西安張家鋪地區(qū)黃土土—水特征研究★

褚 峰

(西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

1 概述

黃土屬于典型非飽和土，土水特征曲線可直觀反映濕度與基質(zhì)吸力的關(guān)系。為確定土—水特征曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式，W.C.Visser[1],R.H.Brooks,A.T.Corey[2]及M.Th.Van Genuchten[3]等先后利用不同地區(qū)的人工擾動(dòng)黃土研究其土水特征，同時(shí)對(duì)其影響因素進(jìn)行了討論[4-9]。

本文利用西安張家鋪地區(qū)原狀非飽和黃土進(jìn)行試驗(yàn)，并揭示出非飽和黃土基質(zhì)吸力的影響因素，并擬合出考慮天然干密度、含水量的原狀黃土的土—水特征曲線。

2 試驗(yàn)用土的物理力學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)用土取自西安市北郊張家鋪地區(qū)，取土深度為地表以下3 m處。由于歷史自然原因，形成了大致三種干密度，分別為1.37 g/cm3，1.42 g/cm3，1.47 g/cm3。黃土物性指標(biāo)如表1所示。

3 檢測(cè)設(shè)備及測(cè)試方案

3.1 檢測(cè)設(shè)備

設(shè)備利用常州永昌儀器公司生產(chǎn)的非飽和土壓縮儀，儀器利用軸平移技術(shù)來(lái)量測(cè)試樣的基質(zhì)吸力。

3.2 試驗(yàn)步驟及試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)前先將陶土板進(jìn)行飽和，陶土板飽和完成后，讓水流過(guò)陶土板下面的螺旋槽沖洗20 s，目的是為了沖走飽和陶土板時(shí)板下積聚的氣泡。陶土板與試樣必須接觸緊密，濾紙須保持與試樣一致的含水量。測(cè)試中根據(jù)試樣的含水量來(lái)確定需要施加氣壓力的具體數(shù)值，即利用所謂的軸平移技術(shù)量測(cè)試樣的原始基質(zhì)吸力。原始基質(zhì)吸力穩(wěn)定后，加載軸向壓力，軸向壓力加壓級(jí)別為12.5 kPa，25 kPa，50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa，1 600 kPa。試驗(yàn)采用雙重的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：1)孔隙水壓力的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為1 h內(nèi)孔隙水壓力數(shù)值保持不變；2)豎向壓縮變形的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為1 h內(nèi)豎向壓縮變形量不超過(guò)0.01 mm。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 天然干密度對(duì)土—水特征曲線的影響

按照以上的試驗(yàn)方案分別得到了三種天然黃土的基質(zhì)吸力，如表2所示。繪制三種天然原狀非飽和黃土的土—水特征曲線，如圖1所示。從圖1中可以看出，在三種不同的天然干密度下試樣的初始基質(zhì)吸力均隨著含水量的增大而減小；當(dāng)含水量較低或基質(zhì)吸力較大時(shí)，曲線比較平緩，而當(dāng)含水量較高或基質(zhì)吸力較小時(shí)，曲線比較陡峭，較大干密度時(shí)曲線均在較小干密度時(shí)曲線的上方。同時(shí)，在不同的含水量條件下，試樣的初始基質(zhì)吸力又隨著試樣天然干密度的增大而增大，同一含水量不同干密度下試樣的初始基質(zhì)吸力的差值在較低的含水量下相差較大，而在較高的含水量下相差較小，即差值隨著含水量的增大而逐漸減小。筆者認(rèn)為基質(zhì)吸力受干密度的影響很大，黃土密實(shí)度大，其空隙通道則較為狹窄，即空隙半徑變小，根據(jù)如下的基質(zhì)吸力數(shù)學(xué)表達(dá)式[10]。

S=Ua-Uw=2T/r

(1)

其中，S為土樣的基質(zhì)吸力;Ua為試樣孔隙氣壓力;Uw為試樣孔隙水壓力;T為表面張力;r為土樣孔隙半徑。

可見(jiàn)，土樣孔隙比越小，其基質(zhì)吸力就越大。對(duì)于天然黃土，密實(shí)度對(duì)其基質(zhì)吸力狀態(tài)影響顯著。

表2 土樣初始基質(zhì)吸力測(cè)試結(jié)果

4.2 豎向荷載對(duì)土—水特征曲線的影響

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理出不同天然干密度下試樣在不同豎向荷載作用下的土—水特征曲線，如圖2～圖4所示。從圖2～圖4中可以看出，土樣在豎向荷載作用下，其所對(duì)應(yīng)的土—水特征曲線發(fā)生了變化。其中，土樣在較低的豎向荷載作用下(0 kPa，12.5 kPa，25 kPa，50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa)，土—水特征曲線受其影響較小，可以認(rèn)為是試驗(yàn)誤差所致，而土樣在較高的豎向荷載作用下(800 kPa，1 600 kPa)，對(duì)土—水特征曲線的影響就比較大了，特別是在基質(zhì)吸力較小或含水量較高時(shí)，曲線下降的速度要比在較低荷載作用下時(shí)快，天然干密度較低時(shí)(ρd=1.37 g/cm3)這種現(xiàn)象尤為明顯，在這里就不能簡(jiǎn)單的歸結(jié)為試驗(yàn)誤差的影響了。筆者認(rèn)為造成此現(xiàn)象的原因是：原狀土在較低的豎向荷載作用下，其自身的結(jié)構(gòu)性沒(méi)有被破壞，土體內(nèi)部的孔隙排列與豎向荷載施加前相比沒(méi)有發(fā)生太大的變化，所以土—水特征曲線的形狀基本保持不變；而在較大的豎向荷載作用下，原狀土自身的結(jié)構(gòu)性被破壞，土體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)由于受到豎向荷載的作用而進(jìn)行了重新排列，形成了新的次生結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致其孔隙比和干密度與豎向荷載施加前相比發(fā)生了較為顯著的變化，因此，對(duì)土—水特征曲線造成了較大的影響。

5 土—水特征曲線的函數(shù)擬合

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪出不同天然干密度下原狀非飽和黃土的土—水特征曲線。對(duì)不同天然干密度條件下的三條土—水特征曲線分別進(jìn)行函數(shù)擬合，通過(guò)擬合的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)三條土—水特征曲線都可以用冪函數(shù)式(2)進(jìn)行擬合：

w=aS-b

(2)

其中，w為試樣含水量；S為基質(zhì)吸力；a，b均為試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)。

對(duì)于天然干密度分別為1.37 g/cm3，1.42 g/cm3，1.47 g/cm3的試樣的土—水特征曲線，擬合結(jié)果中試驗(yàn)參數(shù)a的取值分別為0.597 1，0.601 6，0.598 7，可以近似地認(rèn)為a值不變，取其平均值，即0.599,從而式(2)可轉(zhuǎn)化為式(3)：

w=0.599S-b

(3)

為了進(jìn)一步完善擬合表達(dá)式在以上擬合的基礎(chǔ)上考慮天然干密度ρd對(duì)土—水特征曲線的影響，試驗(yàn)參數(shù)b值和試樣天然干密度ρd可以用式(4)來(lái)擬合：

b=cρd+d

(4)

其中，b，c,d均為試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)；ρd為試樣的天然干密度。

對(duì)于西安地區(qū)原狀非飽和黃土，試驗(yàn)參數(shù)c,d的取值分別為-0.129和0.425 8。試驗(yàn)參數(shù)b與試樣的天然干密度ρd有著很好的線性關(guān)系，其二者擬合圖形見(jiàn)圖5。

最后，將式(4)代入式(3)，可以得到考慮試樣天然干密度ρd和試樣含水量w的西安地區(qū)原狀非飽和黃土的土—水特征曲線表達(dá)式，如下：

w=0.599S(0.129ρd-0.425 8)

(5)

其中，w為試樣的含水量;S為試樣的基質(zhì)吸力;ρd為試樣的天然干密度。

由式(5)擬合出的不同天然干密度條件下的土—水特征曲線結(jié)果見(jiàn)圖6～圖8，與先前試驗(yàn)中實(shí)測(cè)的土—水特征曲線相對(duì)比可以看出，通過(guò)函數(shù)計(jì)算的擬合值與實(shí)測(cè)值有著較好的匹配度，證明了函數(shù)表達(dá)式的合理性。

6 結(jié)語(yǔ)

目前，對(duì)土—水特征曲線的研究主要集中在人工重塑土上，而利用天然原狀土進(jìn)行研究的文獻(xiàn)還不多見(jiàn)，為了最大限度地模擬實(shí)際工況，突出天然原狀土的重要性，室外采取若干密實(shí)度狀態(tài)下的張家鋪天然黃土進(jìn)行測(cè)試，有以下認(rèn)識(shí)：

1)土體干密度對(duì)天然黃土基質(zhì)吸力影響顯著，同一含水量不同干密度條件下試樣的初始基質(zhì)吸力的差值隨著試樣含水量的增大而逐漸減小。

2)豎向荷載對(duì)原狀非飽和黃土的土—水特征曲線有一定的影響，在較低的豎向荷載作用時(shí)影響較小，在較高的豎向荷載作用時(shí)影響較大。而不能將這種影響歸結(jié)為試驗(yàn)誤差。

3)根據(jù)具體試驗(yàn)結(jié)果，擬合出了能夠反映天然干密度、基質(zhì)吸力和含水量3個(gè)變量的原狀非飽和黃土土—水特征曲線，通過(guò)計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了擬合土—水特征曲線的合理性。