考慮體積變化修正的紅黏土土水特征曲線試驗研究

陳 浩

(湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順 416700)

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考慮體積變化修正的紅黏土土水特征曲線試驗研究

陳 浩

(湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順 416700)

紅黏土是一種具有高度水敏性的典型特殊土，土水特征曲線(SWCC)是研究紅黏土工程性質(zhì)的重要依據(jù)，而紅黏土在含水率變化時會發(fā)生明顯的脹縮效應(yīng)，現(xiàn)有SWCC測試往往缺乏對此效應(yīng)的考慮，導(dǎo)致所測得的結(jié)果具有一定的誤差。通過壓力板儀法和濾紙法，量測了湖南某地區(qū)紅黏土在不同含水率下所對應(yīng)的基質(zhì)吸力，并根據(jù)收縮試驗掌握了紅黏土在不同含水率下的體積變化特征并獲取了相應(yīng)的收縮系數(shù)，推導(dǎo)了體積變化修正公式，對SWCC進(jìn)行了體積變化修正。結(jié)果表明：紅黏土在含水率改變時的體積變化對其SWCC影響很大，同一基質(zhì)吸力狀態(tài)下，體積變化修正后紅黏土試樣的體積含水率和飽和度明顯高于修正前的值，且基質(zhì)吸力越高該差別越明顯。

紅黏土； 土水特征曲線； 壓力板儀法； 濾紙法； 收縮試驗； 體積變化修正

1 概述

紅黏土是特指碳酸鹽類巖石在溫濕氣候條件下經(jīng)風(fēng)化后形成的褐紅、棕紅等色的黏性土，主要分布在湖南、貴州、云南、廣東以及廣西等省份。與一般黏土的特點不同，紅黏土具有天然含水率高、水穩(wěn)定性差、孔隙比大和結(jié)構(gòu)性強(qiáng)等特點，容易受到大氣降雨、地下水位變化等因素的影響而發(fā)生含水率變化，從而引起基質(zhì)吸力的改變而影響其工程性質(zhì)。土水特征曲線(SWCC)是聯(lián)系基質(zhì)吸力與含水率的紐帶，與紅黏土的結(jié)構(gòu)、土顆粒成分、孔隙尺寸分布以及土壤中水分變化的歷史等因素有關(guān)，反映了紅黏土對水分的吸持作用，關(guān)系到其強(qiáng)度、變形和滲透性等[1]。因此，準(zhǔn)確地獲取土水特征曲線是開展含水率變化條件下紅黏土工程性質(zhì)研究的前提。

王世梅[2]利用重塑紅黏土進(jìn)行試驗，試驗過程中考慮了應(yīng)力狀態(tài)對吸力的影響，建立了能夠同時反映固結(jié)應(yīng)力、基質(zhì)吸力和含水率三個變量的土水特征曲線函數(shù)表達(dá)式。伊盼盼等[3]則采用壓力板儀研究了不同擊實條件對非飽和重塑粉土土水特征曲線的影響，并采用Van Genuchten 模型對試樣的土水特征曲線進(jìn)行了擬合。Yang等[4]將土顆粒簡化為微觀球體粒子，通過分析粒子間的相互作用推導(dǎo)出了考慮土顆粒平均粒徑和含水率的土水特征曲線通用模型。談云志等[5]用壓力板儀測定了4種不同干密度的壓實紅黏土試樣的土水特征曲線，并結(jié)合試樣的孔隙分布特征分析了其不同持水能力的原因。Wan等[6]對Fredlund-Xing模型進(jìn)行了改進(jìn)，提出了可以體現(xiàn)初始孔隙比的影響的新模型。然而，紅黏土是典型遇水軟化、失水收縮開裂的水敏性土，其土水特征曲線與體積變化之間存在著強(qiáng)烈的相互作用，基質(zhì)吸力變化會導(dǎo)致持水狀態(tài)和體積的變化，而體積變化也會導(dǎo)致持水狀態(tài)的變化，基質(zhì)吸力與含水率、體積之間具有復(fù)雜的耦合關(guān)系[7]，但現(xiàn)有研究大多未涉及紅黏土在含水率改變時的體積變化及其對SWCC的影響。

本文將聯(lián)合壓力板儀法和濾紙法，量測不同吸力范圍內(nèi)湖南某地區(qū)紅黏土試樣的土水特性，最終得到全程吸力范圍內(nèi)的土水特征曲線，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合收縮試驗，推導(dǎo)不同濕度下紅黏土的體變修正公式，最后對原有土水特征曲線做了體變修正。

2 試驗材料及試驗過程

2.1 試驗材料

湖南省屬于典型的多雨地區(qū)，地下水位普遍較高，本文選取了該省某地區(qū)具有代表性的紅黏土作為研究對象，首先開展了有關(guān)其基本物理性質(zhì)的試驗，試驗過程均按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)[8]中的相應(yīng)規(guī)定進(jìn)行，包括顆粒分析、界限含水率、比重、自由膨脹率、擊實試驗，試驗結(jié)果如表1所示。

2.2 試驗過程

針對紅黏土在低含水率狀態(tài)時的基質(zhì)吸力很高的特點，為了能夠獲得更完整的土水特征曲線，采用壓力板儀法和濾紙法聯(lián)合測量其基質(zhì)吸力，其中壓力板儀的吸力測量范圍為0～1 500 kPa，而濾紙法(接觸式)的測量范圍為0.5～40 MPa 。本文的土水特征試驗采用脫濕過程，暫忽略滯回效應(yīng)的影響。其中，質(zhì)量含水率從飽和狀態(tài)脫濕至36%部分的SWCC曲線由壓力板儀試驗得到，而質(zhì)量含水率在36%以下部分采用濾紙法獲得，最終將兩種方法得到的SWCC曲線進(jìn)行合并。為了探討不同壓實度(初始孔隙比)對路基壓實紅黏土SWCC的影響，在兩種測試方法中，都分別同時測量了6種不同壓實度(96%、93%、91%、89%、87%，85%)重塑紅黏土的SWCC。試驗過程本文不作詳述。

表1 紅黏土的基本物理性質(zhì)參數(shù)Table1 Basicphysicalpropertyparametersoflaterite塑限/%液限/%塑性指數(shù)定名比重39.484.144.7高液限黏土2.84自由膨脹率/%最優(yōu)含水率/%最大干密度/(g·cm-3)2530.01.502

收縮試驗則參照《公路土工試驗規(guī)程》[8]中“土的收縮試驗”進(jìn)行，同時測量了6種不同壓實度(96%、93%、91%、89%、87%，85%)紅黏土線縮率與質(zhì)量含水率的關(guān)系，試驗過程本文不作詳述。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 土水特征曲線試驗結(jié)果及分析

整理合并兩種測試方法的試驗數(shù)據(jù)，得到不同壓實度紅黏土試樣在各級基質(zhì)吸力下的含水率(表2)，含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線見圖1。其中1 500 kPa以下基質(zhì)吸力的數(shù)據(jù)點由壓力板儀法得到，1 500 kPa以上基質(zhì)吸力的數(shù)據(jù)點由濾紙法得到。

可以看出：在基質(zhì)吸力的測量范圍內(nèi)，該紅黏土的SWCC未表現(xiàn)出典型的三階段型變化特征，殘余含水率不明顯。

3.2 收縮試驗結(jié)果及分析

根據(jù)收縮試驗得到不同壓實度紅黏土的線縮率與質(zhì)量含水率關(guān)系曲線見圖2，收縮系數(shù)和縮限如表3所示。

從圖2和表3中可以發(fā)現(xiàn)：該壓實紅黏土的收縮幾乎都從其最優(yōu)含水率30%左右開始，隨著含水率的減小，線縮率增大，至20%左右逐漸趨于穩(wěn)定。壓實度對紅黏土的縮限、收縮系數(shù)的影響并不明顯，當(dāng)壓實度超過87%以后，縮限和收縮系數(shù)已趨于穩(wěn)定(其中壓實度為96%試樣的收縮系數(shù)與其余壓實度試樣有明顯差別，可能為試驗中的誤差所造成)；不同壓實度試樣的最終線縮率處在3.0%～4.5%范圍，該差別體現(xiàn)在變形的絕對值上僅為0.3 mm，且與壓實度之間并無明顯的相關(guān)性。

表2 不同壓實度紅黏土的SWCC數(shù)據(jù)Table2 SWCCdataoflateritewithdifferentdegreeofcom-pactionK=96%K=93%K=91%基質(zhì)吸力含水率基質(zhì)吸力含水率基質(zhì)吸力含水率 0.0137.66 0.0138.88 0.0139.9520.0036.3920.0035.6120.0035.2050.0033.7550.0033.4250.0033.19100.0032.81100.0032.58100.0032.40200.0031.89200.0031.74200.0031.55385.0031.13385.0030.98385.0030.83682.0030.24682.0030.07682.0029.85970.0030.19970.0029.97970.0029.7710892.1726.208076.9326.208101.5625.9017099.9822.5420524.6122.6118060.4822.77K=89%K=87%K=85%基質(zhì)吸力含水率基質(zhì)吸力含水率基質(zhì)吸力含水率 0.0141.10 0.0142.87 0.0143.7420.0035.6020.0035.8320.0035.1450.0033.5250.0033.7450.0033.15100.0032.67100.0032.86100.0032.29200.0031.74200.0031.83200.0031.14385.0030.99385.0031.07385.0030.39682.0030.03682.0030.13682.0029.47970.0029.96970.0030.08970.0029.457559.5525.9010218.7926.308261.7025.6021641.2022.6024854.4622.7223282.4222.70 注:表中“含水率”為質(zhì)量含水率,單位%?；|(zhì)吸力單位kPa。

圖1 不同壓實度紅黏土SWCCFigure 1 SWCC of laterite with different degree of compaction

圖2 不同壓實度紅黏土線縮率隨含水率的變化Figure 2 Relationship between linear shrinkage rate and water content of laterite with different degree of compaction

表3 不同壓實度紅黏土的收縮指標(biāo)Table3 Shrinkageindicatorsoflateritewithdifferentde-greeofcompaction壓實度K/%縮限ws/%收縮系數(shù)Kv8521.30.238722.50.268922.60.289122.50.269322.60.279622.70.36

4 體積變化修正

4.1 體積變化修正公式推導(dǎo)

對土水特征曲線進(jìn)行體積變化修正，需要掌握體積變化與含水率的關(guān)系，但在收縮試驗中僅僅得到了土樣的線縮率與含水率之間的函數(shù)關(guān)系式。對于線縮率與體積變化之間的轉(zhuǎn)換問題，不同學(xué)者采取了不同的計算方法，張華等[9]使用3個方向的線縮率來考慮試樣的體應(yīng)變，但該方法僅僅是將試樣中空間3個方向上的線縮率進(jìn)行了疊加，這僅在土樣體變?yōu)樾∽冃蔚募俣ㄏ率呛侠淼?；而周葆春等[10]直接使用線縮率來代替體應(yīng)變。本文采用的換算方式如下：

《公路土工試驗規(guī)程》[8]中所使用的土樣為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀試樣，假設(shè)其直徑為r0，高度為z0，初始體積為V0。在收縮過程中某一個含水率狀態(tài)下，試樣的半徑變化為Δr，高度變化為Δz，體積變化為ΔV，且假定試樣未開裂，則試樣變形前后的體積分別為：

(1)

(2)

在試樣的變形過程中，由于試樣較小，根據(jù)張華等[9]三向收縮試驗中得到的水平和豎直方向上收縮系數(shù)近似相等的結(jié)論，可以假設(shè)試樣在任意時刻的豎向線縮率與橫向線縮率都相等，且試樣在每一個時刻的含水率都是均勻的，則有：

(3)

將式(2)、式(1)相除 ，并結(jié)合式(3)可以將試樣的體積變形ΔV表示成豎向變形Δz的函數(shù)：

(4)

當(dāng)土樣脹縮隨含水率的變化比較明顯時，收縮變形不能假定為小變形，根據(jù)收縮試驗結(jié)果可將式(4)表示為試樣體積隨質(zhì)量含水率w變化函數(shù)：

(5)

式中：w0為初始質(zhì)量含水率。

由于：

(6)

式中：e為實際孔隙比；e0為初始孔隙比。

聯(lián)立式(5)和式(6)可以得到土樣的實際孔隙比與質(zhì)量含水率的關(guān)系：

(7)

根據(jù)式(7)、表 3、圖1(a)中數(shù)據(jù)得出的實際孔隙比隨基質(zhì)吸力的變化曲線如圖3所示。

圖3 不同壓實度試樣實際孔隙比隨吸力變化曲線Figure 3 Relationship between void ratio and matrix suction of laterite with different degree of compaction

再使用下式：

Sr=Gsw/e

(8)

θ=Sre/(e+1)

(9)

式中：Sr為飽和度；Gs為比重；θ為體積含水率。

即可以得出不同基質(zhì)吸力下的實際體積含水率以及飽和度。

4.2 修正結(jié)果及分析

分別將修正前后的土水特征曲線繪制在半對數(shù)坐標(biāo)系中，如圖4和圖5所示：

圖4 修正前后SWCC對比(體積含水率表征)Figure 4 The comparison between pre-corrected SWCC and cor-rected SWCC(represented by volumetric water content)

圖5 修正前后SWCC對比(飽和度表征)Figure 5 The comparison between pre-corrected SWCC and corrected SWCC(represented by saturation degree)

可以看出：相同基質(zhì)吸力作用下，體積修正后的體積含水率和飽和度要明顯高于修正前的值，在基質(zhì)吸力越高的區(qū)域，差別越大。這是由于紅黏土在脫濕過程中時發(fā)生了收縮變形，試樣孔隙體積減小。修正后的SWCC考慮了這一效應(yīng)，因此體積含水率和飽和度更高。此外，無論是體積修正以前還是修正以后，試樣壓實度越小(初始孔隙比越大)，持水能力越低，在受到第二級相同基質(zhì)吸力(約20 kPa)作用下的脫水量最大；在其后的各級基質(zhì)吸力(已超過各干密度試樣的進(jìn)氣值)作用下，不同初始干密度試樣的飽和度和體積含水率降幅差異已經(jīng)不大。

5 結(jié)論

① 該地區(qū)紅黏土的收縮都從w=30%附近開始，隨著含水率的減小，線縮率增大，至20%時趨于穩(wěn)定；不同壓實度試樣的最終線縮率處在3.0%～4.5%范圍，且與壓實度之間并無明顯的相關(guān)性。

② 紅黏土在含水率降低時的體積收縮對其土水特征曲線影響很大：同一基質(zhì)吸力狀態(tài)下，體積變化修正后的試樣體積含水率和飽和度明顯高于修正前的值，在基質(zhì)吸力越高的區(qū)域，該差別越明顯。

③ 壓實度越小(初始孔隙比越大)，紅黏土試樣的持水能力越低。隨著基質(zhì)吸力的增加，不同壓實度試樣之間的體積含水率及飽和度的差異呈現(xiàn)先增大后縮小的趨勢，當(dāng)吸力增加至20 000 kPa ，壓實度對持水能力的影響已經(jīng)較小。

[1] 武漢大學(xué).南方多雨地區(qū)公路水損害及其防控技術(shù)研究[R].2011.

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Experimental Study on Soil Water Characteristic Curve of Laterite with Volume Change Correction

CHEN Hao

(Hunan Yonglong Expressway Construction Development Company Ltd， Yongshun， Hunan 416700， China)

Laterite is a typical special soil which has high water sensitivity.Soil water characteristic curve(SWCC)is an important basis for studying engineering performance of laterite.However，laterite has obvious swell-shrink effect when the moisture changes.Available SWCC tests lack consideration about this effect and therefore the results always have much error.In view of enhancing accuracy of SWCC，by pressure plate apparatus method and filter paper method，this paper measures matrix suctions of laterite at an area in Hunan with different water content.Meanwhile，the rule of volume varying with water content is acquired based on shrinkage tests.Shrinkage coefficient is obtained and volume correction formulation is deduced.Finally，the SWCC is corrected by involving volume change effect.Study results show that volume change of laterite with water content varying has significant influence on SWCC.Under the same matrix suction condition，saturation degree and volume water content of laterite after correction are obviously higher than those before correction，and the difference becomes more obviously with the increase of matrix suction.

laterite； soil water characteristic curve； pressure plate apparatus method； filter paper method； shrinkage tests； volume change correction

2016 — 06 — 17

交通部交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項目(2014318785090)；湖南省交通科技項目(201451)。

陳 浩(1982 — )，男,湖南常德人,工程師，主要從事公路工程的研究及工程現(xiàn)場管理工作。

TU 411.8

A

1674 — 0610(2016)05 — 0097 — 05