壓實(shí)度和干濕循環(huán)對(duì)豫東粉土土-水特征曲線的影響

張 濤，樂金朝，張俊然

( 1.鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，河南 鄭州 451400； 3.華北水利水電大學(xué) 河南省巖土力學(xué)與結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450045)

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壓實(shí)度和干濕循環(huán)對(duì)豫東粉土土-水特征曲線的影響

張 濤1,2，樂金朝1，張俊然3

( 1.鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，河南 鄭州 451400； 3.華北水利水電大學(xué) 河南省巖土力學(xué)與結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450045)

用GCTS公司土-水特征壓力板儀對(duì)不同壓實(shí)度和多次干濕循環(huán)后的豫東粉土進(jìn)行的土-水特征曲線試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)吸力小于100 kPa時(shí)，土-水特征曲線的脫濕和吸濕曲線具有明顯的滯回特性；當(dāng)吸力大于100 kPa時(shí)，滯回特性不明顯.土-水特征曲線用含水率和吸力關(guān)系表示時(shí)，含水率隨著壓實(shí)度和干濕循環(huán)次數(shù)的增大，脫濕和吸濕曲線均向左下方偏移；土-水特征曲線用飽和度和吸力關(guān)系表示時(shí)，脫濕和吸濕曲線隨著壓實(shí)度的增加均向右上方偏移，并隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加向左下方偏移.用Matlab中的Lsqcurvefit函數(shù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并得到Van Genuchten模型中的擬合參數(shù).

豫東粉土；土-水特征曲線；壓實(shí)度；干濕循環(huán)；預(yù)測(cè)

0 引言

傳統(tǒng)的公路工程設(shè)計(jì)大部分都是依據(jù)飽和土力學(xué)原理，而實(shí)際工程中路基土大部分以非飽和狀態(tài)存在，亟待用非飽和理論對(duì)路基土進(jìn)行深入研究.土-水特征曲線(簡(jiǎn)稱SWCC)是研究非飽和土力學(xué)性質(zhì)的核心[1]，對(duì)解決非飽和土公路路基工程問題具有重要的意義.壓實(shí)度和干濕循環(huán)作用對(duì)土-水特征曲線的影響，已有很多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究.王協(xié)群等[2]、張雪東等[3]、汪東林等[4]、葉靈敏等[5]等研究了壓實(shí)度對(duì)不同土體土-水特征曲線的影響；劉奉銀等[6]、楊俊等[7]、樂金朝等[8]研究了干濕循環(huán)作用的影響.Ng和Pang[9]、Ho[10]研究了多次干濕循環(huán)的土-水特征曲線.張俊然等[11]結(jié)合已有的數(shù)據(jù)總結(jié)了脫濕曲線和吸濕曲線隨著干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，提出了能預(yù)測(cè)多次干濕循環(huán)后土-水特征曲線的方法.但對(duì)河南東部地區(qū)粉土(簡(jiǎn)稱豫東粉土)在干濕循環(huán)和不同壓實(shí)度下的土-水特征曲線的試驗(yàn)研究尚未開展.筆者采用的是美國(guó)GCTS公司生產(chǎn)的土-水特征曲線固結(jié)儀，由Fredlund SWCC 裝置和加載系統(tǒng)兩部分組成.GCTS非飽和土固結(jié)儀通過軸平移技術(shù)控制基質(zhì)吸力，試驗(yàn)中試樣通過排水管與外界相連，它既可做非飽和土的壓縮試驗(yàn)，也可作為壓力板儀測(cè)定土-水特征曲線.

1 土樣的基本性質(zhì)與試樣制備

1.1 土樣的基本性質(zhì)

土樣取自豫東地區(qū)，取土深度約為3 m，主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，顆粒分布曲線如圖1所示.按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》的分類，試驗(yàn)用土屬于低液限砂質(zhì)粉土.

表1 豫東地區(qū)粉土基本物理指標(biāo)

圖1 豫東粉土的粒徑分布曲線

1.2 試樣制備

將土樣碾壓后過孔徑2.0 mm的篩，烘干、冷卻后配置成目標(biāo)含水率的土樣，密閉24 h；用靜壓實(shí)法將土樣壓制成標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)刀樣，初始高度為2 cm，直徑為6.18 cm.在壓實(shí)過程中，控制試樣的壓實(shí)度分別為90%、93%、96%，所對(duì)應(yīng)的干密度分別為1.55、1.61、1.64 g/cm3.試樣制成后用真空泵進(jìn)行抽真空飽和，試樣的初始狀態(tài)見表2.

表2 試樣的初始狀態(tài)

1.3 試驗(yàn)方案

土-水特征曲線試驗(yàn)均是在凈應(yīng)力為0 kPa的狀態(tài)下進(jìn)行的.首先將制作的飽和試樣裝入GCTS 非飽和固結(jié)儀中，施加設(shè)定的吸力， 具體吸力路徑如表3 所示.試樣1#～3#分別進(jìn)行了不同壓實(shí)度下土-水特征曲線的脫濕和吸濕過程；而試樣4#進(jìn)行了3次控制吸力的脫濕和吸濕過程.

表3 吸力路徑

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 壓實(shí)度對(duì)土-水特征曲線的影響

圖2為試樣1#～3#的土-水特征曲線，其含水率、飽和度均隨著吸力增加而降低，隨著吸力降低而增加,由于“瓶頸效應(yīng)”的存在，使脫濕曲線與吸濕曲線存在明顯的滯回效應(yīng)，脫濕曲線總是高于吸濕曲線.當(dāng)吸力小于100 kPa時(shí)，土-水特征曲線的脫濕和吸濕曲線具有明顯的滯回特性；當(dāng)吸力大于100 kPa時(shí)，滯回特性不明顯.

圖2 不同壓實(shí)度下豫東粉土的土-水特征曲線

圖2(a)表明：隨著壓實(shí)度的增加，脫濕曲線和吸濕曲線均右向左下移動(dòng)的趨勢(shì)，即在吸力相同時(shí)，壓實(shí)度小的比壓實(shí)度大的試樣含水率高.當(dāng)吸力大于100 kPa，壓實(shí)度對(duì)土-水特征曲線的影響不明顯.Romero 和Vaunat[12]也獲得了類似結(jié)果.由圖2(b)可知，隨著壓實(shí)度的增加脫濕曲線和吸濕曲線均向右上方移動(dòng)，即當(dāng)吸力相同時(shí)，飽和度隨著壓實(shí)度的增大而增大，與Sun等[13]得到的試驗(yàn)結(jié)論類似.

2.2 干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)土-水特征曲線的影響

圖3為試樣4#經(jīng)歷3次干濕循環(huán)的土-水特征曲線.用含水率-吸力表示和用飽和度-吸力表示，試樣4#的含水率、飽和度均隨著吸力增加而降低，脫濕曲線與吸濕曲線也存在明顯的滯回效應(yīng).當(dāng)吸力小于100 kPa時(shí)，脫濕和吸濕曲線具有明顯的滯回特性；當(dāng)吸力大于100 kPa時(shí)，其滯回特性不明顯.

由圖3可知：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加脫濕與吸濕曲線均向左下方偏移；滯回圈面積隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小.首次干濕循環(huán)對(duì)滯回圈大小影響較大，而干濕循環(huán)2、3次后的滯回圈變化不大，這與Ng 和Pang[9]、Ho 等[10]得到的試驗(yàn)結(jié)果類似.主要原因是反復(fù)干濕循環(huán)作用下土樣孔隙內(nèi)可能殘存氣泡，從而阻止水分進(jìn)入孔隙，而孔隙內(nèi)的氣泡量趨于穩(wěn)定[6]，這樣逐漸減弱了干濕循環(huán)產(chǎn)生的影響；經(jīng)過多次干濕循環(huán)后，孔隙結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，土-水特征曲線基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，受干濕循環(huán)的影響小.

圖3 豫東粉土經(jīng)歷多次干濕循環(huán)的土-水特征曲線

3 SWCC的曲線擬合及預(yù)測(cè)方法

用Van Genuchten模型[14]對(duì)粉土的實(shí)測(cè)土-水特征曲線進(jìn)行了擬合.

(1)

式中：w是吸力ψ對(duì)應(yīng)的重力含水率；ws是飽和重力含水率；a、n、m是模型擬合參數(shù).

3.1 不同壓實(shí)度的SWCC的曲線擬合及預(yù)測(cè)

用Matlab中的Lsqcurvefit函數(shù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并得到Van Genuchten模型擬合參數(shù)，參見文獻(xiàn)[15].不同壓實(shí)度作用下的土-水特征試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合的曲線見圖4，擬合參數(shù)見表4.

從表4和圖4可以看出，其擬合度均在98%以上，擬合效果良好.Van Genuchten模型中的擬合參數(shù)a、n均隨著壓實(shí)度的增加呈非線性增加；而擬合參數(shù)m隨著壓實(shí)度的變化不大.

圖4 不同壓實(shí)度作用下土-水特征曲線的擬合

表4 不同壓實(shí)度下試樣的土水特征曲線的擬合參數(shù)

根據(jù)已知脫濕和吸濕曲線Van Genuchten模型中擬合參數(shù)隨壓實(shí)度的變化規(guī)律，建立與壓實(shí)度有關(guān)的函數(shù)，具體表達(dá)式為：

ad=10.214d3.3158；

(2)

aw=0.123d1.076；

(3)

nd=0.203lnd+0.210；

(4)

nw=-0.002d2+0.112d-0.363.

(5)

式中：d為壓實(shí)度；ad、nd為脫濕曲線擬合參數(shù)；aw、nw為吸濕曲線擬合參數(shù).

將式(2)、(4)帶入式(1)中，得到預(yù)測(cè)不同壓實(shí)度下土-水特征曲線的脫濕曲線表達(dá)式為

(6)

(7)

根據(jù)公式(6)、(7)，可預(yù)測(cè)豫東粉土任意壓實(shí)度的土-水特征的脫濕和吸濕曲線，如圖4所示.

3.2 干濕循環(huán)多次的SWCC的曲線擬合及預(yù)測(cè)

用Matlab中的Lsqcurvefit函數(shù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到Van Genuchten模型擬合參數(shù).不同干濕循環(huán)次數(shù)的土-水特征試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合的曲線如圖5所示，其擬合的參數(shù)具體見表5.從表5和圖5可知，擬合效果良好，Van Genuchten模型中的擬合參數(shù)a、n均隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈非線性減??；而m隨著干濕循環(huán)次數(shù)的變化不大.Van Genuchten模型中參數(shù)a與空氣進(jìn)氣值有關(guān)，在反復(fù)干濕循環(huán)下，試樣表面會(huì)出現(xiàn)些裂隙，氣體進(jìn)出導(dǎo)致試樣的進(jìn)氣值減小.

根據(jù)已知脫濕和吸濕曲線Van Genuchten模型中擬合參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，建立與干濕循環(huán)次數(shù)有關(guān)的函數(shù)，具體表達(dá)式為：

ad=0.347N2+49.92N-175.9;

(8)

aw=30.69e-0.53N;

(9)

nd=6.304e-0.04N.

(10)

圖5 干濕循環(huán)時(shí)土-水特征曲線的擬合

過程循環(huán)次數(shù)擬合參數(shù)anm擬合度18．05944．670．020．991脫濕過程27．8724．210．020．98836．7720．660．020．98716．4220．350．020．984吸濕過程24．9814．220．020．99034．4212．070．020．989

nw=13.35e-0.12N.

(11)

式中：N表示干濕循環(huán)次數(shù).

將式(8)、(10)帶入式(1)中，得到預(yù)測(cè)干濕循環(huán)多次土-水特征曲線的脫濕曲線表達(dá)式:

(12)

將式(9)、(11)帶入式(1)中，得到預(yù)測(cè)干濕循環(huán)多次土-水特征曲線的吸濕曲線表達(dá)式:

(13)

根據(jù)公式(12)和(13)，可預(yù)測(cè)干濕循環(huán)多次的豫東粉土土-水特征曲線脫濕曲線和吸濕曲線.

4 結(jié)論

(1)豫東粉土的土-水特征曲線的脫濕和吸濕曲線具有明顯的滯回特性，當(dāng)吸力大于100 kPa時(shí)滯回特性不明顯.土-水特征曲線用含水率和吸力關(guān)系表示時(shí)，含水率隨著壓實(shí)度和干濕循環(huán)次數(shù)的增大，脫濕和吸濕曲線均向左下方偏移；土-水特征曲線用飽和度和吸力關(guān)系表示時(shí)，脫濕和吸濕曲線隨著壓實(shí)度的增加均向右上方偏移，而隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加向左下方偏移.

(2)脫濕與吸濕曲線間的滯回圈面積隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小,首次干濕循環(huán)對(duì)滯回圈影響較大，而隨后干濕循環(huán)對(duì)滯回圈影響很小.

(3)通過建立Van Genuchten模型的參數(shù)與壓實(shí)度或干濕循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系，提出了可以預(yù)測(cè)不同壓實(shí)度和干濕循環(huán)多次后的豫東粉土土-水特征曲線的方法.

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Influence of Compaction Degree and Drying-wetting Cycle on the Soil Water Characteristic Curve of Yudong Silt

ZHANG Tao1,2, YUE Jinchao1, ZHANG Junran3

(1.School of Water Conservancy and Environment Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001,China; 2.Architectural Engineering Department, Henan Vocational and Techinical College of Communications, Zhengzhou 451400,China; 3.Henan Province Key Laboratory of Rock and Soil Mechanics and Structural Engineering，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China)

A series of the soil-water characteristic curve (SWCC) tests for Yudong silt with different compaction degree and wetting-drying cycles were conducted by the pressure plate apparatus with the GCTS model. The test results showed that the SWCC curves had obvious hysteresis phenomenon during the drying and wetting cycles when the value of the suction was less than 100 kPa. While the value of the suction was greater than 100 kPa, the SWCC hysteresis phenomenon was not obvious. The SWCC was expressed by the relations between suction and water content, the SWCC curves have a shift to the bottom and left trend with the increase in the compaction degree and drying-wetting cycles. When the SWCC is expressed by the relations between suction and saturation, the SWCC curves had a shift to the top and right trend with the increase in the compaction degree, while the SWCC curves had a shift to the bottom and trend with the increase in the wetting-drying cycles. The Lsqcurvefit function of the Matlab was adopted for fitting of the SWCC curves to get the fitting parameters of the Van Genuchten model. Through the relations between the fitting parameters and the compaction degree or drying-wetting cycles, the practical methods were proposed to predict the Yudong silt SWCC with different compaction degree or drying-wetting cycles.

compaction degree; drying-wetting cycle; Yudong silt; soil water characteristic curve; prediction

2015-10-20；

2015-12-28

河南省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014K44)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(14B580001;16B580001)

樂金朝(1965—)，男，河南信陽人，鄭州大學(xué)教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事巖土工程及道路工程研究工作,E-mail：yuejc@zzu.edu.cn．

1671-6833(2016)06-0053-05

U416.1

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.03.027