南陽膨脹土凍融循環(huán)后的土水特征試驗研究

，建磊， ，

(1. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098；2. 中國電建集團 中南勘測設(shè)計研究院有限公司，長沙 410014； 3. 江蘇省鎮(zhèn)江市京口區(qū)農(nóng)業(yè)委員會，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

1 研究背景

隨著寒區(qū)工程的建設(shè)，季節(jié)性凍土區(qū)的膨脹土由于凍融循環(huán)作用產(chǎn)生的潛在危害逐漸引起了關(guān)注[1-2]。土水特征曲線(Soil-Water Characteristic Curve，以下簡稱SWCC)指的是吸力ψ與質(zhì)量含水率、體積含水率或飽和度之間的關(guān)系，本質(zhì)上反映了非飽和土與吸力相關(guān)的持水能力。膨脹土是一種典型的非飽和土，研究其SWCC對分析和預(yù)測膨脹土的水力性質(zhì)、滲透系數(shù)以及抗剪強度等具有重要意義。

目前，對于膨脹土土水特征的研究已經(jīng)取得了一系列的成果。例如，Puppala等[3]用壓力板儀測試了Texas天然和改良膨脹土的SWCC，研究了穩(wěn)定劑對土水特征曲線的影響。邊加敏[4]以某邊坡弱膨脹土及石灰改良膨脹土為試驗對象，結(jié)合前人相關(guān)SWCC試驗結(jié)果，對比發(fā)現(xiàn)石灰改良膨脹土的水穩(wěn)定性更好。白福青等[5]完善了“雙圈”No.203型濾紙的吸力率定曲線，測試了含水率介于16%～30%的南陽中膨脹土的SWCC。孫德安等[6]利用壓力板法、濾紙法和蒸汽平衡法，測出了南陽膨脹土全吸力范圍內(nèi)的SWCC，分析了其滯回效應(yīng)及脫、吸濕路徑下含水率、吸力、孔隙比以及飽和度之間的關(guān)系。Miao等[7]測定了南陽膨脹土的土水特征曲線，發(fā)現(xiàn)3次干濕循環(huán)后，土體的脫、吸濕曲線存在明顯的滯回現(xiàn)象，隨著循環(huán)次數(shù)變大該效應(yīng)逐漸減小。周葆春等[8]通過試驗得出了吸力作用下膨脹土的體變方程，分別用重力含水率和飽和度表征的土水特征方程。黃志全等[9]利用濾紙法測得非飽和膨脹土的總吸力及基質(zhì)吸力SWCC，并使用毛細(xì)滯回內(nèi)變量模型進行計算擬合。由此可見，以往研究成果大多集中在探究干濕、體變、改性等條件對膨脹土土水特征曲線的影響，而考慮凍融條件下膨脹土土水特征曲線的研究還少見報道。

南水北調(diào)中線工程的膨脹土渠道容易遭受季節(jié)性凍融的影響。本文以南陽膨脹土為對象，采用濾紙法測定經(jīng)歷不同凍融次數(shù)的膨脹土吸力，研究凍融循環(huán)對膨脹土土水特征的影響規(guī)律，可供處在季節(jié)性凍土區(qū)的膨脹土工程建設(shè)及維護提供參考。

表1 膨脹土的基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of expansive soil

2 濾紙法工作原理

濾紙法最早由Gardner[10]于1937年提出。根據(jù)熱力學(xué)平衡原理，當(dāng)水氣在土體、濾紙、空氣之間穩(wěn)定時，由濾紙含水率及其吸力間的關(guān)系(濾紙率定方程)，根據(jù)濾紙含水率即可確定被測土體的吸力。

濾紙法的工作原理如圖1[5]所示，該方法通過測試從土體向濾紙遷移的水量，得到土體的吸力值，包括接觸式和非接觸式2種。由接觸式濾紙確定基質(zhì)吸力，由非接觸式濾紙確定總吸力。非接觸式濾紙放置在土樣上部，以便其吸收水蒸氣，達到平衡時，濾紙吸收的水分與土體孔隙氣體的相對濕度、總吸力有關(guān)；當(dāng)采用接觸式濾紙法時，需把濾紙放置在土樣內(nèi)部，使其與土充分接觸，此時由土體移動到濾紙中的水份和基質(zhì)吸力有關(guān)(毛細(xì)作用和土顆粒表面吸附作用)。通常，為了避免測量濾紙受到污染，用2張保護濾紙把測量濾紙夾在中間，呈“三明治”狀疊合在一起[11]。

圖1 濾紙法工作原理示意圖[5]Fig.1 Configuration of filter paper method[5]

3 試驗概況

3.1 試驗材料

3.1.1 膨脹土

試驗土料為南水北調(diào)中線工程輸水總干渠南陽段膨脹土，根據(jù)土工試驗規(guī)程[12]相關(guān)要求，測試得到的南陽膨脹土基本物理性質(zhì)見表1。

3.1.2 濾 紙

本次濾紙法試驗所用濾紙為“雙圈”牌203型定量濾紙，標(biāo)號等同文獻[5]。

本文采用的濾紙率定方程[5,13]為：

式中：ht為總吸力(kPa)；hm為基質(zhì)吸力(kPa)；wfp為濾紙含水率(%)。

3.2 試驗過程

3.2.1 試樣制備

由現(xiàn)場試驗段的膨脹土填筑料的壓實度控制指標(biāo)為90%，控制土樣干密度為1.6 g/cm3。具體制樣步驟為：①將膨脹土風(fēng)干、搗碎，過2 mm篩，使用烘干法測其初始含水率；②按照20%的含水率計算風(fēng)干土所需加水量，并用噴壺向風(fēng)干土中均勻噴水，攪拌均勻后裝袋密封一晝夜，使水分均勻；③采用擊實法制樣，試樣直徑6.18 cm，高5.0 cm，每個試樣包括2個高2.5 cm的小樣；④合計制備35個試樣，編號分成5組，并通過風(fēng)干脫水、裝袋保水、加水浸泡等方法調(diào)節(jié)試樣的含水率，使每組具有7個不同的含水率。

3.2.2 凍融試驗

將制備好的試樣包裹保鮮膜后放入河海大學(xué)水工結(jié)構(gòu)研究所的試驗裝置[14]中進行凍融試驗(精度為±1 ℃)。許雷等[15]的研究表明，凍融循環(huán)對南陽中膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)影響最大的凍結(jié)溫度為-10 ℃，本次試驗土樣在-10 ℃放置12 h，接著在室溫(20 ℃)下融化12 h，為一次凍融循環(huán)，取經(jīng)過0,1,2,5,9次凍融的土樣進行研究。

3.2.3 吸力量測

將經(jīng)過不同凍融次數(shù)的試樣取出，去除保鮮膜，放入事先編號的密封罐中(密封罐高8.5 cm，體積600 cm3)。每個試樣中部鋪放3張烘干濾紙(上下為保護濾紙，直徑6 cm，中間為測試濾紙，直徑5 cm)，并用絕緣膠帶將土樣中部粘貼好;土樣上方放置2 cm高的鏤空架，架子上放2張非接觸濾紙(下面1張起保護作用，上面1張用于測試)，而后封閉密封罐，放入YH-40B型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護箱靜置10 d(保溫箱溫度控制為25～27 ℃，同文獻[13]率定基質(zhì)吸力時所需的條件)，如圖2所示。

圖2 濾紙法測試膨脹土吸力示意圖Fig.2 Illustration of filter paper test to measure the suction of expansive soil

當(dāng)濾紙含水率平衡后，用鑷子將試樣中的測試濾紙從密封罐中取出放入干鋁盒，用電子天平(精度為0.000 1 g)測量濕濾紙+干鋁盒的質(zhì)量。然后將濾紙及干鋁盒放在烘箱內(nèi)烘烤24 h(溫度設(shè)定為105 ℃)，稱量烘干后的濾紙+鋁盒重。將計算所得的濾紙平衡含水率代入濾紙率定方程可得試樣的基質(zhì)吸力hm和總吸力ht，滲透吸力則為總吸力與基質(zhì)吸力之差(h0=ht-hm)。另外，由于濾紙質(zhì)量輕、對水分較敏感，在取樣及稱量過程中應(yīng)盡量避免手接觸濾紙，快速稱量，從而避免在此過程中由于濾紙含水率變化而產(chǎn)生的誤差。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 土水特征試驗結(jié)果

對于每一組的7個試樣，經(jīng)過相同的凍融循環(huán)次數(shù)后，由試驗測得濾紙的平衡含水率，按照式(1)和式(2)得到不同含水率土樣的總吸力和基質(zhì)吸力。土樣的含水率由取自試樣中心的土體經(jīng)烘干法測量得到。將經(jīng)歷不同凍融次數(shù)(0，1，2，5，9)的土樣測得的一系列吸力-含水率試驗序列點分別描繪在同一坐標(biāo)系下，如圖3所示，其中wss為重力含水率。其中滲透吸力數(shù)值是通過總吸力與基質(zhì)吸力試驗點數(shù)值相減所得。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下膨脹土的土水特征曲線Fig.3 SWCCs of expansive soil at different freeze-thaw cycles

由試驗數(shù)據(jù)點趨勢可以看出，對于含水率介于14%～26%的南陽中膨脹土擾動樣，經(jīng)過不同凍融循環(huán)次數(shù)后，其總吸力、基質(zhì)吸力及滲透吸力均隨試樣含水率的增加而減??；當(dāng)土樣含水率較大時，滲透吸力與總吸力相差不大；反之當(dāng)土樣含水率較低時，基質(zhì)吸力與總吸力接近，此時滲透吸力相對較小。這與白福青等(2011)[5]測得的規(guī)律表現(xiàn)出較好的一致性。

4.2 土水特征曲線擬合及參數(shù)分析

SWCC是非飽和土力學(xué)研究中的一條重要曲線，其擬合參數(shù)可以反映和分析非飽和土的多種性質(zhì)，在試驗測定的基礎(chǔ)上，對試驗數(shù)據(jù)采用一定的SWCC擬合模型，即可將曲線擬合，得到SWCC擬合參數(shù)[16]。

描述土水特征的模型，常常由曲線形狀和經(jīng)驗總結(jié)得到，其中基質(zhì)吸力SWCC擬合模型中，常用的有Van Genuchten模型、Gardner模型、Fredlund-Xing模型[17]，3種模型的簡化方程式如表2所示。為了選擇較好的擬合模型，本文分別用以上3種模型對基質(zhì)吸力-含水率的試驗數(shù)據(jù)點進行曲線擬合，擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)見表2。

表2 基質(zhì)吸力與土體含水率的擬合模型表達式及其相關(guān)參數(shù)Table 2 Expressions and parameters of fitting curves between matric suction and water content of soil

注：hm為基質(zhì)吸力，ws為飽和重力含水率，wss為重力含水率，其余均為擬合參數(shù)

從表2中可以看出，3種模型均可較好地擬合本次試驗所得的數(shù)據(jù)點，但與Gardner模型和Fredlund-Xing模型相比，Van Genuchten模型(以下簡稱VG模型)相關(guān)性更好，因此本文選取VG模型擬合基質(zhì)吸力隨土體含水率的變化關(guān)系，得到的基質(zhì)吸力SWCC，如圖3中的粗實線所示。總吸力與土樣含水率的關(guān)系參照文獻[5]采用冪函數(shù)模型擬合，擬合公式為lg(ht)=bw-css，其中b，c為擬合參數(shù)，ht為總吸力值，wss為重力含水率，總吸力與土樣重力含水率的擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)見表3。

表3 總吸力與土體含水率的擬合模型相關(guān)參數(shù)Table 3 Parameters of fitting curves between total suction and water content of soil

由表3可見，用冪函數(shù)擬合總吸力與土樣含水率的相關(guān)系數(shù)R均在0.99以上，且表達形式簡單，擬合參數(shù)容易確定，在實際應(yīng)用中，可以迅速確定土體的總吸力土水曲線，以預(yù)測和分析土體的水力性質(zhì)、滲透性質(zhì)、抗剪強度等。本試驗擬合得到的總吸力SWCC如圖3中的細(xì)實線所示。滲透吸力與土樣含水率的關(guān)系采用虛線進行標(biāo)識，如圖3。

為了了解土水特征曲線擬合參數(shù)在凍融中變化的規(guī)律，將表2中 VG模型和表3冪函數(shù)模型中的擬合參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系繪于圖4。

圖4 hm-wss和ht-wss曲線擬合參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系 Fig.4 Relationship between the fitting parameters of hm-wss and ht-wss curves and the number of freeze-thaw cycles

由圖4(a)可知，VG模型參數(shù)在凍融循環(huán)過程中均先增大后減小，并在第2次凍融后逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定的參數(shù)取值分別為a≈175，n≈0.7，m≈0.74，即基質(zhì)吸力與土體含水率經(jīng)歷多次凍融后趨于一個穩(wěn)定的表達式，此表達式為

(3)

由圖4(b)可知，總吸力土水特征曲線的冪函數(shù)模型擬合參數(shù)b隨凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸減小并趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值在8.8左右；擬合參數(shù)c在凍融中變化幅度不大，基本穩(wěn)定在為0.39左右。經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后土水特征曲線各參數(shù)的穩(wěn)定值可為深入了解季節(jié)性凍土區(qū)的膨脹土水力、力學(xué)特性以及模型建立提供一定的參考價值。

4.3 凍融循環(huán)對土水特征曲線的影響

分別采用VG模型和冪函數(shù)模型擬合本試驗的基質(zhì)吸力土水曲線和總吸力土水曲線，將不同凍融循環(huán)次數(shù)下的曲線繪制在同一坐標(biāo)系下，分別如圖5(a)和圖5(b)所示。由于滲透吸力h0為計算值，并非實測值，不宜采用曲線擬合，故統(tǒng)計其標(biāo)記散點，如圖5(c) 所示。

圖5 不同凍融次數(shù)下膨脹土土水特征比較Fig.5 Comparison of soil-water characteristics of expansive soil in different freeze-thaw cycles

從圖5(a)的基質(zhì)吸力土水特征曲線可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)不斷增大，曲線總體向左下方偏移，進氣值逐漸減小，持水性能降低，其中前2次凍融循環(huán)后曲線向左下方偏移得最為明顯。這個規(guī)律可以用毛細(xì)管的Young-Laplace方程來解釋,即

(4)

式中：uwa為氣泡壓力；(ua-uw)b為進氣時氣壓與水壓之差，即氣泡壓力；Ts為水氣交界面上的表面張力；Rs為進氣材料孔隙的最大有效半徑。

由公式(4)可知，孔隙半徑越小，進氣時壓力值越大。由于未經(jīng)凍融作用的土樣孔隙未遭到損傷破壞，其孔隙較小，進氣值較大；而經(jīng)歷了多次凍融作用后的土樣孔隙在孔隙冰的反復(fù)凍結(jié)膨脹作用下，產(chǎn)生了較大的有效孔隙半徑，使得進氣值減小。以往的研究表明，初次凍融循環(huán)對土體結(jié)構(gòu)損傷較大，顯著改變土體內(nèi)部的排列方式[18-19]。本試驗中，前2次凍融對孔隙的改變作用最為強烈，從而圖5(a)中表現(xiàn)出0,1,2次循環(huán)進氣值差別較大，而后面的凍融作用對孔隙的影響趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致進氣值減小趨勢基本穩(wěn)定。

從圖5(b)的總吸力土水曲線可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，總吸力曲線也逐漸向左下方偏移，且同樣表現(xiàn)為第1、第2次凍融時，曲線變化最為明顯。從圖5(c)的滲透吸力統(tǒng)計散點圖可知，滲透吸力均隨著含水率的增大逐漸減小；經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后，與基質(zhì)吸力和總吸力土水特征曲線隨凍融循環(huán)變化規(guī)律不同，滲透吸力數(shù)值并無太大差別。前期研究表明凍融過程中土樣采用保鮮膜包裹能有效地防止水分的蒸發(fā)損失[20]，本次試驗同樣采用該辦法防止水分損失，故在凍融中試樣的含水率基本維持不變。而在非飽和土中，滲透吸力與溶液濃度有關(guān)[21]，不同凍融次數(shù)下土樣中的溶質(zhì)濃度基本保持不變，因此滲透吸力的數(shù)值基本保持穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

本文采用濾紙法測定了不同凍融循環(huán)次數(shù)下南陽膨脹土的土水特征，并對其基質(zhì)吸力和總吸力與含水率的關(guān)系進行了曲線擬合，主要結(jié)論如下：

(1)經(jīng)歷凍融作用后，膨脹土試樣的基質(zhì)吸力、總吸力和滲透吸力均隨著含水率的增大而減小，當(dāng)含水率較大，滲透吸力與總吸力接近相等；當(dāng)土樣含水率較小時，基質(zhì)吸力與總吸力距離接近，滲透吸力部分相對較小。

(2)在凍融循環(huán)中，由于孔隙冰的反復(fù)凍結(jié)膨脹作用，膨脹土試樣有效孔隙半徑變大，基質(zhì)吸力和總吸力土水曲線總體向左下方偏移，進氣值逐漸減小，持水性能降低；滲透吸力隨著含水率的增加逐漸減小，但經(jīng)歷不同凍融次數(shù)的膨脹土試樣，其滲透吸力數(shù)值并無顯著差別。

(3)采用VG模型和冪函數(shù)模型分別擬合本試驗中的基質(zhì)吸力土水曲線和總吸力土水曲線，相關(guān)系數(shù)高，形式簡單，便于實際應(yīng)用。模型參數(shù)在凍融循環(huán)初始時，波動幅度較大，在凍融循環(huán)過程中，參數(shù)變化幅度逐漸變小并趨于不變，本試驗中的穩(wěn)定值為：a≈175,n≈0.7,m≈0.74,b≈8.8，c≈0.39，可為深入了解季節(jié)性凍土區(qū)膨脹土的水力、力學(xué)特性以及模型的建立提供參考。