干濕循環(huán)作用下非飽和土的持水特性研究

溫 煦

(天津市勘察院，天津 300191)

0 引言

土—水特征曲線(Soil-Water Characteristic Curve，簡稱SWCC)的概念源于土壤水動力學(xué)，它是土的含水率(或飽和度)與土中吸力的關(guān)系曲線。SWCC反映了非飽和土吸水以及儲水能力，借助它可以直接得到不同含水率土體所處的吸力環(huán)境并可以間接推算出飽和土的強(qiáng)度和滲透系數(shù)等難以量測的土體參數(shù)。因此，本文從SWCC著手，研究了干濕循環(huán)條件下的非飽和土持水特性。

1 土—水特征曲線的影響因素

影響土—水特征曲線的因素主要有土的礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)、土體的收縮性、土的應(yīng)力歷史和溫度等［1］。但筆者認(rèn)為土的礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)是基本因素，其他因素往往是通過影響這兩個基本因素而起作用的。

1)土的礦物成分，包括土顆粒的礦物成分以及孔隙中可溶鹽成分。其影響反映在土體對水分的親和程度上，對于具有較強(qiáng)親水性的礦物組成的土體，它表現(xiàn)出的吸力也必然較大，反映在土—水特征曲線上，則為殘余含水量較大，曲線的斜率也變得平緩。

2)孔隙結(jié)構(gòu)，包括孔隙大小、級配和組成結(jié)構(gòu)等?？紫督Y(jié)構(gòu)影響土水作用面積和收縮膜的形狀，而后者決定吸力的大小。土體的孔隙尺寸小，進(jìn)氣值高，持水性強(qiáng)，則土—水特征曲線平緩?？紫督Y(jié)構(gòu)通常和粒徑、級配以及土骨架結(jié)構(gòu)相關(guān)，一般說來粒徑較小、級配良好的土體，其孔徑較小。此外，影響孔隙結(jié)構(gòu)的其他一些因素也間接影響著土—水特征曲線的形狀，如干密度、初始含水量、應(yīng)力路徑和應(yīng)力狀態(tài)等。

3)土體的收縮性，土體在干濕循環(huán)過程中所產(chǎn)生的收縮或膨脹必然會引起孔隙結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而影響土體的持水能力，改變土—水特征曲線的形狀。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)試樣取自河南新鄉(xiāng)，表1為基本物理性質(zhì)指標(biāo)，試驗(yàn)方法均參考《土工試驗(yàn)技術(shù)手冊》［2］《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［3］。

表1 試樣的基本物理指標(biāo)

2.1.1 濾紙法測定SWCC

濾紙法是將濾紙作為傳感器間接量測土中的吸力，與其他量測方法相比，濾紙法具有成本低、不易損壞、不需外加電壓、不受外加電壓變動影響的特點(diǎn)，同時，同一型號的濾紙具有相同的吸力與含水率率定曲線，不需像其他探頭那樣使用前必須進(jìn)行率定。

用濾紙法可測定土中的總吸力或基質(zhì)吸力，其原理是濾紙能夠同具有一定吸力的土在水分傳遞上達(dá)到平衡，當(dāng)濾紙(干的或濕的)與土樣接觸時，水分將在兩者之間遷移，直至最終平衡。因此，可通過量測濾紙平衡時的含水率并借助該型號濾紙的率定曲線間接獲取土樣的總吸力或基質(zhì)吸力。

本文選用whatman NO.42濾紙的率定公式為［4］:

其中，S為吸力，kPa;wf為含水率，%。

2.1.2 非飽和固結(jié)儀測定SWCC

本文用于測定土—水特征曲線的非飽和土固結(jié)儀基于軸平移技術(shù)測定基質(zhì)吸力。儀器可以測試的最大基質(zhì)吸力一般不超過1000kPa。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案見表2。

表2 試驗(yàn)方案

表中的曲線編號中的字母D(Dry)量測土樣處于干燥過程的SWCC曲線，W(Wet)表示處于增濕過程，連字符后的數(shù)字表示制備土樣的初始干密度。本試驗(yàn)主要包括兩大組試驗(yàn):干燥過程和增濕過程，每組試驗(yàn)分別包括干密度為1.55g/cm3，1.65g/cm3，1.75g/cm3(對應(yīng)的相對密實(shí)程度分別為 85.6%，91.2%，96.7%)三種不同試樣。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 干燥過程

圖1 干燥過程SWCC

圖1為三種初始干密度的試樣處于干燥過程的土—水特征曲線，從圖中可以看出干燥過程的土—水特征曲線具有以下基本特征:

1)各試樣的飽和度隨著基質(zhì)吸力的增大而減小;在相同吸力下，飽和度隨著初始干密度的增大而增大，土—水特征曲線呈現(xiàn)右移趨勢;

2)初始干密度對土體的進(jìn)氣值有一定的影響。干密度為1.55g/cm3的曲線，有兩個比較明顯的拐點(diǎn)，干密度為1.65g/cm3的曲線也有兩個拐點(diǎn)，但不是很明顯，干密度為1.75g/cm3的曲線則只有一個拐點(diǎn)，出現(xiàn)這種情況主要是因?yàn)橥翗又械目障斗植疾⒉痪鶆?，在土樣中可能存在相對較大的裂隙，干密度越小的土樣存在大裂隙的可能性越大，裂隙也越大，因此在小吸力的時候土樣就已經(jīng)進(jìn)氣，SWCC在小吸力范圍內(nèi)出現(xiàn)拐點(diǎn)。但土樣中的大裂隙很少，因此繼續(xù)增加吸力時，SWCC再次出現(xiàn)平緩階段，直至出現(xiàn)第二個拐點(diǎn)。

2.3.2 增濕過程

圖2 增濕過程SWCC

圖2為干密度為1.65g/cm3和1.75g/cm3的試樣增濕過程的土—水特征曲線。可以得到以下結(jié)論:

1)試樣的飽和度隨著基質(zhì)吸力的減小而增大;

2)在吸力大于進(jìn)氣值時，兩條曲線基本重合。在吸力小于進(jìn)氣值時，飽和度隨著初始干密度的增大而增大，土—水特征曲線呈現(xiàn)上移趨勢;密度對于土體的進(jìn)氣值有一定的影響，大密度的土樣的進(jìn)氣值較小密度土樣的進(jìn)氣值小。

2.3.3 一次干濕循環(huán)

圖3 ρd=1.65g/cm3 一次干濕循環(huán)SWCC

圖4 ρd=1.75g/cm3 一次干濕循環(huán)SWCC

圖3和圖4分別為干密度為1.65g/cm3和1.75g/cm3的土樣一次干濕循環(huán)過程的土—水特征曲線。從圖中可以看出干濕循環(huán)對土樣的土—水特征曲線的影響基本如下:

1)土樣的增濕曲線與干燥曲線的走勢基本一致，但具有非常明顯的滯后現(xiàn)象:增濕過程較干燥過程相同吸力對應(yīng)的飽和度明顯減小;土樣的進(jìn)氣值也有減小;

2)干密度為1.65g/cm3的土樣，增濕過程只有一個進(jìn)氣值，而不是像干燥過程中有兩個進(jìn)氣值。這是因?yàn)樵诮?jīng)歷了一次干濕循環(huán)，土樣經(jīng)歷了一次脹縮過程，土體內(nèi)的裂隙進(jìn)一步開展，土樣中的較大裂隙增加，因此像干燥過程中少量較大裂隙的特殊影響基本消失，不會出現(xiàn)兩個進(jìn)氣值的現(xiàn)象。這也可以解釋增濕過程較干燥過程進(jìn)氣值變小的現(xiàn)象;

3)干密度為1.75g/cm3的土樣曲線的滯后現(xiàn)象比干密度為1.65g/cm3的土樣曲線更加明顯。這是因?yàn)樵诮?jīng)歷了一次干濕循環(huán)的過程中，密度大的土樣的膨脹程度會更大，土樣中裂隙開展的相對比例也比密度小的土樣大，由新增的土中孔隙的幾何形狀所引起，因此增濕和干燥兩個過程存在的瓶頸現(xiàn)象在密度大土樣中表現(xiàn)的更加明顯，而導(dǎo)致相同的吸力值對應(yīng)于飽和度的減小量不同。

2.3.4 干濕循環(huán)作用下土—水特征曲線擬合

王釗等［5］根據(jù)擬合參數(shù)的個數(shù)對現(xiàn)有的土—水特征曲線方程進(jìn)行分類，對方程中重要參數(shù)的意義進(jìn)行探討，并分析現(xiàn)有方程的擬合效果。結(jié)合本文試驗(yàn)，固結(jié)儀受陶土板進(jìn)氣值的限制無法測得完整的土—水特征曲線，在缺少殘余含水率θr以及殘余含水率對應(yīng)的吸力ψr情況下，式(2)更適合擬合本文試驗(yàn)結(jié)果。

其中，a，m，n均為擬合參數(shù)，a為與土的進(jìn)氣值有關(guān)的參數(shù)，kPa，n為控制SWCC拐點(diǎn)處坡度的參數(shù)，m為與參與含水率有關(guān)的參數(shù);θ為體積含水率，%;θs為飽和土的體積含水率(φ=0，θ=θs);ψ 為吸力，kPa。

利用式(2)對SWCC進(jìn)行擬合，應(yīng)用Origin軟件，得到相應(yīng)的吸力—飽和度的擬合曲線，見圖5～圖9。從擬合曲線可以知道，擬合方程式能夠較好的擬合出本文的試驗(yàn)曲線。

圖5 干密度為1.55g/cm3（干燥曲線）

圖6 干密度為1.65g/cm3（干燥曲線）

圖7 干密度為1.75g/cm3（干燥曲線）

圖8 干密度為1.65g/cm3（增濕曲線）

圖10為三種初始干密度的試樣處于干燥過程的土—水特征曲線擬合曲線，從圖中可以更為清晰的看出干燥過程的土—水特征曲線具有以下基本特征:

1)各試樣的含水率隨著基質(zhì)吸力的增大而減小;

2)初始干密度對土體的進(jìn)氣值有一定的影響，即土體進(jìn)氣值隨土樣的初始干密度的增大而增大，這是因?yàn)橛捎诔跏几擅芏仍酱螅嬖谟谕馏w中的孔隙體積越小，越難進(jìn)氣，因此初始干密度越大土樣也需要加到越大的吸力才能進(jìn)氣。

圖9 干密度為1.75g/cm3（增濕曲

圖10 干燥過程擬合曲線

3 結(jié)語

本文使用兩種試驗(yàn)方法，針對三種初始干密度的試樣量測一次干濕循環(huán)的土—水特征曲線。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可得到以下結(jié)論:

1)干燥過程中，干密度小的試樣土—水特征曲線會明顯出現(xiàn)兩個進(jìn)氣值，但隨著干密度的增大，這種現(xiàn)象逐漸減弱，并最終表現(xiàn)為單進(jìn)氣值。進(jìn)氣值隨干密度的增大而減小。增濕階段的土—水特征曲線有明顯的滯后現(xiàn)象，且密度越大，滯后越明顯，說明初始狀態(tài)對土體持水性能有影響，表現(xiàn)為干密度越大，土體的持水性能越差;

2)增濕過程較干燥過程，相同吸力對應(yīng)的飽和度明顯減小;土樣的進(jìn)氣值也有減小，說明經(jīng)歷干濕循環(huán)過程，使土體的持水能力提高;

3)本文利用現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)公式對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得到了較好的擬合效果。

［1］劉艷華，龔壁衛(wèi)，蘇 鴻.非飽和土的土水特征曲線研究［J］.工程勘察，2002(3):8-11.

［2］南京水利科學(xué)研究院土工實(shí)驗(yàn)所.土工試驗(yàn)技術(shù)手冊［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［3］GB/T 50123-1999，土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］Chandluer R.I.，Gutierret，C.I..The filter paper method of suction measurement［J］.Geotechnique，1986，36(2):265-268.

［5］胡 波，肖元清，王 釗.土—水特征曲線方程參數(shù)和擬合效果研究［J］.三峽大學(xué)學(xué)報，2005，27(1):31-33.