顆粒分析曲線在土水特征曲線預(yù)測中的應(yīng)用

王 婧 呂意錕 曾 剛

(湖北文理學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，湖北 襄陽 441053)

0 引言

在地球表面廣泛分布的天然地表沉積土大多處于非飽和狀態(tài)，非飽和土的研究對于工程實際應(yīng)用有著非常重要的作用。土水特征曲線(SWCC)是非飽和土滲透特性的關(guān)鍵參數(shù)之一，是描述基質(zhì)吸力與體積含水量、重力含水量或飽和度之間的關(guān)系，可與飽和土力學(xué)一維固結(jié)理論中壓縮曲線相媲美[1]。

非飽和土中水的流動是個很緩慢的過程，要達(dá)到水氣的穩(wěn)定狀態(tài)需要較長的時間，因此SWCC的測定是個費時費力的過程。直接測試法有：體積壓力板儀、Tempe儀和TDR基質(zhì)吸力量測法等，這些方法有的取決于陶土板的進(jìn)氣值，且只能獲得吸力較低下的SWCC。如要獲得完整的SWCC，需要利用這些有限的實測數(shù)據(jù)和相關(guān)計算模型預(yù)測得到。論文介紹了由土壤粒級分布來獲得SWCC的簡便方法。

1 顆分曲線計算SWCC理論介紹

Arya等根據(jù)SWCC與土顆粒累積分布曲線在形狀上相似的特點，提出了根據(jù)土的粒徑分布和干密度來計算SWCC的物理經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚2]。具體步驟內(nèi)容如下所述。

1)孔隙體積與體積含水率。

將土的累積粒徑分布曲線分成n份，即：

Vvi=(Wi/ρp)ei=1,2,…,n

(1)

其中，Vvi為第i級的土粒空隙體積；Wi為第i級的土粒質(zhì)量；ρp為土粒質(zhì)量密度；e為空隙比?？障侗萫與土粒質(zhì)量密度ρp、土的干密度ρb有以下關(guān)系：

e=(ρp-ρb)/ρb

(2)

假定土在充水過程中是先充滿小空隙，再充滿大空隙，則土的含水率為小于i級土空隙的累加：

(3)

其中，θvi為第i級土空隙充滿水時的體積含水率；Vb為單位土體的體積。

(4)

式(3)又可以寫作:

(5)

取相鄰兩個級別體積含水率的中值作為對應(yīng)較大級別空隙的體積含水率。

(6)

2)基于以下所給的三個基本假設(shè)，可得到土粒粒徑與空隙半徑。

a.第i級土粒為球狀，等效粒徑為Ri；

b.第i級土空隙為圓柱毛管狀，其半徑ri與Ri有關(guān)；

c.第i級土由ni個等效粒徑為Ri的土粒組成，其毛管狀空隙總長度為li。

則第i級土粒體積與土空隙體積分別由式(7),式(8)求得。

(7)

(8)

兩式相除可得:

(9)

根據(jù)上述假設(shè)，對于毛管狀空隙總長度li，可近似認(rèn)為該值是沿著空隙通道分布的土顆粒大小的倍數(shù)。則對于理想化的由球狀

(10)

則第i級土顆粒的個數(shù)ni經(jīng)由式(10)代入式(7)可得：

(11)

根據(jù)毛細(xì)管作用原理，與θi對應(yīng)的基質(zhì)吸力水頭為:

(uα-uw)i/ρwg=2Tscosφ/ρwgri

(12)

由式(6),式(12)可獲得相應(yīng)的土水特征曲線。

2 顆分曲線在預(yù)測SWCC中的應(yīng)用

試驗所用的土樣來源為某工程土方開挖的粘土，其基本物性指標(biāo)如表1所示，顆粒分析曲線如圖1所示。

1)土基本物性指標(biāo)。

表1 土常規(guī)物性指標(biāo)

2)顆粒分析試驗。

由土力學(xué)分類標(biāo)準(zhǔn)得實驗土樣定義為低塑限粉質(zhì)粘土，且級配良好。SWCC的計算過程如表2，表3所示。

表2 體積含水量計算過程表

表3 基質(zhì)吸力計算過程表

由表2和表3中體積含水量和基質(zhì)吸力數(shù)據(jù)，可得到試樣的SWCC，如圖2所示。

3 結(jié)語

通過土的基本常規(guī)試驗，得到土的基本物性指標(biāo)和顆粒分析曲線，介紹了由顆粒分析試驗曲線預(yù)測SWCC的物理經(jīng)驗?zāi)Ｐ停⑦M(jìn)行了實際應(yīng)用計算出了土樣的SWCC，該方法操作簡單。