考慮體應(yīng)變及干濕循環(huán)的黑龍江膨脹土土水特征研究

趙佳敏，張愛軍，牛麗思，于 寧，程旨輝，趙雙權(quán)

(1西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

土水特征曲線(soil water characteristic curve，SWCC)是一種解釋非飽和土工程現(xiàn)象及水力特征關(guān)系的曲線[1]，可以用來描述非飽和土在持水狀態(tài)下含水率、體積含水率、飽和度與吸力的對應(yīng)關(guān)系。土水特征曲線研究是非飽和土滲流分析及其本構(gòu)模型建立的基礎(chǔ)，土水特征曲線的測定方法有壓力板儀法、濾紙法、張力計(jì)法、快速離心機(jī)法等，目前針對高吸力范圍SWCC的測定普遍采用壓力板儀法及離心機(jī)法，但壓力板儀法試驗(yàn)過程較慢，土樣容易產(chǎn)生不同程度的破壞，而離心機(jī)法試驗(yàn)過程簡單，目前使用最為廣泛[2-3]。膨脹土作為一種黏粒含量較高并含有大量親水性礦物的土，具有對水強(qiáng)敏感、吸水膨脹失水收縮、反復(fù)脹縮等一系列特殊性質(zhì)，是工程界最難對付的特殊土，因此一直是非飽和土理論研究的重點(diǎn)。

目前對膨脹土的研究多集中在其強(qiáng)度、變形、膨脹機(jī)理及礦物組成等方面。在膨脹土土水特征研究方面，周葆春等[4]利用脫濕試驗(yàn)探究了湖北荊門膨脹土體變特征與土水特征的相互耦合作用，構(gòu)建了吸力作用下的體應(yīng)變方程；鄒維列等[5]通過不同初始干密度下的脫濕試驗(yàn)和收縮試驗(yàn)，提出了更為合理的重塑膨脹土體積修正公式；孫德安等[6]基于飽和鹽溶液蒸汽平衡法對南陽膨脹土進(jìn)行了不同干濕循環(huán)次數(shù)下的土水特征試驗(yàn)，為研究濕脹干縮等性質(zhì)提供了實(shí)測數(shù)據(jù)；吳珺華等[7]采用濾紙法測量了干濕循環(huán)下膨脹土的土水特征曲線，建立了考慮干濕循環(huán)效應(yīng)的SWCC模型；李卓[8]分析了離心機(jī)作用下土體干密度變化對SWCC模擬的影響。但上述這些研究均是以特定地區(qū)的膨脹土為對象，關(guān)于黑龍江膨脹土土水特征的研究還較為鮮見。

黑龍江膨脹土是廣泛分布于黑龍江西部和吉林省西北部松嫩平原的一種特殊土，是一種同時(shí)具有膨脹性、分散性、凍脹性及高可溶鹽含量的湖相沉積軟黏土，呈黑褐色或灰褐色，與南方地區(qū)的棕紅色膨脹土有明顯的區(qū)別。該類特殊土的存在給該地區(qū)的渠道、道路、房屋建設(shè)造成了較大的危害，如渠坡滑塌、道路變形和房屋開裂等，嚴(yán)重影響了工程的運(yùn)行安全，但目前對該類特殊土的土性研究較少，關(guān)于其土水特征的相關(guān)研究更是鮮有報(bào)道。

黑龍江引嫩擴(kuò)建骨干一期工程是黑龍江尼爾基水利樞紐的配套項(xiàng)目，該工程位于黑龍江省西部嫩江左岸低平原區(qū)，是典型的黑龍江膨脹土分布區(qū)。本研究以該工程的渠基膨脹土為對象，通過系列試驗(yàn)和分析，建立考慮體應(yīng)變修正及干濕循環(huán)影響的土水特征擬合公式，以期為松嫩平原地區(qū)膨脹土土體的滲流研究及其非飽和本構(gòu)模型的建立提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)土樣的基本性質(zhì)

供試土樣取自黑龍江省引嫩擴(kuò)建骨干一期工程內(nèi)的烏南干渠段，取樣區(qū)位于松嫩低平原中部。地質(zhì)勘察表明，取樣區(qū)的地層主要為：(1)第四系全新統(tǒng)河漫灘沖積層沖積級配不良砂、礫石、低液限黏土；(2)上更新統(tǒng)大興屯組沖湖積低液限黏土、含砂低液限黏土及級配不良細(xì)砂；(3)中更新統(tǒng)林甸組沖湖積低液限黏土、高液限黏土、級配不良細(xì)砂、中砂、粗砂、礫石。試驗(yàn)土樣為第三層中更新統(tǒng)林甸組沖湖積低液限黏土，呈黑褐色，其物理性質(zhì)指標(biāo)、化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)與土樣的礦物成分見表1～3。

表1 供試黑龍江膨脹土土樣的物理指標(biāo)

表2 供試黑龍江膨脹土土樣的化學(xué)成分

表3 供試黑龍江膨脹土土樣的礦物成分

從黑龍江膨脹土土樣的物理化學(xué)性質(zhì)分析結(jié)果(表1～3)可以看出，試驗(yàn)所用土樣屬于低液限黏土，土樣中未含有氯離子和鉀離子，pH大于8.5，呈強(qiáng)堿性，易溶鹽含量大于3 g/kg，從含鹽量的角度可以判定其為鹽漬土；其自由膨脹率大于30%，判斷其屬于弱膨脹土。同時(shí)通過雙比重計(jì)試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、孔隙水可溶性陽離子試驗(yàn)、交換性鈉離子百分比試驗(yàn)，綜合判別該土樣為分散性土。由此可以看出，該土樣是弱膨脹土，同時(shí)也是鹽漬土，還具有分散性，是一種極為特殊的膨脹土。

1.2 試樣制備

試驗(yàn)所用土樣均為重塑樣，制備過程如下：(1)土樣風(fēng)干碾壓、磨碎后過2 mm篩，測定風(fēng)干含水率；(2)根據(jù)目標(biāo)含水率及制樣所需土樣質(zhì)量計(jì)算所需加入的水的質(zhì)量；(3)將風(fēng)干后的土樣平鋪在托盤內(nèi)，用噴壺均勻噴灑計(jì)算好的水量并用勺子攪拌均勻，用保鮮膜密封，靜置24 h；(4)靜置24 h后測定噴水后的含水率，并計(jì)算與目標(biāo)含水率的誤差；(5)根據(jù)所需的初始干密度稱一定量土樣進(jìn)行制樣，其中SWCC試樣采用擊樣法制備，試樣體積為100 cm3；收縮試驗(yàn)試樣采用壓樣法制備，試樣尺寸為直徑61.8 mm×高度20.0 mm。制樣過程中，應(yīng)準(zhǔn)確稱量環(huán)刀及土樣質(zhì)量。

1.3 SWCC試驗(yàn)

SWCC試驗(yàn)采用離心機(jī)法進(jìn)行，本次試驗(yàn)儀器采用日本HITACH公司所產(chǎn)的CR21R高速恒溫冷凍離心機(jī)，其最高轉(zhuǎn)速為21 000 r/min，最大相對離心力為11 000×g(R11D2轉(zhuǎn)頭)，最大容量為250 mL(R14A轉(zhuǎn)頭)，工作溫度為20 ℃。測定基質(zhì)吸力的離心機(jī)法工作原理是：高速旋轉(zhuǎn)土樣產(chǎn)生作用于土樣上的離心力，通過離心作用使土樣的含水率減小，該離心力就是土樣相應(yīng)的基質(zhì)吸力[9]，而離心力作用一定時(shí)間后土樣中的含水率不再變化，此時(shí)的含水率就是基質(zhì)吸力對應(yīng)的土樣含水率。改變旋轉(zhuǎn)速度，即改變離心力的大小，再測定試樣在該離心力作用下含水率穩(wěn)定不變的土樣含水率，由此就可以得到土水特征曲線。“每級轉(zhuǎn)速下平衡”的判據(jù)就是在離心力作用下土樣中的含水率不再發(fā)生變化，也就是土樣中的水分不再被甩出。試驗(yàn)中用離心時(shí)間來控制[10],通過大量試驗(yàn)得到各級基質(zhì)吸力下土樣水分不變時(shí)的離心機(jī)基質(zhì)吸力與轉(zhuǎn)速、離心時(shí)間之間的關(guān)系如表4所示，試驗(yàn)過程中設(shè)置離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間大于表4中規(guī)定的離心時(shí)間即可保證在每級轉(zhuǎn)速下均能達(dá)到平衡。試驗(yàn)中的吸力等級為1，5，10，20，40，60，80，100，200，400，600和800 kPa，試樣的初始干密度分別為1.45，1.53，1.58和1.63 g/cm3，共4組。

表4 離心機(jī)基質(zhì)吸力與轉(zhuǎn)速、離心時(shí)間的關(guān)系

試驗(yàn)操作步驟為：(1)將4種不同初始干密度的土樣從保濕缸內(nèi)取出，試樣上下表面各墊濾紙與透水石，并用橡皮筋將試樣與透水石上下兩端固定，用真空缸進(jìn)行抽氣飽和；(2)將離心管底部多孔板的透水孔對準(zhǔn)離心管底部透水孔，稱量離心管質(zhì)量；(3)在土樣上部墊上濾紙，環(huán)刀刀口朝上裝入離心管內(nèi)，扣蓋稱質(zhì)量；(4)按照上一步內(nèi)所稱質(zhì)量，利用紙片對4個(gè)土樣進(jìn)行質(zhì)量調(diào)平，土樣管的質(zhì)量差小于0.5 g；(5)確保離心機(jī)轉(zhuǎn)子來回轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，使儲(chǔ)水器靠近轉(zhuǎn)子周圍的外邊緣，土樣管透氣孔朝上，將土樣管放入離心機(jī)轉(zhuǎn)頭內(nèi)；(6)擰緊轉(zhuǎn)子上的蓋子，關(guān)好機(jī)殼門，設(shè)置轉(zhuǎn)速、時(shí)間、溫度，運(yùn)行離心機(jī)；(7)在每級轉(zhuǎn)速下達(dá)到平衡后，取出土樣管，倒掉儲(chǔ)水管中甩出的水，稱量土樣管質(zhì)量，用電子游標(biāo)卡尺測量土樣直徑及高度收縮尺寸，并重新對4個(gè)土樣進(jìn)行調(diào)平，擦干離心機(jī)轉(zhuǎn)子及內(nèi)壁的水，按上述步驟進(jìn)行下一級基質(zhì)吸力試驗(yàn)。

1.4 收縮試驗(yàn)

將與SWCC試樣具有相同初始干密度的收縮試樣放入收縮儀中進(jìn)行收縮試驗(yàn)，能夠得到不同初始干密度下的收縮曲線，用來修正考慮試樣體積變化的SWCC曲線。

1.5 干濕循環(huán)試驗(yàn)

對初始干密度為1.45 g/cm3的試樣進(jìn)行0～5次干濕循環(huán)。為了盡量使水滲入土中并達(dá)到均勻，在試樣的增濕過程中，采用膠頭滴管對試樣上下表面交替反復(fù)滴水，一次增濕過程分多次滴加且至少持續(xù)24 h，達(dá)到控制含水率后用保鮮膜包裹試樣再于保濕缸中放置24 h。干燥過程采用烘干法，烘干溫度控制為60 ℃，烘干至初始含水率，從而實(shí)現(xiàn)干濕循環(huán)。之后對干濕循環(huán)次數(shù)1，3，5次的試樣進(jìn)行離心機(jī)SWCC試驗(yàn)[11]。

2 考慮體應(yīng)變的SWCC修正方法

截至目前，有很多學(xué)者根據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的分析方法提出了不同的土水特征曲線模型。本研究選用以體積含水量表示的模型形式，目前常見的有Van Genuchten模型(簡稱VG模型，1980年)[12]、Fredlund & Xing模型(1994年)[13]、Gardner模型(1958年)[14-15]。其表達(dá)式分別為：

VG模型：

(1)

式中：θ為基質(zhì)吸力s(kPa)對應(yīng)的土樣體積含水率，%；θs為飽和體積含水率，%；θr為殘余體積含水率，%；α、q、n均為試驗(yàn)參數(shù)，其中n=1-1/q。

Fredlund & Xing模型:

(2)

式中：p、α、m為擬合參數(shù)。

Gardner模型：

(3)

式中：α、q為擬合參數(shù)。

上述模型均未考慮土樣干濕作用下體積變形的影響，由于膨脹土中含有大量的親水礦物，含水率的變化會(huì)使膨脹試樣產(chǎn)生濕脹干縮變形，故在進(jìn)行SWCC試驗(yàn)時(shí)，必須考慮體積變化對SWCC曲線的影響，并對其進(jìn)行修正。本研究采用兩種體應(yīng)變修正方法：其一為基于收縮試驗(yàn)結(jié)果的修正方法；其二為基于離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果的修正方法。同時(shí)，對比分析了兩種方法對此次試驗(yàn)用土的適用性。

2.1 基于收縮試驗(yàn)結(jié)果的修正方法

通過收縮試驗(yàn)結(jié)果可以得出線縮率與含水率變化之間的關(guān)系。對膨脹土脫濕過程中的體應(yīng)變，周葆春等[4]直接用SWCC試驗(yàn)前后的體積變化進(jìn)行修正。其表達(dá)式為：

(4)

式中：λV為收縮試驗(yàn)第一階段的體積收縮系數(shù)；ΔV為SWCC試驗(yàn)收縮前后體積的變化值，cm3；V0為試驗(yàn)前試樣的初始體積，cm3；Δw為試驗(yàn)結(jié)束后試樣含水率的變化值，%。

張華等[16]用3個(gè)方向的線縮率表示體應(yīng)變。其表達(dá)式為：

(5)

式中：λY為試樣的豎向收縮系數(shù)，λX為試樣的橫向收縮系數(shù)。

鄒維列等[5]根據(jù)張華等[16]所得橫、豎向收縮系數(shù)近似相等的結(jié)論，提出膨脹土體積隨含水率變化的公式為：

(6)

式中：Z0為試樣初始高度，cm；ΔZ為試樣收縮高度，cm。

周葆春等[4]采用豎向線縮率代替體縮率，并不能完全反映出膨脹土失水收縮過程中體積收縮的實(shí)質(zhì)。張華等[16]雖考慮了3個(gè)方向的線縮率，但實(shí)際試驗(yàn)中豎向收縮率可測而橫向收縮率量測不準(zhǔn)，故也不便于應(yīng)用。因此，本研究采用鄒維列等[5]所提出的方法進(jìn)行修正。該修正方法為：先采用收縮試驗(yàn)測出土樣的收縮系數(shù)λY，然后采用式(6)計(jì)算體積變化率ΔV/V0，之后采用式(7)～(9)計(jì)算對應(yīng)基質(zhì)吸力s下修正后的體積含水率θ值，從而可以得到修正后體積含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系。即有：

(7)

(8)

(9)

式中：e、e0為孔隙比和初始孔隙比；Sr為飽和度；Gs為相對密度；w為含水率，%；

2.2 基于離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果的修正方法

通常情況下，高速離心機(jī)SWCC試驗(yàn)不考慮離心過程中試樣的壓縮，但本次試驗(yàn)土樣特殊，土樣在離心力的作用下不僅會(huì)產(chǎn)生壓縮變形，同時(shí)隨著離心機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)土樣含水率逐漸減小，脫濕過程中膨脹土本身也會(huì)產(chǎn)生收縮體應(yīng)變，故離心過程中試樣的體應(yīng)變不可忽視[8]。

本次試驗(yàn)過程中，在每級轉(zhuǎn)速下，待試樣水分平衡后測定了試樣的收縮量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試樣橫向無明顯收縮，故不考慮試樣的橫向收縮，而只測定試樣的豎向收縮?？紤]到試驗(yàn)過程中試樣的密度變化[17]，利用式(10)、(11)、(12)進(jìn)行修正。

(10)

式中：ρ′為試樣每級平衡后的密度，g/cm3；m′為試樣每級平衡后的質(zhì)量，g。

(11)

式中：ρd為試樣每級平衡后的干密度，g/cm3；w′為試樣每級平衡后的含水率，%。

由此得到基于離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果的體積修正后的體積含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系為：

θ=ρdw′。

(12)

3 結(jié)果與分析

3.1 收縮試驗(yàn)

收縮試驗(yàn)結(jié)果表明，豎向線縮率隨試樣含水率的變化趨勢可以分為線性收縮、過渡收縮及收縮穩(wěn)定三個(gè)階段。在第一階段，即線性收縮階段內(nèi)，隨著土樣中孔隙水及空氣不斷被排出，土樣的含水率不斷減小，土體顆粒逐漸向中心靠攏，土樣逐漸收縮；第二階段即過渡收縮階段內(nèi)，當(dāng)含水率減小到一定程度后，土體顆粒間的連接已較為緊密，土體的收縮越來越緩慢；第三階段即收縮穩(wěn)定階段，含水率減小引起的土體內(nèi)應(yīng)力的變化已很難克服土體顆粒間的相互作用力，土體顆粒間的連接也已趨于穩(wěn)定，含水率的降低不再引起土樣的明顯收縮[18-19]。

圖1 不同初始干密度下黑龍江膨脹土豎向線縮率與含水率的關(guān)系

本次SWCC試驗(yàn)結(jié)束后，4個(gè)不同初始干密度土樣的含水率均大于土樣的縮限(20%)，故在進(jìn)行SWCC試驗(yàn)的過程中，土樣均處于收縮試樣中的第一階段，即線性收縮階段內(nèi)[5]。同時(shí)收縮試驗(yàn)結(jié)果(圖1)表明，豎向線縮率δsi與含水率的變化(w0-w)可以表示為線性關(guān)系，即：

(13)

式中：δsi為豎向線縮率，%；w0為土樣試驗(yàn)開始時(shí)的初始含水率，%。

通過對不同初始干密度下的黑龍江膨脹土試樣進(jìn)行收縮試驗(yàn)，得到不同的豎向收縮系數(shù)如表5所示。

表5 不同初始干密度下黑龍江膨脹土的豎向收縮系數(shù)

對試驗(yàn)結(jié)果(表5)進(jìn)行擬合后發(fā)現(xiàn)，此次試驗(yàn)所用黑龍江膨脹土試樣的豎向收縮系數(shù)與初始干密度之間呈線性關(guān)系，即初始干密度越大，豎向收縮系數(shù)也隨之增大?？蓪⑵浔硎緸椋?/p>

λY=Aρd0-B。

(14)

式中：A、B均為試驗(yàn)參數(shù)，本次試驗(yàn)中A=0.334，B=0.242 4。

3.2 未考慮體積變化的SWCC

在進(jìn)行離心試驗(yàn)的過程中，隨著基質(zhì)吸力的增大，土樣中的水分及空氣不斷被排出，土樣含水率降低，體積也伴隨有一定的收縮。圖2及圖3為未考慮膨脹土體積變化時(shí)，不同初始干密度下分別用含水率w及體積含水率θ表征的SWCC曲線。從圖2，3可見，SWCC曲線呈倒“S”型，低基質(zhì)吸力區(qū)土樣的失水速率較快，基質(zhì)吸力對其影響較大，隨后土樣的失水速率趨于穩(wěn)定，高基質(zhì)吸力段土樣失水速率降低。同時(shí)隨著基質(zhì)吸力的增加，不同初始干密度下的SWCC曲線在低基質(zhì)吸力區(qū)出現(xiàn)一定的交叉，在高基質(zhì)吸力區(qū)有逐漸靠攏的趨勢。本次試驗(yàn)的最大基質(zhì)吸力為800 kPa，當(dāng)基質(zhì)吸力達(dá)到此值時(shí)，4種不同初始干密度試樣所對應(yīng)的含水率分別為22.26%，22.45%，22.87%和21.89%，但仍未達(dá)到其殘余含水率，由此可以推測不同初始干密度下試樣的殘余含水率差值不大。同時(shí)，從圖2，3可以看出，初始干密度越小，其持水能力越差，進(jìn)氣值越小。

3.3 考慮體積變化的SWCC

將利用上述兩種方法修正試樣體應(yīng)變后的基質(zhì)吸力與體積含水率的關(guān)系繪于圖4中，通過對修正前后結(jié)果進(jìn)行比較，可以得到以下結(jié)論：

1)不論是以鄒維列等[5]提出的方法修正，還是以考慮離心機(jī)作用的方法修正，均可以很明顯地看出，在相同的基質(zhì)吸力條件下，修正后的體積含水率均高于修正前的體積含水率，且基質(zhì)吸力越高其差別越明顯，這是考慮膨脹土體積收縮的結(jié)果。

2)對比鄒維列等[5]提出的修正方法與考慮離心機(jī)作用的修正方法，可以發(fā)現(xiàn)低基質(zhì)吸力區(qū)曲線基本重合，高基質(zhì)吸力區(qū)考慮離心機(jī)作用的修正方法所得曲線位于鄒維列等[5]方法的修正曲線之上。鄒維列等[5]提出的修正方法是采用收縮試驗(yàn)量測豎向收縮系數(shù)值，并基于張華等[16]的研究結(jié)果假定試樣的橫豎向收縮系數(shù)近似相等，計(jì)算土樣的體應(yīng)變和體積含水率時(shí)，同時(shí)考慮了試樣在失水收縮過程中橫向和豎向體積的變化，計(jì)算結(jié)果較為精確。而采用游標(biāo)卡尺直接量測試樣每級基質(zhì)吸力平衡后豎向收縮變形的修正方法，由于打開離心管取出試樣時(shí)會(huì)擾動(dòng)土樣，以及土樣表面松散顆粒的影響等，使得量測精度不高。因此后續(xù)擬合模型均采用鄒維列等[5]的修正方法進(jìn)行。

3)不論那種修正方法，修正后土樣的初始干密度越大進(jìn)氣值越大，持水特性越好。其原因?yàn)椋撼跏几擅芏仍酱笸翗釉矫軐?shí)，土樣內(nèi)部孔隙較少，在離心力作用下排出的水分越少，土樣的通氣性及透水性越差。這與張拳[22]、謝舒雷等[23]用濾紙法、壓力板儀法等得到的結(jié)論相同。

a.鄒維列等[5]方法；b.離心機(jī)法a.Method of Zou et al[5];b.Method of centrifuge

不同初始干密度下，孔隙比隨基質(zhì)吸力的增加而變化的規(guī)律如圖5所示。由圖5可以看出，不同初始干密度下的孔隙比-基質(zhì)吸力曲線均未出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。初始孔隙比越大的土樣，內(nèi)部大孔隙相對較多，水的通透性越好，對應(yīng)的體積含水率變化幅度越大，同時(shí)隨基質(zhì)吸力的增加孔隙比降幅越明顯。土水特征曲線不僅可以反映體積含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系，也可以進(jìn)一步反映土樣內(nèi)部孔隙的分布情況。初始干密度對土水特征產(chǎn)生的影響，也可以理解為試樣內(nèi)部孔隙發(fā)生了不同程度的變化導(dǎo)致的[20]。同時(shí)，將不同基質(zhì)吸力下土樣含水率與孔隙比的關(guān)系繪制于圖6，由圖6可見，同一基質(zhì)吸力下，含水率先增大后減小，含水率隨孔隙比的變化規(guī)律呈多項(xiàng)式關(guān)系。

圖5 不同初始干密度下黑龍江膨脹土孔隙比與基質(zhì)吸力的關(guān)系

對同一初始干密度(1.45 g/cm3)不同干濕循環(huán)次數(shù)下(N=1,3,5)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理與分析，用體積含水率與基質(zhì)吸力表示的土水特征曲線如圖7所示。圖7顯示，在初始干密度及含水率均相同的情況下，影響土水特征曲線細(xì)觀結(jié)構(gòu)的主要原因，一是由于孔隙壓縮結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化；二是土體中所含的易溶鹽組成的膠結(jié)物在水的作用下被溶蝕，進(jìn)而使結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化[21]。由圖7可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的飽和體積含水率逐漸增大，但進(jìn)氣值相差不大，在高基質(zhì)吸力區(qū)土水特征曲線有交匯的趨勢，說明干濕循環(huán)次數(shù)不會(huì)影響試樣的殘余體積含水率，但試樣的持水性隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而降低；干濕循環(huán)3次和5次的土水特征曲線基本重合，說明隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，干濕循環(huán)所帶來的影響逐漸降低，此時(shí)試樣的結(jié)構(gòu)已逐漸趨于穩(wěn)定[22-24]。

圖7 不同干濕循環(huán)次數(shù)下黑龍江膨脹土體積含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系

相同初始干密度及含水率下，試樣經(jīng)過不同次數(shù)的干濕循環(huán)，在吸濕過程中土體吸水膨脹，土樣顆粒重新排列，同時(shí)由于土樣為鹽漬土，易溶鹽形成的膠結(jié)物的溶解也會(huì)使土體中的顆粒發(fā)生重新排列，溶蝕作用下部分小孔隙連為大孔隙。經(jīng)過烘干之后，含水率的降低使膨脹土試樣發(fā)生收縮，吸濕過程中土體顆粒排列所形成的新結(jié)構(gòu)遭到破壞，同時(shí)伴隨著膨脹土試樣的收縮不斷產(chǎn)生新的裂隙，隨著干濕循環(huán)的持續(xù)反復(fù)進(jìn)行，試樣的裂隙逐漸增多，且無法恢復(fù)原樣，從而影響其持水性、殘余含水率及進(jìn)氣值[6]。

4 SWCC模型擬合及參數(shù)分析

4.1 考慮初始孔隙比的SWCC模型擬合

利用Matlab對體應(yīng)變修正后的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得到Gardner、VG和Fredlund & Xing 3種模型的擬合結(jié)果見表6～8。該結(jié)果表明，3種模型中Gardner模型參數(shù)少，殘余體積含水率表現(xiàn)合理，也無百分位以下的參數(shù)，最適合于黑龍江地區(qū)膨脹土不同初始孔隙比(初始干密度)下基質(zhì)吸力與體積含水率關(guān)系的擬合。而鄒維列等[5]試驗(yàn)中所用南水北調(diào)河南南陽段的膨脹土更適合用Fredlund & Xing模型進(jìn)行表征。

表6 Gardner模型擬合參數(shù)

表7 VG模型擬合參數(shù)

表8 Fredlund & Xing模型擬合參數(shù)

將初始孔隙比與Gardner模型參數(shù)繪制于圖8。由圖8可以看出，初始孔隙比對參數(shù)α影響較大，對于q及θr影響較小，且α與初始孔隙比呈線性關(guān)系，其隨著初始孔隙比的增大而減??；q及θr隨初始孔隙比的變化很小，故在模型中取平均值即可[25-26]。

圖8 Gardner模型參數(shù)與初始孔隙比的關(guān)系

將不同初始孔隙比下得到的參數(shù)帶入Gardner模型并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果見圖9。

圖9 基于Gardner模型擬合的不同初始干密度下的土水特征曲線

將上述參數(shù)α與初始孔隙比的線性關(guān)系帶入Gardner表達(dá)式中，可以得到考慮初始孔隙比的黑龍江膨脹土的土水特征曲線模型為：

(15)

式中：c=-344.7，d=303.19，q=1.279，θr=36.562%，θs與初始孔隙比有關(guān)。

通過Matlab擬合三維模型，結(jié)果見圖10。圖10顯示，初始孔隙比、體積含水率、基質(zhì)吸力三者相互影響且試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)均處于擬合模型面上下，說明該模型擬合效果較好[27-28]。

圖10 考慮不同初始孔隙比的SWCC模型擬合三維圖

4.2 考慮干濕循環(huán)次數(shù)的SWCC模型擬合

與上述不同初始干密度下土水特征曲線的擬合方法相同，通過對比3種不同模型擬合的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用Gardner模型能夠更好地反映不同干濕循環(huán)次數(shù)時(shí)黑龍江地區(qū)膨脹土的土水特性，且R2均大于0.99?？紤]干濕循環(huán)次數(shù)的Gardner模型的擬合參數(shù)見表9。為了直觀分析干濕循環(huán)次數(shù)與模型參數(shù)的關(guān)系，將二者繪制于圖11。

表9 考慮干濕循環(huán)次數(shù)的Gardner模型的擬合參數(shù)

圖11 Gardner模型參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

由圖11可知，循環(huán)次數(shù)N與參數(shù)α呈線性關(guān)系，但對參數(shù)q、θr影響均較小，故可以取其平均值。將3個(gè)參數(shù)分別帶入式(2)，可得到考慮干濕循環(huán)次數(shù)的黑龍江地區(qū)膨脹土的土水特征曲線模型為：

(16)

式中：a=0.047 6，b=19.601，θr=23.028%，q=0.853 4。

將本次試驗(yàn)所得參數(shù)代入Gardner公式中繪制擬合曲線，同時(shí)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見圖12。將上述公式擬合于Matlab中，可得到擬合良好的考慮干濕循環(huán)次數(shù)的土水特征三維圖如圖13所示。從圖12和13可以看出，試驗(yàn)點(diǎn)均位于擬合曲線及曲面上下，說明該模型擬合效果較好。

圖12 基于Gardner模型擬合的不同干濕循環(huán)次數(shù)下黑龍江膨脹土的土水特征曲線

目前，對黑龍江膨脹土的土水特征尚鮮有討論，將本試驗(yàn)結(jié)果與鄒維列等[5]利用壓力板儀法所得到的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，可以看出未進(jìn)行體積修正前，南陽膨脹土與黑龍江膨脹土的含水率與基質(zhì)吸力曲線表現(xiàn)出相同的趨勢，但低基質(zhì)吸力段的數(shù)據(jù)點(diǎn)相對較少；體積修正后的SWCC由于考慮了土樣脫濕過程中的變形，其飽和含水率更高，說明離心機(jī)法可用于研究膨脹土的土水特性。但與黑龍江膨脹土相比，南陽膨脹土的飽和含水率及進(jìn)氣值等均略大。同時(shí)，Gardner表達(dá)式更適合于黑龍江膨脹土，這也再次佐證了黑龍江膨脹土土水特征研究對黑龍江地區(qū)工程建設(shè)的必要性。

5 結(jié) 論

1)測定SWCC時(shí)，快速離心機(jī)法可以代替濾紙法、壓力板儀法進(jìn)行試驗(yàn)，采用此種方法簡單省時(shí)，試驗(yàn)效率大大提高，但使用該法必須考慮試驗(yàn)過程中離心力對土樣產(chǎn)生的擾動(dòng)。同時(shí)，在膨脹土脫濕過程產(chǎn)生的體應(yīng)變對土水特征試驗(yàn)結(jié)果影響較大，利用已有修正方法對黑龍江膨脹土的SWCC進(jìn)行修正，修正后體積含水率明顯增大。

2)在低基質(zhì)吸力段，基質(zhì)吸力對SWCC影響較大，土樣失水速度較快，高基質(zhì)吸力段土樣失水速度降低。初始干密度(初始孔隙比)對黑龍江膨脹土的土水特征有一定影響，隨著初始干密度的增大，試樣的持水能力增大，飽和體積含水率逐漸減小，進(jìn)氣值逐漸增大，殘余體積含水率基本趨于一致。

3)干濕循環(huán)作用對黑龍江膨脹土的土水特征有顯著影響。干濕循環(huán)次數(shù)增加，土樣的持水性變差，但當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)增加到一定程度后，結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定，其影響逐漸趨小。

4)基于Gardner模型提出的考慮初始孔隙比及循環(huán)次數(shù)的SWCC表達(dá)式，可以很好地反映初始孔隙比(或不同循環(huán)次數(shù))、體積含水率及基質(zhì)吸力的關(guān)系，擬合三維圖中擬合公式的曲面與試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)點(diǎn)的相關(guān)性較高，可為黑龍江松嫩平原地區(qū)膨脹土土體的滲流研究及其非飽和本構(gòu)模型的建立提供參考。

5)本次試驗(yàn)用土是一種兼具分散性和膨脹性的高含鹽特殊土，本研究中未區(qū)分多種性質(zhì)共同作用下的綜合影響，后續(xù)可進(jìn)一步深入研究。