顆粒級(jí)配與壓實(shí)度對(duì)路基土-水特征曲線的影響

劉夢(mèng)迪，郭 穎，單 煒

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué)寒區(qū)科學(xué)與工程研究院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引 言

在實(shí)際工程中，遇到的大多數(shù)巖土工況問題在非飽和土的范疇之內(nèi)[1]。非飽和土由氣相(空氣)、液相(水分)和固相(土骨架)三相體系組成。東北寒區(qū)公路路基土是一種黏聚力大、透水性小、吸水性強(qiáng)、毛細(xì)現(xiàn)象顯著，有較大可塑性的黏性土。在東北地區(qū)，路基地下水位較高，當(dāng)冬季來臨時(shí)，地表溫度低于地下溫度，受溫度差的影響，地下水會(huì)通過非飽和土帶向上運(yùn)移，進(jìn)而形成宏觀的路基凍脹。非飽和土的基質(zhì)吸力與含水率的關(guān)系常用土-水特征曲線來描述[2]。土-水特征曲線是非飽和土力學(xué)中主要的研究?jī)?nèi)容[3- 4]，也是描述土中水的能量和數(shù)量之間的重要的關(guān)系曲線[5]。關(guān)于土的基質(zhì)吸力，學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，非飽和土基質(zhì)吸力受顆粒級(jí)配、礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)、密實(shí)程度和土的應(yīng)力歷史等多種因素影響，且這些因素對(duì)非飽和土基質(zhì)吸力的影響機(jī)理非常復(fù)雜[6-7]。何忠明等[8]對(duì)非飽和粗粒土的基質(zhì)吸力與含水率及級(jí)配之間的關(guān)系進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，殘余含水率與級(jí)配顆粒大小呈負(fù)相關(guān)。張鵬程等[9]定量研究了基質(zhì)吸力與干密度和含水率的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)吸力與含水量呈非線性關(guān)系，與干密度呈線性關(guān)系。王協(xié)群等[10]就路基填料的選擇對(duì)重慶黏土進(jìn)行基質(zhì)吸力的探究。熊承仁等[11]探究出基質(zhì)吸力與干密度的關(guān)系在不同的含水量區(qū)間具有不同的特點(diǎn)，首次提出孔隙充水結(jié)構(gòu)的概念。

基質(zhì)吸力的測(cè)量方法有直接法和間接法。直接法有張力計(jì)法，間接法有濾紙法、壓力膜法、離心機(jī)法等。張力計(jì)是目前最準(zhǔn)確測(cè)量基質(zhì)吸力的儀器，但由于量程太小，適用范圍受阻。前人在間接方法方面做了大量試驗(yàn)，其準(zhǔn)確性得到很好的驗(yàn)證。離心機(jī)法具有測(cè)量直接、周期時(shí)間短，量程大的優(yōu)點(diǎn)[12]，在林學(xué)上應(yīng)用比較廣泛。潘宗俊等[13]采用離心機(jī)測(cè)出了重塑黃土的土-水特征曲線，進(jìn)一步得到變重度條件下的基質(zhì)吸力與含水率的關(guān)系曲線。李青峰等[14]采用離心機(jī)測(cè)量不同鹽離子土的土-水特征曲線，并通過曲線反映鹽離子對(duì)土壤持水及收縮特性的影響。詹良通等[15]采用離心機(jī)法測(cè)量基質(zhì)吸力的方法，并和其他測(cè)量基質(zhì)吸力的方法聯(lián)合進(jìn)行黃土地基降雨入滲離心模型試驗(yàn)。大量離心機(jī)測(cè)量土-水特征曲線的方法都是研究鹽含量對(duì)土壤中基質(zhì)吸力的影響，對(duì)于采用離心機(jī)法綜合分析不同顆粒級(jí)配與壓實(shí)度路基黏土的基質(zhì)吸力的研究成果很少。為此，本文基于離心機(jī)法，對(duì)不同顆粒級(jí)配和壓實(shí)度的土-水特征曲線進(jìn)行研究，綜合分析顆粒級(jí)配與壓實(shí)度對(duì)路基黏土的基質(zhì)吸力的影響，以服務(wù)于路基非飽和土的水分運(yùn)移性評(píng)價(jià)。

1 離心機(jī)法測(cè)量黏性土的基質(zhì)吸力

1.1 離心機(jī)法的基本原理

離心機(jī)的原理就是把重力場(chǎng)裝置轉(zhuǎn)化到離心力場(chǎng)中[13]。在重力場(chǎng)中，h高度的水體是受重力加速度g作用。在離心場(chǎng)中，g的作用由離心加速度rω2代替(r為運(yùn)轉(zhuǎn)半徑，ω為角速度)，根據(jù)能量守恒得到以下關(guān)系式

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，H為基質(zhì)吸力；r為離心機(jī)半徑；ρ為水的密度；n為轉(zhuǎn)速。根據(jù)式(4)將H轉(zhuǎn)化為基質(zhì)吸力值，進(jìn)而可以計(jì)算出基質(zhì)吸力和轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

本次試驗(yàn)所用離心機(jī)為日本生產(chǎn)的CR21GⅢ高速恒溫離心機(jī)，其量程為0～1 500 kPa，溫度控制在25℃，此方法可以很好地繪制出各條件下的土-水特征曲線。試驗(yàn)前，已知轉(zhuǎn)速、時(shí)間與基質(zhì)吸力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.2 試驗(yàn)用土

本試驗(yàn)用土來自哈爾濱周邊的低液限黏土，根據(jù)JTGE 40—2007《公路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行基本的物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定，試驗(yàn)用土基本物理性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)用土基本物理性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)方案

按粒徑大小制備3種顆粒級(jí)配的土試樣，即級(jí)配1、級(jí)配2和級(jí)配3。3種級(jí)配級(jí)配曲線見圖1。其中，級(jí)配1粒徑大于級(jí)配2粒徑大于級(jí)配3粒徑。通過人工壓實(shí)的方法制備85%、90%和95%的3種不同壓實(shí)度的土試樣。為減小誤差出現(xiàn)，設(shè)立平行試樣。

圖1 不同顆粒級(jí)配

首先，將黏性土放入溫度達(dá)105℃的烘箱中持續(xù)烘干24 h，然后取出試樣土進(jìn)行人工擊碎。過2、1、0.5、0.25 mm和0.075 mm的篩孔篩分，小于0.075 mm的細(xì)粒黏土采用乙種密度計(jì)法進(jìn)行篩分，然后按照?qǐng)D1不同顆粒級(jí)配均勻混合制配試樣土。按照上述級(jí)配與壓實(shí)度的要求進(jìn)行制配試樣。

將制配的試樣土放入離心機(jī)專用的環(huán)刀中，抽真空飽和。將飽和后的土樣放天平上稱重記錄數(shù)據(jù)，用游標(biāo)卡尺量取土樣長(zhǎng)度并確定飽和時(shí)試樣土的重度，然后將飽和的環(huán)刀試樣放入轉(zhuǎn)子中進(jìn)行總質(zhì)量記錄。由于壓實(shí)度不同、顆粒級(jí)配不同或人為因素影響，飽和試樣的環(huán)刀放入轉(zhuǎn)子稱量所得的4個(gè)轉(zhuǎn)子質(zhì)量會(huì)有差距。為了減少由于非平衡造成的轉(zhuǎn)軸的磨損和偏心對(duì)基質(zhì)吸力的誤差，人為加墊片使4個(gè)轉(zhuǎn)頭及對(duì)稱2個(gè)轉(zhuǎn)頭之間質(zhì)量差控制在1 g之內(nèi)。按照儀器轉(zhuǎn)數(shù)所對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力對(duì)平衡時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，每達(dá)到1個(gè)平衡時(shí)間將轉(zhuǎn)子拿出，把脫去的水倒出，用毛巾擦干凈，然后稱取質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)。

4個(gè)轉(zhuǎn)子稱取完后，按上述方法對(duì)4個(gè)轉(zhuǎn)子質(zhì)量再進(jìn)行配平，重復(fù)上述操作，得到各基質(zhì)吸力狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子質(zhì)量。試驗(yàn)結(jié)束后，將裝土樣的環(huán)刀從轉(zhuǎn)子中取出，再將試樣土從環(huán)刀中取出放鋁盒中稱取質(zhì)量，接著把盛土鋁盒放入烘箱烘干稱重，換算得到最后土樣中含水質(zhì)量。通過記錄不同基質(zhì)吸力對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子的脫水質(zhì)量，得到各過程對(duì)應(yīng)的質(zhì)量含水率。通過質(zhì)量和體積關(guān)系換算得到試樣土的容重，隨之得到對(duì)應(yīng)的體積含水率，進(jìn)而得到體積含水率與基質(zhì)吸力的特征曲線，即重塑黏土的土-水特征曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓實(shí)度對(duì)土-水特征曲線的影響

級(jí)配相同的情況下3種壓實(shí)度土樣土-水特征曲線見圖2。從圖2可知：

圖2 不同壓實(shí)度土樣土-水特征曲線

(1)在不同壓實(shí)度情況下，同種顆粒級(jí)配的黏土的基質(zhì)吸力與體積含水率的曲線形式基本相同。在相同體積含水率條件下，壓實(shí)度小的土樣所對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力較??；在相同基質(zhì)吸力條件下，壓實(shí)度小的土樣含水率較低，此結(jié)果與王協(xié)群[10]結(jié)果一致。當(dāng)基質(zhì)吸力在0～100 kPa變化時(shí)，黏土的體積含水率從飽和含水率變化至30%～40%，此階段的體積含水率會(huì)隨著基質(zhì)吸力呈直線下降趨勢(shì)；含水率從飽和降至液限和塑限之間，變化曲線趨于1條斜直線。當(dāng)基質(zhì)吸力在100～900 kPa時(shí)，黏土的體積含水率會(huì)隨著基質(zhì)吸力的增大而緩慢減小，體積含水率大致在塑限范圍，并且曲線變化幅度趨于平緩。當(dāng)基質(zhì)吸力超過900 kPa以后，黏土的體積含水率逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)的體積含水率已經(jīng)低于塑限值，并且變化的幅度趨于1個(gè)常數(shù)。

(2)黏土中體積含水率的大小會(huì)隨著基質(zhì)吸力的增大而減少，即當(dāng)黏土從飽和到非飽和脫水的過程中，黏土對(duì)土中水的毛細(xì)力和吸附力越來越強(qiáng)，且在土體開始從飽和狀態(tài)到非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)化的初始階段，土中水的脫水曲線變化很明顯，呈驟降趨勢(shì)，體積含水率受基質(zhì)吸力的影響很大。當(dāng)飽和度繼續(xù)下降即土中水的脫水到達(dá)緩慢階段，此時(shí)基質(zhì)吸力對(duì)土中水的影響逐漸降低，并慢慢趨于穩(wěn)定。而當(dāng)土中水含量低于塑限時(shí)，此時(shí)脫水過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，基質(zhì)吸力持續(xù)增加時(shí)，土中的水基本穩(wěn)定不變，原因是土中的自由水明顯減少，相對(duì)的結(jié)合水含量增多，土對(duì)結(jié)合水的吸力越來越大，失水就越困難。此試驗(yàn)所測(cè)重塑黏土土-水特征曲線與前人研究具有一致性，故對(duì)后期考慮基質(zhì)吸力影響下的水分遷移規(guī)律具有一定參考價(jià)值。

(3)隨著壓實(shí)度的增大，土的飽和含水率隨之減小，這主要的原因在于，當(dāng)土樣的壓實(shí)度增大時(shí)，土樣的干密度增大，說明土體中的孔隙減小，土體會(huì)更加密實(shí)，土體進(jìn)水進(jìn)氣所需要的氣壓越高，空氣或水進(jìn)入壓實(shí)度高的土體所需要的時(shí)間更長(zhǎng)更困難。在級(jí)配一定的情況下，體積含水率相同時(shí)，95%壓實(shí)度的土樣有更大的基質(zhì)吸力，這說明壓實(shí)度越高時(shí)，干密度越大，土樣對(duì)水的持水能力越強(qiáng)，不容易失水；且當(dāng)基質(zhì)吸力越來越大時(shí)，壓實(shí)度越高的土體，殘余的體積含水率越大，曲線變化幅度相對(duì)較小。對(duì)于體積含水率相同的土樣，壓實(shí)度越大時(shí)，土樣中土的飽和度就越高，受外界如地下水位、干濕循環(huán)等自然環(huán)境影響就越小。

2.2 顆粒級(jí)配對(duì)土-水特征曲線的影響

壓實(shí)度相同的3種顆粒級(jí)配土樣的土-水特征曲線見圖3。從圖3可知：

圖3 不同顆粒級(jí)配土樣土-水特征曲線

(1)在不同的顆粒級(jí)配情況下，同種壓實(shí)度下的黏土基質(zhì)吸力與體積含水率的曲線形式一致。細(xì)粒含量多的級(jí)配3土樣所對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力越大，在相同基質(zhì)吸力的情況下，級(jí)配3土樣的體積含水率越高，這說明土的顆粒級(jí)配對(duì)于土體的基質(zhì)吸力及體積含水率有重要影響。從圖3a可以看出，基質(zhì)吸力為0時(shí)，級(jí)配3土樣的飽和含水率最小，級(jí)配1土樣最高，并且隨著脫水過程的繼續(xù)，級(jí)配3土樣的曲線一直在其他級(jí)配曲線之上，土樣的基質(zhì)吸力越來越大時(shí)，細(xì)粒含量多的級(jí)配3土樣的殘余體積含水率高于其他級(jí)配土樣。這是由于當(dāng)土體細(xì)粒含量增大時(shí)，土顆粒之間的孔隙變小，土體的滲透系數(shù)變小，在土脫水過程中，土體中的孔隙很難形成順通的孔道，空氣和水進(jìn)出困難，造成級(jí)配3土樣飽和含水率低，殘余含水率高。

(2)重塑黏土中體積含水率的大小與基質(zhì)吸力呈負(fù)相關(guān)。黏土在失水過程中，土對(duì)土中水的吸附能力越來越強(qiáng)。在土體失水的初始階段，黏土中水的失水很明顯，呈直線下降的趨勢(shì)，土體中的水這時(shí)比較活躍敏感，此時(shí)基質(zhì)吸力變化不明顯。當(dāng)土體中的水繼續(xù)脫去，土-水特征曲線也達(dá)緩平階段，此時(shí)土中水的敏感性降低，曲線慢慢趨于穩(wěn)定，基質(zhì)吸力變化幅度增大?；|(zhì)吸力大于900 kPa時(shí)，土體中含水率趨于塑限，曲線達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)無論基質(zhì)吸力變化多大，土中的體積含水率也不會(huì)有很大變化，這就是土體自身的一種持水能力的表現(xiàn)形式。此形式在分析壓實(shí)度對(duì)土-水特征曲線的影響也得到充分體現(xiàn)。

(3)級(jí)配1的飽和含水率大于級(jí)配2和級(jí)配3，這說明隨著細(xì)粒含量的增多，土的飽和含水率隨之減小，而級(jí)配3在最后所對(duì)應(yīng)的殘余含水率大，且級(jí)配3曲線幅度較穩(wěn)定，與何忠明等[8]研究一致。壓實(shí)度超過90%時(shí)，3種級(jí)配的土-水特征曲線基本趨于一致，這說明當(dāng)壓實(shí)度足夠大時(shí)，粒徑的大小對(duì)于土的持水能力影響不大。因此，在路基填料等工程中，壓實(shí)度超過90%對(duì)于顆粒級(jí)配填料的要求不會(huì)太高，這有利于減小填土級(jí)配不佳造成的路基不穩(wěn)定性及沉降等工程問題。

3 結(jié) 語

本文采用離心機(jī)法，綜合分析顆粒級(jí)配與壓實(shí)度對(duì)東北路基黏土的基質(zhì)吸力的影響，得出以下結(jié)論：

(1)黏土基質(zhì)吸力與體積含水率的曲線形式基本相同，土中體積含水率會(huì)隨著基質(zhì)吸力的增大而減少。黏土的基質(zhì)吸力受顆粒級(jí)配和壓實(shí)度共同作用，壓實(shí)度大于95%時(shí)，不同級(jí)配下的土-水特征曲線趨于穩(wěn)定。本文研究結(jié)論與前人研究具有一致性，故此方法是可行的、合理的。

(2)顆粒級(jí)配一定時(shí)，隨著壓實(shí)度的增大，黏土的飽和含水率隨之減小，但殘余含水率卻增大；體積含水率相同時(shí)，壓實(shí)度大的土體的基質(zhì)吸力大；基質(zhì)吸力一定時(shí)，壓實(shí)度大的土體所持有的含水率越大。

(3)壓實(shí)度一定時(shí)，隨著細(xì)粒含量的增多且級(jí)配越均勻，黏土的飽和含水率隨之減小，但殘余含水率增大；體積含水率相同時(shí)，細(xì)粒含量多的土體具有更大的基質(zhì)吸力；基質(zhì)吸力一定時(shí)，細(xì)粒含量多的土體的持水能力更強(qiáng)。