三門峽黃土結構性對土水特征曲線的影響

宋陳雨， 霍繼煒， 高宇甲， 劉江江， 姜彤， 吳琦*， 張俊然

(1．華北水利水電大學 地球科學與工程學院， 河南 鄭州 450046； 2．中建七局第四建筑有限公司)

1 前言

黃土的結構疏松，垂直節(jié)理發(fā)育，多處于非飽和狀態(tài)，是一種典型的結構性土，結構性是其發(fā)生濕陷的重要原因。土的結構性是指構成土體的顆粒大小，形態(tài)以及分布特征，膠結物的膠結形式，孔隙的分布、形態(tài)、大小以及數量。

近年來，黃土高原地區(qū)的基礎建設大規(guī)模開展，由于地形條件的限制，出現人工切坡現象，形成大量的工程黃土邊坡，坡率直接影響黃土邊坡的穩(wěn)定性。工程建設過程中的黃土常處于非飽和狀態(tài)，在降雨、蒸發(fā)等條件下，黃土的結構會發(fā)生改變，黃土地區(qū)的建筑物及路基會受到嚴重影響，建筑墻體開裂、錯動甚至塌方，路基不均勻沉降、內部空腔等，產生的危害極為嚴重；張宏博等研究得出透水性混凝土樁能顯著提高黃泛區(qū)粉性土復合地基承載力；潘明等對不同含水率的重塑黃土進行三軸試驗研究其強度特性；李明針對黃土地區(qū)公路路基沉陷，采用鋁粉水泥漿注漿對其處治；房建宏等研究青海黃土的工程特性提出相應的公路修筑對策；馬林等研究了交通重載作用下黃土路基變形特性。

土水特征曲線(簡稱SWCC)是表示非飽和土的吸力(基質吸力、總吸力)與含水率(重力含水率、體積含水率或飽和度)之間關系的曲線。在非飽和土的研究中，土體的滲透系數、孔隙水分布特征和土體強度均可以通過土水特征曲線反映。影響黃土的工程性質以及相關力學性質的主要因素就是水，土水特征曲線是衡量非飽和黃土土壤和水分之間相關關系以及兩者之間特征的重要曲線。因此系統(tǒng)研究三門峽黃土結構性對土水特征曲線的影響顯得非常重要。

目前已有大量學者針對黃土的結構性進行了系統(tǒng)研究。崔靖俞采用掃描電鏡和顆粒及裂隙圖像分析系統(tǒng)研究原狀黃土濕陷性與微觀結構的關系；關于黃土土水特征曲線的研究，侯曉坤等研究了不同深度處原狀黃土的土水特征曲線；伊盼盼等設計了流動試驗，利用模型快速地反演出土水特征曲線；李萍等采用原狀黃土以及重塑黃土，設計單點法試驗預測出土水特征曲線；范珊等分析了邊坡穩(wěn)定性與土水特征曲線之間的關系，得出不同地區(qū)的黃土基質吸力與抗滑力之間的聯系；許建研究了西安地區(qū)原狀黃土和重塑黃土在凍融過程中強度的變化；梁燕等研究了含水率和滲水方向對原狀黃土土水特征曲線的影響；郭鴻等采用Soil Vision軟件建模分析，預測出原狀黃土的土水特征曲線；劉奉銀等控制密度和干濕循環(huán)次數研究黃土的土水特征曲線。

綜上所述，目前針對黃土地區(qū)基礎建設中人工邊坡和公路路基的研究較多，工程中邊坡失穩(wěn)、建筑物墻體開裂、路基沉陷等問題亟待解決。非飽和黃土微觀結構和土水特征曲線的獨立研究相對較多，但結合微觀試驗研究土體結構對土水特征曲線的影響鮮有報道。該文結合國道G310三門峽西至豫陜界段新建工程實際，現場采取原狀黃土試樣，采用壓力板儀量測相同干密度的原狀土和重塑土的土水特征曲線，并用掃描電鏡觀察兩者的微觀結構，系統(tǒng)研究三門峽黃土結構性對其土水特征曲線的影響。

2 試驗基本情況

試驗黃土土樣取自國道G310三門峽西至豫陜界段南移新建工程靈寶市東上村橋。土樣的物理力學性質指標如表1所示。其中原狀土的干密度為1.33 g/cm3，含水率為5.1%。

表1 土樣基本物理性質指標

為研究黃土中各顆粒組分的相對含量以及土體顆粒組成情況，對試驗土樣進行顆粒分析試驗，試驗反映出土體中各組分的相對含量，根據曲線變化趨勢，判斷出顆粒均勻性(圖1)。由圖1可知：試驗采用的黃土顆粒粒徑分布為0.005～0.075 mm，主要為粉粒。

圖1 黃土顆分曲線

3 土水特征曲線試驗

3.1 試驗介紹

采用壓力板儀法進行相關土水特征曲線試驗。

首先制備原狀土和重塑土環(huán)刀試樣(直徑61.8 mm，高度20 mm)，控制重塑土的含水率和干密度與原狀土相同。將兩者放入真空飽和容器中進行飽和。安裝壓力板儀的陶土板和壓力室，將陶土板進行飽和并排凈氣泡，取出飽和后的試樣，按照試驗設定的吸力路徑(0→5→10→120→40→60→80→100→120→240→480 kPa)進行逐級加壓。通過壓力板儀排水管刻度，判斷試驗的吸力平衡，天平測量試樣的質量，計算含水率和飽和度。試驗需定時排氣，以便加速吸力平衡，試驗歷時45 d左右。

3.2 試驗結果

如圖2(a)所示，用吸力s和飽和度Sr表示土水特征曲線。由圖2(a)可知：原狀樣和重塑樣飽和度隨著吸力的增大而減小。原狀樣前期變化速率較快，其曲線位于重塑樣左下方。

圖2 土水特征曲線

如圖2(b)所示，用吸力和含水率表示土水特征曲線。由圖2(b)可知：原狀樣和重塑樣的含水率均隨著吸力的增大而減小。原狀樣前期變化速率較快且曲線在重塑樣上方，隨著吸力持續(xù)增大，原狀樣曲線位于重塑樣左下方。原狀樣和重塑樣土水特征曲線，飽和度/含水率均隨著吸力增大而減小。

圖3為孔隙比隨吸力的變化曲線。由圖3可知：原狀樣曲線與重塑樣曲線基本一致，隨著吸力的增大其變化范圍較小，體積沒有收縮。對比膨脹土孔隙比隨吸力的變化曲線，黃土由于礦物成分與膨脹土不同，其試驗過程中孔隙比變化曲線也存在差異。

圖3 e-s關系曲線

4 土體微觀試驗

土體的微觀結構主要指土顆粒之間的接觸方式、大小形狀、空間分布特征及其表面的光學特性。試驗采用掃描電鏡觀察原狀及重塑土樣的微觀結構。

4.1 試驗前期準備

SEM試驗土樣的干密度和含水率與壓力板儀法試驗一致，利用液氮和FD-1型冷凍干燥機對其脫濕。先用液氮將試樣冷凍，將處理過的試樣放到冷凝干燥機進行干燥試驗。試驗采用的冷凍干燥機，能夠調節(jié)溫度和氣壓，整個干燥過程試樣的原生結構不會破壞。

4.2 試驗結果

圖4為土樣的微觀圖片。

圖4 SEM圖像

由圖4可知：原狀土樣顆粒完整，顆粒之間的孔隙沒有破壞，土體內顆粒間的膠結狀態(tài)完好，可以明顯地看到顆粒的形態(tài)，結構性特征更為顯著；重塑土內部顆粒間的膠結狀態(tài)遭受到破壞，內部以單一的顆粒為主，微觀孔隙減少，骨架結構為密實顆粒堆疊狀態(tài)。原狀土具備原生結構，重塑土由于壓實喪失土體原生結構。

5 試驗結果分析

5.1 曲線擬合

采用Fredlund & Xing模型，擬合效果較好，應用范圍比較廣泛。針對該文，利用原來的模型表達式很難對其他參數進行定量化，在此將Fredlund & Xing模型進行相應的變換，得到FX模型用飽和度和基質吸力表達的一種形式，如式(1)所示：

(1)

式中：Sr為飽和度；s為吸力；sre為殘余吸力；a、m、n為與進氣值相關的擬合參數。

試驗得到的土水特征曲線是由一個個離散的點連接而成的曲線，模型擬合可得出連續(xù)曲線，計算出任意吸力對應的飽和度和含水率。利用Origin軟件將試驗測定的土水特征曲線通過模型擬合，得出擬合曲線。擬合參數如表2所示。

表2 試驗擬合參數結果

土水特征曲線擬合結果如圖5所示。

圖5 土水特征曲線擬合結果

由圖5可知：兩種土樣擬合度均大于95%，擬合度越高，模型對試驗土體越適用，其擬合曲線的變化趨勢與實測數據得到的曲線變化特征一致。原狀土的土水特征曲線進氣值擬合參數a明顯低于重塑土。

5.2 土體結構對曲線的影響

根據相同干密度和含水率原狀和重塑土樣的SEM試驗圖片可以發(fā)現兩者之間存在明顯的差異。由SEM試驗可知，重塑后土樣結構遭受到破壞，孔隙減少甚至消失。

原狀土掃描圖片中的孔隙明顯要比重塑土大，原狀土經歷過多次干濕循環(huán)次數，顆粒間的膠結牢固，形成大量可供孔隙水流動的天然通道。而重塑土樣，原來的結構已被破壞，孔隙分布均勻，顆粒大小較均勻，顆粒間呈現出堆積狀態(tài)。并且原狀土土水特征曲線前期變化速率較快，重塑土曲線位于原狀土右上方。原狀土的進氣值小于重塑土，如與進氣值相關的擬合參數a為：原狀土為198.858 0，重塑土為256.353 3。主要原因為原狀土的大孔隙是排水的天然通道，而重塑土的孔隙較均勻。

6 結論

對三門峽原狀黃土和重塑黃土進行了土水特征曲線試驗和掃描電鏡試驗，系統(tǒng)分析了結構性對其土水特征曲線的影響，主要結論如下：

(1) 原狀和重塑土的飽和度和含水率均隨著吸力的增大而逐漸減小。重塑土的土水特征曲線位于原狀土右上方。原狀土和重塑土的孔隙比隨著吸力增大均基本不變。

(2) 原狀土的大孔隙較多，顆粒膠結狀態(tài)沒有被破壞，骨架結構完整。而重塑土孔隙少且大小均勻，顆粒間的膠結狀態(tài)破壞，顆粒間呈現出明顯的堆疊狀態(tài)。

(3) 由Fredlund & Xing模型擬合結果可知，原狀土進氣值較小，主要因為原狀土大孔隙是排水的天然通道，而重塑土的孔隙較均勻。