫度升高溶解于液體中的氣體量會減少，導(dǎo)致封閉氣泡的體積持續(xù)增大，原先存在于孔隙中的一部分水被擠出，使得孔隙水減少。所以在該階段，在同一基質(zhì)吸力條件下，隨著溫度的升高土壤的含水率降低。但由于溫差不大，且封閉氣泡的體積有限，因此溫度效應(yīng)在這一階段體現(xiàn)得并不明顯。

隨著吸力的繼續(xù)增大，土顆粒間大孔隙中的水首先被空氣擠出，土體開始由飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)?；|(zhì)吸力、孔隙半徑和表面張力之間的關(guān)系可用如下公式表示：

(1)

式中：μa-μw為基質(zhì)吸力，kPa；Ts為液體的表面張力，mN/m；r為孔隙半徑，m；α為水-氣界面接觸角。

非飽和土的進(jìn)氣值表征的是土中最大孔隙開始排水時(shí)的基質(zhì)吸力。由式(1)可知，對于同一種土，其孔隙半徑一定，溫度的影響主要體現(xiàn)在對表面張力及接觸角的改變上。隨著溫度的升高，水的表面張力減小，接觸角變大[13]，基質(zhì)吸力減小,因此，在此階段的土壤水分特征曲線中，基質(zhì)吸力隨著溫度的升高而減小。此階段土中孔隙水處于雙開敞狀態(tài)，其排水量主要受毛細(xì)作用的控制。隨著溫度的升高，孔徑持水能力下降，在同一氣壓力值的情況下，相對較小的孔隙也開始排水，再加上封閉氣泡體積膨脹的影響，因此其排水量較大。由于粉砂粗顆粒含量較多，顆?？紫断鄬^大，溫度對孔徑持水能力的影響更大，導(dǎo)致該段區(qū)域成為溫度對粉砂土壤水分特曲線影響程度最大的區(qū)域。

隨著基質(zhì)吸力的繼續(xù)增大，其含水率繼續(xù)降低，當(dāng)其含水率低于殘余含水率時(shí)，顆?？紫堕g存在的自由水大部分已經(jīng)被排空，孔隙被氣相占據(jù)而處于水封閉狀態(tài)，其吸力主要源自短程吸附作用。吸力的大小主要有分子間的范德華耳茲力和距離決定[14]。當(dāng)土體溫度升高時(shí)，水分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，動(dòng)能增加，當(dāng)范德華耳茲力不足以束縛水分子的熱運(yùn)動(dòng)時(shí)，土顆粒最外層的弱結(jié)合水將脫離束縛而轉(zhuǎn)變成自由水，然后在基質(zhì)吸力的作用下被排出。溫度越高，水分子的熱運(yùn)動(dòng)越劇烈，能量也越大，從最外層向內(nèi)將有更多的水分子脫離束縛而轉(zhuǎn)變成自由水，因此其排出的水量也越多，殘余含水率越低。由于本試驗(yàn)試樣以粉砂粒為主，細(xì)顆粒的如粒含量較少，短程水合效應(yīng)吸附的孔隙水較少。因此，在殘余區(qū)溫度對該粉砂土壤水分特征曲線的影響程度并不大。

2.2 溫度對VG模型參數(shù)的影響

在現(xiàn)有的土壤水分特征曲線預(yù)測模型當(dāng)中，van Genuchten[15]提出的VG模型是被最為廣泛應(yīng)用的模型之一，其公式表達(dá)形式為：

(2)

式中：θw為體積含水率；θs為飽和含水率；θr為待測殘余含水率；ψ為吸力值；a、n為待定參數(shù)。

一般認(rèn)為參數(shù)a表示土壤水分特征曲線中的進(jìn)氣值，而參數(shù)n則代表了土壤水分特征曲線過渡段的斜率。將秭歸粉砂土試樣在不同溫度下測得的土壤水分特征曲線的數(shù)據(jù)代到VG模型中，得到不同溫度下模型參數(shù)a、n、θr的值，同時(shí)之前有學(xué)者如王鐵行[7]和Gens[16]分別對西安黃土和FEBEX膨脹土測試了不同溫度下的土壤水分特征曲線，其中西安黃土為濕陷性黃土，塑限為18.4 %，液限為30.7 %，西安黃土主要顆粒成分為粉土顆粒，占顆?？傎|(zhì)量50%以上，小于0.005 mm的黏土顆粒占20%～30%；FEBEX膨脹土的液限為102%，粒徑小于0.002 mm的顆粒占總質(zhì)量67%。以上為了比較粉砂土在VG模型中不同溫度下的模型參數(shù)與其他類型土VG模型參數(shù)的差異，本文也利用王鐵行[7]和Gens[16]測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在VG模型中解出模型參數(shù)a、n、θr的值，上述3種土在不同溫度下不同類型土的VG模型參數(shù)值入表3所示。

表3 不同溫度下不同類型土的VG模型參數(shù)值

圖7 參數(shù)a、n值、殘余含水率隨溫度的變化趨勢

模型中參數(shù)a、n、θr隨溫度的變化趨勢分別如圖7所示。從圖7可以看出，隨著溫度的升高，VG模型中的參數(shù)a、n、θr都有減小的趨勢，不同類型土的參數(shù)值對溫度的敏感度也不一樣：從圖7(a)中可以看出粉砂土的a值隨溫度的變化趨勢與黃土a值的變化趨勢比較接近，而膨脹土的a值隨溫度升高的下降趨勢比粉砂土明顯很多，說明在土壤水分特征曲線中溫度對粉砂土曲線進(jìn)氣值的影響比膨脹土這類黏土的曲線進(jìn)氣值的影響小得多；圖7(b)中顯示粉砂土的n值隨著溫度的升高出現(xiàn)了較大的減幅，而溫度對黃土和膨脹土的n值影響卻不是很大，只有小幅度的升高或降低；圖7(c)中可以看出對于殘余含水率而言，粉砂土的殘余含水率大小介于黃土和膨脹土之間，而其殘余含水率則隨溫度升高的下降幅度最大。

在上述3種土中，由各種土的顆粒成分可以看出對于黏粒含量而言，秭歸粉砂土的含量最低，西安黃土次之，而FEBEX膨脹土的黏粒含量最高。圖7(a)中顯示膨脹土的a值隨溫度變化的敏感性最高，而圖7(b)和圖7(c)則顯示粉砂土的n值和θr值隨溫度變化的敏感性最高。這種現(xiàn)象說明土中黏粒含量對VG模型中各待測參數(shù)對溫度的敏感性有一定影響，表現(xiàn)在對于黏粒含量較高的土，用VG模型預(yù)測其土水特征曲線時(shí)模型中的參數(shù)a值更容易受溫度的影響；而VG模型中參數(shù)n值和θr值卻在黏土含量低的土中受溫度的影響很大。

3 結(jié) 語

(1)根據(jù)粉砂土水特征曲線基質(zhì)吸力范圍較小的特點(diǎn)研制了一套高精度土水特征曲線測試系統(tǒng)，可將吸力值精確度控制在±1 kPa以內(nèi)。

(2)溫度對粉砂的土壤水分特征曲線有影響，體現(xiàn)在隨著溫度的升高，粉砂的持水能力在下降，且同一吸力下的土樣含水率大致呈線性降低的趨勢，其降低的幅度隨著溫度的升高而減小。同時(shí)溫度對土壤水分特征曲線的影響程度在中間階段相對較大，在初始階段和殘余階段相對較小。

(3)隨著溫度的升高，粉砂土和其他不同類型土的VG模型參數(shù)a、n、θr都有減小的趨勢，且不同類型土的參數(shù)值對溫度的敏感度也不一樣，總體來看，土中黏粒 含量對VG模型中各待測參數(shù)對溫度的敏感性有一定影響，而VG模型中黏粒含量少的粉砂土的n值和θr值對溫度的敏感程度明顯比其他兩種類型土要大一些。由于本文中不同溫度下的土壤水分特征曲線樣本數(shù)較少，具體的VG模型參數(shù)值與溫度之間的定量關(guān)系還有待進(jìn)一步分析。

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