非飽和土基質(zhì)吸力測試技術(shù)的分析與實(shí)踐

居尚威，李雄威

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，安徽淮南232001；2.常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇常州213002)

JU Shangwei1,2，LI Xiongwei1,2

(1.School of Civil Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001；2.School of Civil Engineering and Architecture,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002)

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非飽和土基質(zhì)吸力測試技術(shù)的分析與實(shí)踐

居尚威1,2，李雄威1,2

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，安徽淮南232001；2.常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇常州213002)

非飽和土力學(xué)是目前巖土力學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，土水特征曲線體現(xiàn)了非飽和土體的持水能力，它是非飽和土力學(xué)研究的核心問題之一?，F(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)通常針對非飽和土的基質(zhì)吸力進(jìn)行測試，從而獲得有效的土水特征曲線。基質(zhì)吸力的測試方法很多，主要包括張力計(jì)法、濾紙法、熱傳導(dǎo)探頭法、滲析法、時(shí)域反射計(jì)法、壓力板儀法等。著重對使用較為廣泛的張力計(jì)法、濾紙法、時(shí)域反射計(jì)法、壓力板儀法、熱傳導(dǎo)探頭法進(jìn)行歸納介紹及實(shí)踐應(yīng)用分析。

非飽和土；基質(zhì)吸力；土水特征曲線；測試方法

JU Shangwei1,2，LI Xiongwei1,2

(1.School of Civil Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001；2.School of Civil Engineering and Architecture,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002)

0　引言

20世紀(jì)初期，研究土壤的一些學(xué)者慢慢地認(rèn)識(shí)到吸力的概念。之后，英國巖土研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，土中存在吸力可以解釋很多在實(shí)際工作中出現(xiàn)的力學(xué)方面的問題。

非飽和土中，在毛細(xì)作用下形成的氣水界的彎曲曲面會(huì)降低土中的相對濕度，曲面處的孔隙氣壓與孔隙水壓的差值就稱為基質(zhì)吸力。充分了解非飽和土基質(zhì)吸力及其變化規(guī)律，對于研究邊坡穩(wěn)定性、基坑的沉降變形等都有重要意義。因此，使用一套正確的設(shè)備儀器對土樣的基質(zhì)吸力進(jìn)行精確快速的量測非常重要。20世紀(jì)中后期,隨著對土中吸力重要性的認(rèn)識(shí)不斷加深，吸力量測的理論方法和量測手段慢慢受到人們的重視并得到不斷發(fā)展。起初采用的方法有滲析法、張力計(jì)、濾紙測量法等。到20世紀(jì)末期，隨著土力學(xué)理論的進(jìn)一步發(fā)展，高吸力的張力計(jì)、三軸儀、熱傳導(dǎo)探頭等技術(shù)開始出現(xiàn)。1993年Wilson和Barbour[1]為了觀測土中吸力與含水率的關(guān)系，選擇在降雨期間用熱傳導(dǎo)探頭對某黏土層進(jìn)行觀測。1994年新加坡的T.T.Lim等[2]采用張力計(jì)觀測了某天然邊坡的基質(zhì)吸力隨含水率的變化規(guī)律。1997年王釗等[3]在不同類型的邊坡上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中同時(shí)使用熱傳導(dǎo)探頭和張力計(jì)對基質(zhì)吸力進(jìn)行觀測，采集相關(guān)數(shù)據(jù)。2001年吳宏偉、包承剛等[4]在某邊坡上通過人工降雨的方式研究含有大量膨脹土的非飽和土邊坡破壞機(jī)理。1997—1998年，美國的Drumm[5]采用TDR技術(shù)對某段公路下的黏土地基和散粒層進(jìn)行長時(shí)間的監(jiān)測，并繪制了含水量在不同季節(jié)里的基質(zhì)吸力變化圖。2014年浙江大學(xué)的陳仁朋等[6]通過時(shí)域反射計(jì)量器和張力計(jì)等設(shè)備，測量路基粗顆粒土不同高度處土體在吸濕、脫濕階段的基質(zhì)吸力和介電常數(shù)的變化情況，從而得到了高壓實(shí)度情況下的土水特征曲線，通過瞬態(tài)剖面法獲得了路基粗顆粒土基質(zhì)吸力與滲透系數(shù)的關(guān)系。

1　張力計(jì)法與濾紙法測量技術(shù)

1.1張力計(jì)法

普通的張力計(jì)由陶土板、集器室、水腔室、顯示器等組成。當(dāng)測量的吸力達(dá)到或超過100 kPa時(shí)，普通的張力計(jì)連接管中將出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，所測出的數(shù)據(jù)與實(shí)際值偏差極大。

倫敦帝國學(xué)院的Ridley和Burland[7]于1993年成功研制出可以直接用于測量試樣基質(zhì)吸力的張力計(jì)。該張力計(jì)的精密之處在于水體腔室中僅裝有3 mm3的無氣水，它反應(yīng)時(shí)間快，在短短的數(shù)分鐘內(nèi)即可測得1 000 kPa以內(nèi)的吸力值，缺點(diǎn)是持續(xù)高吸力的時(shí)間比較短。

巴西圣保羅大學(xué)的Marinho通過化學(xué)技術(shù)減少張力計(jì)中氣泡的產(chǎn)生，但需要考慮滲透的影響，他和Pinto于1997年成功研制成能準(zhǔn)確測出數(shù)百kPa吸力的HCT型張力計(jì)[8]。

Meilani等[9]于2002年成功研制出Druck PDCR81型張力計(jì)，該型號(hào)張力計(jì)僅重3 g，對吸力的靈敏度比之前的張力計(jì)有較大提高，但缺點(diǎn)是試驗(yàn)前必須保證探頭的充分飽和，否則測量誤差會(huì)比一般的張力計(jì)大。

2003年，Take和Bolton為了獲得更長時(shí)間的吸力值進(jìn)一步改進(jìn)了PDCR81型張力計(jì)。

2013年，長安大學(xué)的李萍等[10]采用張力計(jì)法，以隴東高原馬蘭黃土為試驗(yàn)對象，獲得黃土土樣的土水特征曲線。試驗(yàn)所用到的張力計(jì)為TEN型張力計(jì)，該型號(hào)張力計(jì)探測管長15 cm，由頂蓋、真空表、陶瓷探頭等組成，如圖1所示。TEN型張力計(jì)不僅操作簡單方便，精度也比較高，測量范圍為0～100 kPa。

圖1　TEN型張力計(jì)

此次試驗(yàn)根據(jù)TEN型張力計(jì)測得的數(shù)據(jù)而繪制的土樣SWCC如圖2所示。由圖中曲線可知，起初土樣的含水率下降較快，隨著基質(zhì)吸力的逐漸增大，下降速率變緩，當(dāng)吸力大于45 kPa后，含水率變化便趨于平緩。

圖2　TEN型張力計(jì)測得的土樣SWCC

1.2濾紙法

濾紙法測量吸力顧名思義是以濾紙作為中間介質(zhì)，水分在濾紙和土樣之間達(dá)到平衡后，通過測定濾紙的含水率以及率定好的濾紙含水率與吸力的對應(yīng)關(guān)系而獲知土樣的吸力。

濾紙法測量吸力分為接觸法測量和非接觸法測量，主要區(qū)別是土樣與濾紙間水分的傳遞方式不同，如圖3。

圖3　濾紙法2種測量方法示意圖[11]

本次試驗(yàn)采用接觸濾紙法測量某高液限土，試驗(yàn)在福建取樣，使用率定好的濾紙測量土樣一定含水率下對應(yīng)的基質(zhì)吸力。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的水土特征曲線如圖4。

圖4　濾紙法得到的福建某高液限土SWCC

濾紙法在土基質(zhì)吸力測量試驗(yàn)時(shí)較為方便，在準(zhǔn)備充分的條件下，可同時(shí)進(jìn)行多組試驗(yàn)。從開始試驗(yàn)到繪制出土水特征曲線一般需要10 d。

2　壓力板儀測量技術(shù)

壓力板儀是一種直接測量基質(zhì)吸力的方法，其優(yōu)點(diǎn)在于可以控制基質(zhì)吸力的大小，而缺點(diǎn)是無法考慮壓應(yīng)力對土水特征曲線的影響，且測試范圍有限。壓力板儀試驗(yàn)過程示意圖如圖5所示。在利用壓力板儀進(jìn)行試驗(yàn)前，首先要將試驗(yàn)土樣和壓力板儀底座上的高進(jìn)氣值陶土板充分飽和，試驗(yàn)時(shí)將土樣安置于陶土板上，保證土樣與陶土板充分接觸，然后給量測管中的水加壓，排凈管中的空氣。試驗(yàn)時(shí)土樣內(nèi)的水壓Uw一直為0，由加壓系統(tǒng)逐級給土樣加氣壓Ua，待到土樣排水(或吸水)穩(wěn)定時(shí)，讀取量管指示數(shù)并記錄Ua值。在完成最高的氣壓加載后，記基質(zhì)吸力為Ua-Uw=Us，取出試樣稱重，烘干后再次稱重，計(jì)算得到重力含水率w，由各級加載下記錄的水體積變化值計(jì)算出各級的重力含水率，然后根據(jù)式(1)算出相對應(yīng)的基質(zhì)吸力值下的體積含水率θw。

(1)

式中：ρd為試樣干密度；ρw為4 ℃下水的密度。

圖5　壓力板儀試驗(yàn)過程示意圖

2.115 bar壓力板儀

本次試驗(yàn)采用美國的15 bar型壓力板儀，儀器如圖6所示，土樣為4個(gè)灰白色膨脹土土樣。

圖6　15 bar壓力板儀[12]

試驗(yàn)前將高進(jìn)氣值陶土板充分飽和，正確安放試樣后連接排水管路，按照正確的操作方法排入空氣后將容器密封，開始試驗(yàn)。

重力含水率相關(guān)下以及體積含水率相關(guān)下的SWCC分別如圖7和圖8所示。

圖7　重力含水率相關(guān)下的SWCC

圖8　修正后的體積含水率相關(guān)下的SWCC

2.21D-SDSWCC型壓力板儀

Geo-Expert公司所生產(chǎn)的SDSWCC壓力板儀系統(tǒng)是當(dāng)前市場上技術(shù)性能較為優(yōu)越，自動(dòng)化程度較高，高校和研究所采用較多的土水特征曲線壓力板儀(圖9)。SDSWCC依據(jù)香港科技大學(xué)吳宏偉教授數(shù)十年非飽和土測試的科研成果，更加貼合實(shí)際使用需求，能獲得更客觀、更準(zhǔn)確的測試結(jié)果。

圖9　1D-SDSWCC型壓力板儀

2.2.1室內(nèi)試驗(yàn)步驟

①試驗(yàn)進(jìn)行前需要充分飽和陶土板和土樣，土樣放入容器時(shí)保證試樣與陶土板充分接觸。

②向土樣施加5 kPa的氣壓，試樣在氣壓作用下向平衡管排水，慢慢達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)量管體積變化每2 h不超過0.01 mL時(shí)為平衡狀態(tài)。

③加載氣壓分別為5、10、25、50、100、200 kPa下重復(fù)步驟2。

④完成脫濕過程后，繼續(xù)沿吸濕過程進(jìn)行，遞減段氣壓分別為100、50、25 kPa。

⑤脫濕階段結(jié)束后卸去氣壓，取出土樣稱量，烘干后再次稱量，計(jì)算出最后一級試樣的重力含水率,利用式(1)計(jì)算體積含水率，最后根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)繪制土樣的土水特征曲線。

2.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)測得的數(shù)據(jù)繪制的南京某土樣SWCC如圖10。

圖10　壓力板儀測得的某南京土樣SWCC

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

①整個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的曲線分為脫濕和吸濕2個(gè)過程。在加壓過程中，土樣排水；在卸壓過程中，土樣吸水，形成一滯回圈。產(chǎn)生滯回現(xiàn)象的主要原因是，經(jīng)過加壓和卸壓過程后，土樣內(nèi)部空隙的結(jié)構(gòu)形狀發(fā)生變化；

②即使在同一基質(zhì)吸力下，吸濕過程和脫濕過程在此基質(zhì)吸力下所對應(yīng)的含水量也不相同，一般來說脫濕過程的含水量總是略高于吸濕過程的含水量。

試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題：

①儀器的穩(wěn)壓性能不是很好，實(shí)驗(yàn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)跑壓現(xiàn)象，因此在試驗(yàn)過程中應(yīng)注意隨時(shí)修正基質(zhì)吸力；

②實(shí)驗(yàn)含水率的測定主要是通過排水體積來計(jì)算，實(shí)驗(yàn)過程中要注意整個(gè)系統(tǒng)的密封性，與外界有通氣的管口注意保證密閉，垂直管壁上的水分及時(shí)沖刷，防止水分的損失。

3　時(shí)域反射計(jì)與熱傳導(dǎo)探頭測量技術(shù)

3.1時(shí)域反射計(jì)

時(shí)域反射計(jì)(TDR)主要分為陶瓷探頭和傳感元件部分。首先測得土中的介電參數(shù)，然后參照介電參數(shù)與土樣含水率之間一一對應(yīng)的關(guān)系曲線即可得到土樣的含水率。

2014年浙江大學(xué)的陳仁朋等[6]利用張力計(jì)和時(shí)域反射計(jì)量器，分別測量路基粗顆粒土在不同高度處吸濕和脫濕階段的基質(zhì)吸力、介電常數(shù)。該試驗(yàn)所用的TDR探頭設(shè)計(jì)如圖11。

圖11　TDR探頭結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

整個(gè)試驗(yàn)有飽和進(jìn)水和排水蒸發(fā)2個(gè)過程。進(jìn)水階段：正確安裝完試樣后，開啟閥門，同時(shí)保持水頭恒定飽和土樣。排水蒸發(fā)階段：土樣充分飽和后關(guān)閉進(jìn)水閥門，等待一段時(shí)間確保土樣飽和均勻。當(dāng)各層土樣TDR示數(shù)穩(wěn)定時(shí)，分若干次打開閥門排水。每次排完水直到TDR示數(shù)穩(wěn)定，記錄下各層土體TDR與張力計(jì)的讀數(shù)，據(jù)此繪制排水階段土水特征曲線。當(dāng)閥門無水流出時(shí)表示排水階段完成。此時(shí)，關(guān)閉閥門，同時(shí)開啟頂蓋，讓試樣自然蒸發(fā)。蒸發(fā)過程中即可測量各層土體含水率與基質(zhì)吸力，尤其是在h=500 mm處，直到各層土體張力計(jì)讀數(shù)不再變化。蒸發(fā)持續(xù)時(shí)間約為180 h。最后，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)繪制出蒸發(fā)階段的土水特征曲線。

數(shù)據(jù)分析：試樣填筑完進(jìn)行試驗(yàn)前，將TDR探頭與Campbell公司的多路板和電磁波接發(fā)器TDR100相連，實(shí)時(shí)測試土體進(jìn)水飽和、排水、蒸發(fā)過程中的波形。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)繪出兩者之間的關(guān)系曲線，如圖12所示。

圖12　TDR法測得的試樣含水率與Ka關(guān)系圖

通過張力計(jì)測得各個(gè)階段不同層土體基質(zhì)吸力隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，同時(shí)，利用TDR測得相應(yīng)基質(zhì)吸力下的試樣含水率，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)即可繪制土水特征曲線。

3.2熱傳導(dǎo)探頭

熱傳導(dǎo)探頭法的理論基礎(chǔ)是利用陶土材料的熱傳導(dǎo)能力隨濕度變化的關(guān)系以及率定好的溫度變化率與吸力之間的一一對應(yīng)關(guān)系來測量吸力，是一種間接測量方法。實(shí)驗(yàn)時(shí)，加熱器在一定的時(shí)間間隔內(nèi)給陶土探頭加熱，同時(shí)由高精度的溫度感應(yīng)器測量溫度變化。

Saskatchewan大學(xué)1997年在原熱傳導(dǎo)探頭的基礎(chǔ)上改進(jìn)了部分組成部分，研制出新的熱傳導(dǎo)探頭[13]。新型的熱傳導(dǎo)探頭經(jīng)過改進(jìn)，對陶瓷探頭進(jìn)行了特殊的處理，從而提高了其使用次數(shù)和時(shí)間。溫度感應(yīng)元件使用高集成電路，在信號(hào)的輸出方面表現(xiàn)更加出色，因此精度也得到極大的提高。

2003年成都理工大學(xué)的吳舟禮等[14]在湖南設(shè)立觀測井，對某邊坡進(jìn)行了為期2個(gè)月的觀測。試驗(yàn)所用測量飽和度的儀器來自美國公司生產(chǎn)的AQUA-TEL-TDR型水分儀，而吸力的測量則使用了清華大學(xué)研制的TS-I熱傳導(dǎo)探頭。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)繪制的不同深度下的吸力值如圖13所示。

圖13　旱季吸力隨深度的變化

4　結(jié)論

1)普通張力計(jì)法用于測量90 kPa以內(nèi)的吸力快捷方便，可用于現(xiàn)場快速測量。而高量程張力計(jì)的實(shí)用性和可靠性則需要更新的技術(shù)和手段來提高。

2)濾紙法簡單可靠，花費(fèi)小，吸力的測量范圍不受限制，而且能同時(shí)測基質(zhì)吸力和總吸力，但試驗(yàn)操作步驟要求較為嚴(yán)格，一些細(xì)小的差錯(cuò)就可能導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與理想結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差，因此試驗(yàn)者需要具備較強(qiáng)的操作能力。

3)壓力板儀法作為直接測量基質(zhì)吸力的方法較為可靠，但需要在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，周期長。

4)目前關(guān)于非飽和土的研究還在不斷進(jìn)行中，理論和實(shí)踐都在不斷迅速發(fā)展，隨著理論和實(shí)踐的發(fā)展，必然會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的技術(shù)、設(shè)備、材料的進(jìn)步，新的更加方便、更加精密、更加實(shí)用的試驗(yàn)裝置及技術(shù)還會(huì)出現(xiàn)。

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責(zé)任編輯：唐海燕

Analysis and Application on Matrix Suction Testing of Unsaturated Soil

Unsaturated soil mechanics is a hot and difficult spot in rock and soil mechanics.Soil-water characteristic curve embodies the water holding capacity of the unsaturated soil,which is one of the core issues in unsaturated soil mechanics.Field and lab experiments are usually conducted on unsaturated soil matrix suction to obtain effective soil-water characteristic curve.There are many testing methods by using tensiometer,filter paper,thermal conductive sensor,dialysis,TDR and pressure plate apparatus,among which the widely used tensiometer,filter paper TDR pressure plate apparatus and thermal conductive sensor are summarized and analyzed after application.

unsaturated soil;matrix suction;soil-water characteristic curve;testing method

10.3969/j.issn.1671-0436.2016.04.001

2016- 01- 29

江蘇省科學(xué)技術(shù)廳基礎(chǔ)研究計(jì)劃(自然科學(xué)基金)面上研究項(xiàng)目(BK20131141)

居尚威(1990—)，男，碩士研究生。

TU43

A

1671- 0436(2016)04- 0001- 06