干密度對(duì)重塑花崗巖殘積土土水特征曲線影響

劉志達(dá) 劉文輝

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640； 2.廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060)

實(shí)際工程中大部分土體處于非飽和狀態(tài)，巖土工程許多領(lǐng)域已考慮土的非飽和性質(zhì)，土水特征曲線SWCC描述了土的體積含水率或飽和度與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系，在非飽和土力學(xué)中起著重要的作用[1]。通過土水特征曲線可以研究非飽和土的強(qiáng)度特性、體變特性及滲透性等性質(zhì)[2，3]。

非飽和土土水特征曲線的主要影響有土體類型、礦物成分、土體結(jié)構(gòu)、干密度、孔隙比及應(yīng)力歷史等。汪東林等[4]利用壓力板儀研究了擊實(shí)功、擊實(shí)含水率、干密度、應(yīng)力歷史和應(yīng)力狀態(tài)5個(gè)因素對(duì)非飽和重塑黏土土水特征曲線的影響。李保華等[5]利用壓力板儀考慮了土樣孔隙結(jié)構(gòu)、干密度及含水率對(duì)非飽和膨脹土土水特征曲線的影響。葉為寧等[6]通過滲析法和氣相法對(duì)上海地區(qū)軟土的土水特征曲線進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)其基本特性進(jìn)行分析。羅小艷等[7]采用貝葉斯理論分析花崗巖殘積土土水特征曲線擬合參數(shù)的不確定性，根據(jù)試驗(yàn)得到的土水特征曲線獲得Van Genuchten模型擬合參數(shù)的后驗(yàn)分布。湯連生等[8]采用滲析法得到花崗巖殘積土的土水特征曲線并對(duì)其進(jìn)行分析。

目前對(duì)于花崗巖殘積土的非飽和力學(xué)性能研究較少。因此，本文針對(duì)深圳福田區(qū)某基坑底部的花崗巖殘積土，采用壓力膜儀法研究重塑花崗巖殘積土脫濕過程中的土水特征曲線，并分析不同干密度對(duì)花崗巖殘積土土水特征曲線的影響。

1 土水特征曲線模型

為了有效預(yù)測(cè)土水特征曲線，不同的學(xué)者提出了大量不同的土水特征曲線模型，但大多數(shù)僅僅適合于低吸力段和中吸力的范圍，本文選取較常用的Gardenr模型、Van Genuchten模型及Fredlund & Xing模型[9]。

Gardenr模型：

Van Genuchten模型：

Fredlund & Xing模型：

其中，θw為體積含水率；θr為殘余含水率；θs為飽和含水率；s為基質(zhì)吸力；a,q,n均為擬合參數(shù)。

2 土水特征曲線試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)土樣

本次試驗(yàn)花崗巖殘積土土樣取值深圳市福田區(qū)某基坑底部，取樣深度為地下15 m，利用綜合分類法[10]考慮土樣顆粒級(jí)配和塑性指數(shù)可將土樣定名為黏土質(zhì)砂礫。土樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)見表1，顆分曲線見圖1。

表1 土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)儀器與方案

室內(nèi)土水特征曲線試驗(yàn)采用美國(guó)Soilmoisture公司生產(chǎn)的1500型15Bar壓力膜儀，該儀器能承受最大壓力為1 500 kPa。試樣采用重塑土樣，過2 mm篩。試樣采用22.6%初始含水率進(jìn)行配置，通過環(huán)刀制成試樣高為2 cm，試樣面積為30 cm2。為研究不同干密度對(duì)花崗巖殘積土土水特征曲線影響，制取干密度分別為1.45 g/cm3,1.64 g/cm3的試樣，具體試驗(yàn)方案見表2。

在試驗(yàn)前將各試樣進(jìn)行抽真空飽和處理，取出飽和試樣進(jìn)行稱量后迅速放入壓力膜儀進(jìn)行土水特征曲線試驗(yàn)，試驗(yàn)基質(zhì)吸力范圍為5 kPa～1 000 kPa，每級(jí)吸力下土樣在達(dá)到平衡狀態(tài)后重新稱取其質(zhì)量，通過試樣排水變化量計(jì)算出各級(jí)基質(zhì)吸力下的質(zhì)量含水率，最終可換算得到飽和度與基質(zhì)吸力關(guān)系曲線。

表2 不同干密度土樣基本參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由室內(nèi)試驗(yàn)得到各土樣基質(zhì)吸力與飽和度關(guān)系如表3所示，采用Van Genuchten(VG)模型、Fredlund & Xing(FX)模型及Gardenr模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合對(duì)比，各模型的擬合參數(shù)見表4。土水特征曲線典型形態(tài)如圖2所示，室內(nèi)試驗(yàn)得到的土水特征曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)及模型擬合曲線如圖3所示。

表3 不同基質(zhì)吸力下土體飽和度測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果

表4 不同模型擬合參數(shù)表

由圖2及圖3可知，在0 kPa～1 000 kPa范圍內(nèi)，花崗巖殘積土脫濕曲線并非表現(xiàn)為典型的“S”型曲線模式，這是由于受試驗(yàn)設(shè)備限制，只得到花崗巖殘積土脫濕過程中過渡段范圍的土水特征曲線。不同干密度下的土水特征曲線形態(tài)一致，隨著基質(zhì)吸力的增大，土樣飽和度不斷降低，由平緩下降過渡到迅速下降。干密度對(duì)重塑花崗巖殘積土土水特征曲線有著顯著影響，且主要影響范圍為土水特征曲線的過渡段，在較高的基質(zhì)吸力下，不同干密度的土水特征曲線有相互聚攏的趨勢(shì)。

干密度對(duì)花崗巖殘積土土水特征曲線影響的具體表現(xiàn)為：在同一基質(zhì)吸力下，土樣飽和度(持水性)隨干密度的增加而增大，即土樣的脫濕速率隨干密度增加而降低；在同一飽和度下，基質(zhì)吸力隨著干密度的增大而增大；試樣進(jìn)氣值也隨著干密度的增加而增大，試驗(yàn)得到試樣一和試樣二的進(jìn)氣值分別約為30 kPa,160 kPa。這主要是由于基質(zhì)吸力與土體孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，干密度大的土樣其內(nèi)部孔隙較小較少，連通性較差，且較小的孔隙使空氣難以進(jìn)入土樣，只有在較大的基質(zhì)吸力下水分才能從小孔隙中排除，從而導(dǎo)致干密度越大其脫濕速率越小，進(jìn)氣值越大。

根據(jù)表4及圖3可知Van Genuchten模型、Fredlund & Xing模型及Gardenr模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合得到的擬合優(yōu)度R2>0.98，均能較好的模擬花崗巖殘積土的土水特征曲線，所有模型擬合得到的殘余含水率都為0。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)不同干密度下的重塑花崗巖殘積土進(jìn)行室內(nèi)壓力膜儀法試驗(yàn)并得到相關(guān)土水特征曲線，利用常用的3種土水特征曲線模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得出如下結(jié)論：

1)不同干密度下的土水特征曲線形態(tài)一致，干密度對(duì)重塑花崗巖殘積土土水特征曲線有著顯著影響，且主要影響范圍為土水特征曲線的過渡段。干密度越大，由于其內(nèi)部孔隙越小，數(shù)量越少，孔隙連通性差，導(dǎo)致其持水性增強(qiáng)及進(jìn)氣值增大。相同飽和度下，干密度越大其基質(zhì)吸力越大，而較大的基質(zhì)吸力更利于土體穩(wěn)定，因此工程中需控制好土體干密度以維持建筑穩(wěn)定性。

2)Van Genuchten模型、Fredlund & Xing模型及Gardenr模型均可較好模擬花崗巖殘積土土水特征曲線，且所有模型擬合得到的殘余含水率都為0。