非飽和土水特征曲線特性研究

王磊 劉奉銀 張昭

摘 要：在實(shí)際的工程中需要對飽和土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以了解其性能，然而通過使用土水特征曲線能夠非常方便的對非飽和土特性進(jìn)行了解，而不需要進(jìn)行繁瑣的實(shí)驗(yàn)研究。所以文章將主要對非飽和土水特征曲線進(jìn)行研究。土水特征曲線會(huì)受到不同因素的影響，比如空隙結(jié)構(gòu)、礦物成分和收縮率等，為了能夠具體了解這些因素對曲線的影響，文章通過實(shí)驗(yàn)研究的方法，選擇兩種不同地區(qū)的土作為實(shí)驗(yàn)樣本，然后分析各種因素下土水特征曲線的變化。最后還提出了土水特征曲線公式，雖然國內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者已經(jīng)研究出較為成熟的曲線公式，但是這些公式非常復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用過程中比較麻煩，所以文章提出了曲線公式相對兩將比較簡單，雖然其精度性不高，但是具有一定的準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：非飽和土;基質(zhì)吸力;土水特征曲線

中圖分類號：TU431 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1001-5922（2021）05-0147-04

Research on Characteristics of Unsaturated Soil Water Characteristic Curve

Wang Lei1， Liu Fengyin2， Zhang Zhao3

（1. Shaanxi Railway Institute， Weinan 714000， China;

2. School of Civil Engineering， Xi an University of Technology， Xi an 710048， China ）

Abstract：In actual engineering， it is necessary to conduct experimental research on saturated soil to understand its performance. However， it is very convenient to understand the characteristics of unsaturated soil by using soil-water characteristic curves， without the need for tedious experimental research. Therefore， this paper will mainly study the unsaturated soil-water characteristic curve. The soil-water characteristic curve will be affected by different factors， such as void structure， mineral composition and shrinkage rate. In order to specifically understand the influence of these factors on the curve， the paper uses experimental research methods to select two different regions of soil as experimental samples ， and then analyze the changes of soil-water characteristic curve under various factors. Finally， the soil-water characteristic curve formula is proposed. Although relevant scholars at home and abroad have developed more mature curve formulas， these formulas are very complicated and more troublesome in actual application. Therefore， the paper proposes that the curve formula is relatively simple. ， Although its accuracy is not high， it has a certain degree of accuracy.

Key words：unsaturated soil; matrix suction; soil-water characteristic curve

在土壤學(xué)中很早就已經(jīng)對土水特征曲線進(jìn)行過研究，并且取得了比較大的成就，然而在土力學(xué)的研究上，土水特征曲線研究比較晚，但是通過這幾年的不斷深入研究，已經(jīng)取得了不錯(cuò)的效果[1-2]。雖然都是土水特征曲線，但是在土壤學(xué)和土力學(xué)中的應(yīng)用和研究方向都存在很大的差別。土力學(xué)中的土水特征曲線更加的復(fù)雜，需要考慮的因素更多，在考慮土體結(jié)構(gòu)和成分的同時(shí)，還需要對其應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析[3-4]。然后對其進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，需要將曲線和相關(guān)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行聯(lián)系，所以在土水特征曲線的特征研究上還需要進(jìn)一步深化[5]。

1 土水特征曲線的影響因素

非飽和土中的土水特征曲線容易受到各種因素的影響，比如孔隙結(jié)構(gòu)、礦物成分、溫度、土體的收縮性和應(yīng)力歷史等，每個(gè)因素對水土特征曲線的影響程度不一致，其中孔隙結(jié)構(gòu)和礦物成分屬于基本影響因素，對水土特征曲線的影響程度最大，并且其他因素影響曲線時(shí)也是通過影響了孔隙結(jié)構(gòu)和礦物成分而造成的[6]。所以文章將主要對這兩個(gè)因素進(jìn)行分析，另外土體的收縮率對土水特征曲線影響程度也比較大。于是文章將對孔隙結(jié)構(gòu)、土的礦物成分和收縮率進(jìn)行分析。

1.1 孔隙結(jié)構(gòu)

土體的孔隙結(jié)構(gòu)主要對土水的收縮膜形狀和作用面積會(huì)造成一定程度影響，因?yàn)槭湛s膜的形狀如何，土水之間的吸力大小就會(huì)不同。如果孔隙結(jié)構(gòu)中的孔隙大小比較小，即土體之間的水不易流失，就會(huì)增加土體的持水性，于是土水特征曲線就會(huì)表現(xiàn)出比較平穩(wěn)的狀態(tài)[7]。一般情況下，粒徑越小和級配比較好的土體，其孔徑就會(huì)比較小。所以孔隙結(jié)構(gòu)主要受到級配、粒徑和土骨架等因素的影響，當(dāng)然還存在其他因素的影響，比如干密度、應(yīng)力路徑和初始含水量等，這些次要因素對孔隙結(jié)構(gòu)造成影響的同時(shí)，就會(huì)影響土水特征曲線。

1.2 土的礦物成分

礦物成分不僅包含著土顆粒的礦物成分，而且孔隙中的可溶液成分也屬于土的礦物成分。土的礦物成分主要是影響是土體對水分的親和程度，如果土體中的礦物成分表現(xiàn)出了比較強(qiáng)的親水性，那么土體中的吸力也比較大，那么殘余含水量就會(huì)比較大，然后在水土特征曲線上的斜率變化就會(huì)比較平緩[8]。

1.3 土體的收縮率

土體在自然環(huán)境下，會(huì)因?yàn)樘鞖庠蛟斐赏馏w發(fā)生干濕循環(huán)的一個(gè)狀態(tài)，于是在這個(gè)過程中，土體內(nèi)部會(huì)發(fā)生因?yàn)楦蓾駹顟B(tài)而發(fā)生收縮或者碰撞的一個(gè)變化，這個(gè)變化就會(huì)造成空隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，于是就會(huì)影響土水特征曲線的形狀。

2 實(shí)驗(yàn)分析

土水特征曲線會(huì)受到不同因素的影響，具體的影響結(jié)果如何，文章將通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一系列對比分析，通過使用定性的分析方式測得土水特征曲線的特征變化，而不是僅僅在理論層次上得到一些曲線特性。

2.1 試樣選取

試樣將使用兩種不同地方位置的土，所選擇的兩種土為膨脹性土原狀樣或者擊實(shí)土，選擇兩種土目的在于研究不同土質(zhì)對土水特征曲線的影響。然后兩種土的基本性狀如表1所示。其中試樣B是一種粘土，其礦物成分主要包含蒙脫石、云母和蛭石。

2.2 試驗(yàn)方法

首先將兩種不同的試樣A和試樣B進(jìn)行加壓處理，其中需要使用的儀器有15bar壓力膜儀，然后為了能夠?qū)ν翗舆M(jìn)行加壓或者約束土體碰撞，然后自制了3.5bar體積壓力板，對土樣進(jìn)行壓力處理的目的在于能夠使得土樣接近實(shí)際工程中的應(yīng)力狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟诜治鐾了卣髑€受到不同因素的影響程度，于是選擇了3組對比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。因?yàn)樗x擇的土處于原來狀態(tài)時(shí)，其自身是具備一定的應(yīng)力，所以在實(shí)驗(yàn)過程中需要模擬這種應(yīng)力狀態(tài)。為了形成對比研究，對一組試樣中進(jìn)行了有壓和無壓飽和處理。然后還對初始孔隙比擊實(shí)土對曲線的影響進(jìn)行了分析，于是選擇了兩種不同初始孔隙比的土進(jìn)行曲線特征分析，還分析了不同塑性土對土水特征曲線的影響。最后，文章為了得到比較完整的土水特征曲線，于是測試了一種風(fēng)砂的土水特征曲線。

3 結(jié)果和討論

3.1 固結(jié)壓力的影響

土水特征曲線會(huì)因?yàn)椴煌蛩匕l(fā)生變化，文章首先研究了外力對其影響。于是對相同的試樣進(jìn)行了有壓和無壓實(shí)驗(yàn)，其中有壓條件表示的是在飽和及實(shí)驗(yàn)過程中，土體會(huì)受到一定的壓力，即在這種約束條件下土體不會(huì)發(fā)生碰撞，那么土體在實(shí)驗(yàn)過程中其中的孔隙比不會(huì)發(fā)生變化;另外一種無壓條件是在實(shí)驗(yàn)過程中，土體會(huì)發(fā)生自由碰撞飽和，所以其形狀將會(huì)發(fā)生變化，其孔隙比也會(huì)發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)選擇的試樣類型為試樣B，然后對其進(jìn)行有壓和無壓的實(shí)驗(yàn)，得到的土水特征曲線如圖1所示，從圖中可以看出，隨著基質(zhì)吸力的不斷增加，含水量不斷降低，且在有壓和無壓的條件下，兩個(gè)曲線最后有相重合的趨勢，但是兩個(gè)曲線的形狀卻具有比較大的區(qū)別，即曲線的斜率比較大，就是兩種不同土體中的進(jìn)氣點(diǎn)和進(jìn)氣值后的儲(chǔ)水系數(shù)比較大。當(dāng)土體具有一定的壓力之后，水土特征曲線的變化程度比較小，那么其脫水效果比較慢。所以在分析水分蒸發(fā)和入滲時(shí)，需要將土樣的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行考慮。

從圖中可以看出，當(dāng)吸力比較大時(shí)，有壓和無壓的兩條土水特征曲線趨于重合，即說明此時(shí)的應(yīng)力對吸力值的影響非常小，甚至沒有任何關(guān)系。因?yàn)槲臀綇?qiáng)度具有相對應(yīng)的關(guān)系，所以能夠說明外應(yīng)力也對吸附強(qiáng)度的也沒什么影響，該結(jié)論正好與相關(guān)研究一致。

3.2 初始孔隙比的影響

試樣B的土體為擊實(shí)土，然后將其制作成兩種試樣，即孔隙比不同，其他都相同，然后初始孔隙比分別是0.83和0.66。然后對這兩種試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得土水特征曲線，結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2中可以看出，當(dāng)基質(zhì)吸力越來越大時(shí)，兩條曲線會(huì)存在一個(gè)交點(diǎn)，當(dāng)小于交點(diǎn)處的基質(zhì)吸力時(shí)，空隙比更大的土體其含水量大于空隙比較小的土體，當(dāng)大于交點(diǎn)處的基質(zhì)吸力時(shí)，兩個(gè)曲線的含水量大量比較接近。總體來講，當(dāng)孔隙比不一樣時(shí)，土水特征曲線的變化還是比較大，能夠說明，孔隙比對進(jìn)氣值以后的曲線斜率有比較大的影響，且土體儲(chǔ)水系數(shù)越大，孔隙比越大。

3.3 土質(zhì)的影響

將試樣A和試樣B兩種不同的土質(zhì)作為實(shí)驗(yàn)對象，兩種土都為原狀土，其中試樣A的塑性指標(biāo)為47.3，試樣B的塑性指標(biāo)為26.5，然后其他的相關(guān)指標(biāo)一致。兩種不同土質(zhì)的土水特征曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，兩種不同地方的土質(zhì)其儲(chǔ)水系數(shù)和進(jìn)氣值都存在區(qū)別，其中試樣A的塑性指標(biāo)更大，而其脫水速度比試樣B慢，即高塑性粘土具有更好的持水性和脫水性慢等特點(diǎn)。

對一種風(fēng)化砂進(jìn)行測試，得到其土水特征曲線，其結(jié)果如圖4所示。因?yàn)轱L(fēng)化砂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為松散，特別容易脫水，當(dāng)其吸力比較小時(shí)，能夠得到一個(gè)形狀較好的完整土水特征曲線。通過圖3和圖4的對比，可以發(fā)現(xiàn)，粘土的進(jìn)氣值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于風(fēng)化砂，然而其儲(chǔ)水系數(shù)比較大。

3.4 原狀樣和擊實(shí)樣的土水特征曲線

為了探討土體的不同狀態(tài)對土水特征曲線的影響，文章選擇了試樣B作為土樣，然后分析兩組擊實(shí)土和原狀土的土水特征曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，擊實(shí)土的兩條曲線都有一個(gè)非常明顯的折點(diǎn)，在折點(diǎn)之前，曲線處于一個(gè)水平狀，此時(shí)的土樣處于一個(gè)完全封閉狀態(tài)，而在折點(diǎn)之后，曲線就是一個(gè)斜線段，含水量將會(huì)隨著吸力的增加而降低。而圖中原狀土的曲線沒有出現(xiàn)折點(diǎn)，而是處于一個(gè)比較平緩的過渡。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是因?yàn)樵瓲钔林械耐令w粒會(huì)進(jìn)行有規(guī)律的排列，然后其內(nèi)部的空隙結(jié)構(gòu)也會(huì)具有一定的方向性，不會(huì)表現(xiàn)出雜亂無章的狀態(tài)，甚至在土體內(nèi)部中會(huì)存在一些相互連通的通道，于是土體處于脫濕狀態(tài)時(shí)，氣體會(huì)進(jìn)入土體中，然后將通道中的水排出，這部分的水占比會(huì)比較大，因?yàn)橥ǖ垒^大的地方最先排出水。然后將吸力不斷增加時(shí)，通道中剩余的水分已經(jīng)很少了，然后非通道中的水排出會(huì)比較慢，所以土體就會(huì)呈現(xiàn)出高持水能力。

從上述實(shí)驗(yàn)可知，原狀樣的土持水性較高、進(jìn)氣值較低，擊實(shí)土的空隙沒有方向性且分布均勻，氣體很難進(jìn)入到土體內(nèi)，所以其進(jìn)氣值較大。實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛘f明土體的狀態(tài)對土水特征曲線影響比較大。

4 擊實(shí)土的土水特征曲線公式

國內(nèi)外已經(jīng)有相關(guān)學(xué)者根據(jù)土體孔徑分布曲線，構(gòu)建了適用于任何土類的特征曲線公式，但是這些公式都非常復(fù)雜，在實(shí)際的應(yīng)用過程中將會(huì)很不方便，所以文章提出了一種簡單實(shí)用的水體特征曲線公式。通過上文分析，原狀土和擊實(shí)土的土水特征曲線相差比較大，于是將會(huì)使用不同的公式對其曲線進(jìn)行表示。在進(jìn)行公式的建立時(shí)，只需要對具有實(shí)際工程意義的含水量進(jìn)行分析，然后將該階段非飽和土的有關(guān)公式進(jìn)行簡化，使得公式能夠有更好的實(shí)用性。

上文實(shí)驗(yàn)中獲得的土水特征曲線只是曲線中的一部分，是因?yàn)槭艿轿Φ南拗?，但是這一部分的土水特征曲線最具有工程意義。然后關(guān)于這一段的曲線公式也有不少學(xué)者對其進(jìn)行研究，并且有比較準(zhǔn)確的公式表達(dá)，但是這些公式相對來說比較復(fù)雜。所以為了簡化曲線公式，文章對很多擊實(shí)樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，得到相關(guān)的曲線，然后發(fā)現(xiàn)這些曲線可以通過使用折線形式進(jìn)行近似表述，即前一半可以用水平線進(jìn)行表示，后一段為斜線段，如圖6所示。并且這種擬合方式具有一定的準(zhǔn)確度和合理性。于是其表達(dá)公式如下所示：

其中，θ表示的是體積含水率，表示的是土體進(jìn)氣值，表示的是飽和時(shí)土的含水率，n表示的是斜率。通過計(jì)算之后，圖6中的擬合參數(shù)為0.024，進(jìn)氣值為10kPa。上述公式能夠通過測得土的含水量，然后擬合土水特征曲線，這種方式就可以不同對高吸力范圍斷進(jìn)行測量，另外，該公式中的擬合參數(shù)比較容易測定，不像有些曲線公式對參數(shù)的測定會(huì)比較困難，所以文章研究的曲線方程用起來將會(huì)比較方便，能夠滿足一般土水特征曲線的求取。

由于土水特征曲線分為兩種情況，即脫濕和吸濕，那么就存在兩種不同形式的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，所以曲線計(jì)算過程中需要對這兩種情況進(jìn)行區(qū)分，當(dāng)蒸發(fā)狀態(tài)時(shí)，需要使用脫濕曲線，當(dāng)屬于滲入情況時(shí)，需要使用吸濕曲線進(jìn)行計(jì)算，這樣所得到的結(jié)果將會(huì)更加準(zhǔn)確。

5 結(jié)語

在非飽和土中土水特征曲線研究相當(dāng)重要，有助于推動(dòng)土力學(xué)的發(fā)展。所以文章對該曲線進(jìn)行了深入研究，研究了不同因素對土水特征曲線的影響，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定性研究。然后發(fā)現(xiàn)外力、初始孔隙比、土質(zhì)對土水特征曲線都有一定的影響，其中外力對曲線的影響主要集中在初始階段，后續(xù)階段的影響就比較小;初始孔隙比越大，土體的進(jìn)氣值將會(huì)越低，當(dāng)吸力超過某一直之后，土體的含水率將會(huì)不斷降低，土體的持水能力將會(huì)高于孔隙比較小的土體;另外，高塑性粘土的具有更好的持水性能，土的狀態(tài)不同，也會(huì)影響土水特征曲線。

參考文獻(xiàn)

[1]張志祥.電阻率法求取土壤水分特征曲線研究[D].青島：青島大學(xué)，2012.

[2]盧應(yīng)發(fā)，陳高峰，羅先啟，等.土—水特征曲線及其相關(guān)性研究[J].巖土力學(xué)，2008，29（9）：2481-2486.

[3]孫德安，劉文捷，呂海波.桂林紅黏土的土—水特征曲線[J].巖土力學(xué)，2014（12）：3345-3351.

[4]張昭，劉奉銀，趙旭光，等.考慮應(yīng)力引起孔隙比變化的土水特征曲線模型[J].水利學(xué)報(bào)，2013，44（005）：578-585.

[5]張雪東.土水特征曲線及其在非飽和土力學(xué)中應(yīng)用的基本問題研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.

[6]周曉菊.非飽和土的土水特征曲線試驗(yàn)研究及應(yīng)用[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2009.

[7]梁曉波，劉海潮.壓實(shí)黃土土水特征曲線及孔隙結(jié)構(gòu)分析[J].水電與新能源，2014（4）：29-31.

[8]崔凱，林維康.川西非飽和混合土土水特征曲線研究[J].中國公路學(xué)報(bào)，2017，30（009）：44-50.