改性玄武巖殘積土土-水特征曲線試驗研究

程學(xué)磊 張瑞敏 李巖

摘要：為研究地下水對改性玄武巖殘積土的影響，采用經(jīng)過石灰、粉煤灰和水泥改性處理的兩種不同配比及未處理土（對照組）進(jìn)行土-水特征曲線試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型擬合。研究結(jié)果表明：① 土-水特征曲線由下降段和平緩段組成，下降段基質(zhì)吸力對非飽和土的性質(zhì)影響顯著，平緩段影響不顯著;② 體積含水率隨基質(zhì)吸力的增大而逐漸減小，同時改性玄武巖殘積土飽和度與基質(zhì)吸力表現(xiàn)出相似變化特征，說明改性后的玄武巖殘積土持水性良好;③ Van Genuchten模型、Brooks-Corey 模型和Fredlund-Xing模型與試驗一致性較好，其中上述模型對改性土2來說模擬效果良好，改性土1次之，考慮到水穩(wěn)性應(yīng)優(yōu)先選用改性土2。

關(guān) 鍵 詞：玄武巖殘積土;土-水特征曲線;基質(zhì)吸力;含水率;飽和度

中圖法分類號：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0203-06

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.033

0 引 言

玄武巖殘積土是由玄武巖完全風(fēng)化后，殘留原地或經(jīng)過短途搬運后堆積的特殊土。中國西南地區(qū)分布著大量玄武巖殘積土，由于受到冬干夏濕、多雨、亞熱帶高原氣候的影響，其風(fēng)化物具有穩(wěn)定性差、孔隙比大、液塑限高、強(qiáng)度低等特性，導(dǎo)致路堤與路基易發(fā)生工程事故和地質(zhì)災(zāi)害。因此，開展玄武巖殘積土的物理力學(xué)特性研究，并在此基礎(chǔ)上提出工程治理方案很有必要。

土-水特征曲線（SWCC，Soil-Water Characteristic Curves）是指吸力與土的含水率之間的關(guān)系曲線，它與非飽和滲透性緊密相關(guān)，同時也反映吸力作用下土體的持水能力[1-2]。在非飽和土力學(xué)中，土-水特征曲線主要用于估算土的滲透系數(shù)、強(qiáng)度、應(yīng)力狀態(tài)以及土力學(xué)特征參數(shù)[3]。土力學(xué)中的土-水特征曲線試驗相對較晚，并且發(fā)展緩慢，困難在于土力學(xué)中進(jìn)行土-水特征曲線試驗研究時，不僅需考慮土體成分和結(jié)構(gòu)的影響，還要考慮應(yīng)力狀態(tài)的影響[4]。國內(nèi)外諸多學(xué)者雖然進(jìn)行了大量的干濕循環(huán)試驗、崩解試驗、土-水特征曲線試驗研究，但是主要以傳統(tǒng)的黏性土、黃土以及膨脹土研究為主[5-10]。已有研究將理論、試驗測試與預(yù)測方法有機(jī)地聯(lián)系起來，解釋了非飽和土性狀的主要本構(gòu)關(guān)系 [11-16]。

目前針對玄武巖殘積土的研究較少，對工程處理措施的研究更少，故本文基于已有成果和經(jīng)驗對改性玄武巖殘積土進(jìn)行土-水特征曲線展開試驗研究，并分析試驗結(jié)果;采用經(jīng)驗?zāi)Ｐ湍M改性土土-水特征曲線的相關(guān)參數(shù)，對參數(shù)的擬合結(jié)果進(jìn)行分析。

1 試驗儀器及試驗原理

1.1 試驗儀器

試驗采用美國SOILMOISTRUE綜合壓力板儀，如圖1所示。壓力板儀器是量測非飽和土土-水特征曲線的基本儀器之一，主要由供氣系統(tǒng)、調(diào)壓閥、壓力鍋及盛水容量瓶等組成。供氣系統(tǒng)由高壓氮氣瓶、減壓閥構(gòu)成。減壓閥起粗調(diào)作用，將氮氣瓶里的高壓氣體變成低壓氣體;調(diào)壓閥起到細(xì)調(diào)作用，以精確控制給壓力鍋輸入的氣壓力值。根據(jù)改性土有關(guān)力學(xué)性質(zhì)，選用進(jìn)氣值分別為5 bar和15 bar的陶土板。

1.2 試驗原理

土樣放在透水不透氣的陶土板上，排水管與陶土板、通向大氣的鋼管相通。在壓力板儀器內(nèi)施加不同的氮氣值，相當(dāng)于施加不同的基質(zhì)吸力。其本質(zhì)是采用軸平移技術(shù)試驗，主要測定土樣在不同的基質(zhì)吸力作用下的含水量，研究失水過程中的土-水特征曲線（SWCC）。由氮氣施加給土樣基質(zhì)吸力，其大小采用傳感器測定，由壓力表讀取。含水量是由在每級平衡下試樣的質(zhì)量與初始質(zhì)量之差，通過換算得出體積含水率或飽和度。

參照GB-T50123-1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中增加的水量公式和飽和度公式進(jìn)行干密度代入換算得出飽和度，具體公式如下：

式中：ρd為制備試樣所需的干密度，g/cm3;Δm為制備擾動土樣應(yīng)增加的水量，g;v為計算出所用環(huán)刀容積，cm3;Sr為飽和度，%;ρ為飽和后的密度，g/cm3;Gs為土粒比重;e為土的孔隙比;ω′為土樣所要求含水量，%;ω為飽和后的含水量，%。

2 試驗方案與步驟

2.1 試驗方案

試驗土樣取自貴州省赫章縣畢節(jié)高速路段代表性土樣。將取得的土樣混合后放置通風(fēng)處風(fēng)干，然后在橡皮板上碾碎，分別取一定量的土過5.0，2.0，0.5 mm的篩，為物理力學(xué)特性試驗做準(zhǔn)備。試驗操作方法和制作工程嚴(yán)格按照GB/T 50123-2019《土工試驗規(guī)程》，展開對殘積土的物理試驗。玄武巖殘積土的物性指標(biāo)如表1所列。

試驗土樣取800 g。由于土粒較細(xì)，首先把800 g土樣先用蒸餾水進(jìn)行水洗，得到粒徑大于0.075 mm的土顆粒不到10%，故將粒徑小于0.075 mm的土顆粒進(jìn)行烘干，取30 g用密度計法進(jìn)行顆粒分析試驗，顆粒分布曲線如圖2所示。

該玄武巖殘積土的液限大于40，塑性指數(shù)在10～17范圍內(nèi)，殘積土屬于粉質(zhì)黏土。

根據(jù)改性試驗研究得出的最佳配比，制作未改性土、改性土1（填料占干土質(zhì)量的百分比為8%石灰、8%粉煤灰、2%水泥[17]）、改性土2（8%石灰、6%粉煤灰、2%水泥）（在改性1的基礎(chǔ)上經(jīng)過優(yōu)化分析得出的）3種土料。對未改性土和兩種最佳配比土進(jìn)行比較和分析，每組有3個平行處理試驗。

試驗中，石灰采用消石灰粉，粉煤灰取自青山熱電廠火電廠鍋爐燃燒后的排放物，屬于二級粉煤灰（2.0 g·cm-3），其化學(xué)成分主要是SiO2、Al2O3和Fe2O3，三者總和一般超過70%，稱為硅鋁玻璃體，含量越多，活性越大，另外還有少量的CaO、MgO和SO3等。水泥采用42.5的普通硅酸鹽水泥。

2.2 試驗步驟

對3種土樣進(jìn)行土-水特征曲線試驗，為了避免引起誤差或試驗重復(fù)操作，應(yīng)嚴(yán)格按照以下操作步驟進(jìn)行。

（1）土樣的飽和。

采用直徑6.18 cm，高2 cm的環(huán)刀制作試樣，按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。將養(yǎng)護(hù)好的試樣采用重疊式的飽和裝置進(jìn)行飽和：首先，在飽和裝置夾板上依次放透水石、濾紙、試樣、濾紙、透水石;其次，重復(fù)放置，一般一個飽和裝置放置4～8個;擰緊螺母，將裝有試樣的飽和裝置放入真空罐中進(jìn)行飽和，啟動抽氣機(jī)，當(dāng)真空表達(dá)到一個大氣壓值左右后，繼續(xù)抽氣2 h;最后注水，待水淹沒飽和器后，停止抽氣，靜置24 h，以保證試樣充分飽和。

（2）飽和陶土板。

將選定好的陶土板浸潤，放入蒸餾水中24 h，然后把三角形支撐架擺放在提取壓力容器的底部，放入陶土板，目的是使較低位置的陶土板不接觸到提取容器底部。然后，將3個塑料墊片互成120°放在第一塊陶土板上，之后放入第二塊陶土板，按同樣方法放置第三塊陶土板。放置好陶土板，連接好外部水管配件，小心地向各壓力板表面添加少許蒸餾水。蓋上板蓋，擰緊螺絲，調(diào)節(jié)氣壓控制閥至10 kPa，使氮氣施加的壓力通過頂部依次向下進(jìn)入壓力板中。由于壓力的作用，蒸餾水會慢慢地從鋼管流出，直至蒸餾水不再流出，達(dá)到平衡，此過程進(jìn)行2 d。

（3）土樣放入壓力板儀器內(nèi)及施加壓力。

陶土板和試樣均飽和后，將飽和的試樣依次從飽和裝置卸下來，打開壓力板儀，將稱取過的飽和土樣放在陶土板上。在放置試樣過程中，試樣一定要輕拿輕放，以免水分蒸發(fā)，同時注意避免土樣脫落或者破壞，從而影響試驗結(jié)果的可靠性。

蓋上板蓋，擰緊螺絲，調(diào)節(jié)氣壓力閥到10 kPa，使試樣在此氣壓下平衡。

（4）稱取平衡狀態(tài)下的土樣質(zhì)量。

采用比重瓶測定從鋼管流出的水，當(dāng)比重瓶和水的質(zhì)量不變或者出現(xiàn)下降的趨勢時，則表明試樣在此壓力下平衡，其時間大約為8 d。然后對其進(jìn)行放氣，將氣壓控制閥調(diào)至為0 kPa，取出試樣，稱取試樣質(zhì)量。

稱取試樣質(zhì)量后，依次把陶土板放入壓力板儀中，并依次放入試樣，按步驟（3）和（4）繼續(xù)加壓，本試驗測定10，30，50，76，130，260，300，465，730，960，1 200，1 370 kPa下達(dá)到平衡后的質(zhì)量。

（5）計算并繪制土-水特征曲線圖。

根據(jù)在每級作用下試樣質(zhì)量的變化，計算出相應(yīng)的體積含水率或飽和度，然后以基質(zhì)吸力為橫坐標(biāo)，體積含水率或者飽和度為縱坐標(biāo)，繪制土-水特征曲線。

3 試驗結(jié)果分析與討論

3.1 典型的非飽和土土-水特征曲線

典型非飽和土的SWCC分為3個階段，即邊界效應(yīng)階段、轉(zhuǎn)化階段以及殘余階段[18]，如圖3所示。

圖中A點為進(jìn)氣值，是土樣由飽和變成非飽和的分界點，當(dāng)所給的吸力增大到一定值時，氣體開始進(jìn)入土中，隨著基質(zhì)吸力的增大，至進(jìn)氣值時，氣體開始進(jìn)入土體最大的孔隙中。B點為殘余含水率θr，當(dāng)土體含水率低于該值時，基質(zhì)吸力增大得比較迅速。

對于非飽和SWCC的研究，學(xué)者提出了很多實用的SWCC模型，但是由于土中水和土體之間的相互作用比較復(fù)雜，目前尚未有理想的理論模型，經(jīng)常用的多為經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。本文采用常見的Van Genuchten模型、Brooks-Corey模型和Fredlund-Xing模型，對所測的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并進(jìn)行對比分析[19-20]。

3.2 試驗結(jié)果及分析

試驗基質(zhì)吸力控制序列取12個等級，歷時86 d，這3種不同種類的土的體積含水率、飽和度與基質(zhì)吸力的關(guān)系變化如圖4所示。

由圖4可見：體積含水率隨基質(zhì)吸力的增大而逐漸減小，二者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，同時其飽和度與基質(zhì)吸力也是呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;殘積土變化相對較大，改性土1和改性土2變化不太明顯;殘積土在開始下降得較快，但是隨著基質(zhì)吸力的增大，趨于平衡，體積含水率整體下降了12.4%，飽和度下降了26%。改性土1和改性土2均在0～30 kPa曲線下降較快，但是之后也都趨于平緩變化，其體積含水率分別下降了2.1%，2.6%，飽和度下降了4.6%，6.0%。

試驗所得的土-水特征曲線與典型的非飽和土-水特征曲線有明顯的差別，說明改性殘積土的土-水特征曲線不完整，主要原因就是壓力過小，壓力板儀器的進(jìn)氣值較小。曲線總體分為兩個階段，下降階段和平緩階段。工程中，大部分非飽和都處于土-水特征曲線的下降段，這是因為土體的基質(zhì)吸力達(dá)到或者超過進(jìn)氣值時，氣體就會處于內(nèi)部孔隙連通狀態(tài)或者部分連通狀態(tài)，所以隨著基質(zhì)吸力的增大，飽和度或者體積含水率均呈現(xiàn)下降的趨勢。由圖3可知，其基質(zhì)吸力在較小時就達(dá)到了進(jìn)氣值，幾乎整個階段都處于SWCC的下降區(qū)段。這是因為隨著基質(zhì)吸力的增大，氮氣填充并占據(jù)了土體較大的孔隙通道，體積含水率或者飽和度也會快速下降，最終使非飽和土的性質(zhì)產(chǎn)生很大的變化。隨著土體水分的減少，基質(zhì)吸力增大，水分很難排出，從而土-水特征曲線逐漸變得比較平緩，這是因為此時的壓力作用下，處于全連通狀態(tài)，排出的水位于個別孔隙和孔隙死角中，并且此時的基質(zhì)吸力對非飽和土的性質(zhì)影響較小。

改性土1和改性土2初始的土樣的斜率相對較陡，但是隨著基質(zhì)吸力的逐漸增加，當(dāng)基質(zhì)吸力大于空氣進(jìn)入值時，曲線斜率下降的比較緩慢，曲線儲水系數(shù)變化不大，土體的持水能力并沒有受到很大的影響。這也說明改性殘積土的持水性相對較好，有較好的水穩(wěn)性。未改性土相對于改性土1和改性土2變化幅度較大，這說明殘積土的持水性不好，水穩(wěn)性較差。這是因為石灰、粉煤灰、水泥均是呈精細(xì)的粉末狀，從物理方面來講，它們充分填充了殘積土原來的孔隙并結(jié)合更細(xì)的殘積土，改變了殘積土的顆粒和孔徑分布;從化學(xué)方面分析，因為石灰、粉煤灰、水泥在適宜的條件下充分與殘積土發(fā)生物理化學(xué)變化，結(jié)合成整體。這樣導(dǎo)致氣體越來越難進(jìn)入到土樣中，其進(jìn)氣值相對于未改性土較大，則其曲線變化不是很明顯。

4 殘積土土-水特征曲線模型擬合

4.1 模型介紹

土-水特征曲線的模型參數(shù)式對非飽和土強(qiáng)度和本構(gòu)關(guān)系的表達(dá)式是非常重要的，大部分是根據(jù)經(jīng)驗、土體結(jié)構(gòu)特征和曲線的形狀，建立土-水特征曲線的數(shù)學(xué)模型。為了更好反映SWCC的規(guī)律，采用式（3）Van Genuchten模型、式（4）Brooks-Corey模型[9]和式（5）Fredlund-Xing模型，擬合其相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行對比分析。

（1）Van Genuchten方程：

式中：θ為土體的體積含水量，θs為飽和含水量;ψ為土體的基質(zhì)吸力;θr為殘余體積含水量;a為與進(jìn)氣值有關(guān)的參數(shù)，kPa;b、c既可作為獨立變量，也可作為約束變量，其中b為在基質(zhì)吸力大于進(jìn)氣值之后與土體脫水率有關(guān)的土參數(shù)，c為與殘余含水量有關(guān)的參數(shù)。

（2）Brooks-Corey方程：

式中：θ為土體的體積含水量，θs為飽和含水量;ψ為土體的基質(zhì)吸力;θr為殘余體積含水量;a為與進(jìn)氣值有關(guān)的參數(shù)，kPa;b為孔徑參數(shù)。

（3）Fredlund-Xing方程：

式中：θ為土體的體積含水量;θs為飽和含水量;ψ為土體的基質(zhì)吸力;θr為殘余體積含水量;a為與進(jìn)氣值有關(guān)的參數(shù)，kPa;b為在基質(zhì)吸力大于進(jìn)氣值之后與土體脫水率有關(guān)的土參數(shù);c為與殘余含水量有關(guān)的參數(shù)。

采用Origin軟件對殘積土進(jìn)行擬合，其步驟如下：

① 定義各個參數(shù)的代號;

② 定義因變量與自變量;

③ 輸入?yún)?shù)模型的函數(shù)表達(dá)式;

④ 根據(jù)自變量與因變量之間的關(guān)系，輸入待擬合的數(shù)據(jù)，畫出點圖;

⑤ 輸入各個參數(shù)的初始值，其中θs的初始值是始終不變的，進(jìn)行迭代，當(dāng)各個參數(shù)迭代不變時，擬合結(jié)束，得到各個參數(shù)的最優(yōu)值。

4.2 未改性殘積土

未經(jīng)過改性處理的殘積土參數(shù)如表2所列，擬合結(jié)果如圖5所示。采用3種模型對玄武巖殘積土進(jìn)行了土-水特征曲線的擬合，由相關(guān)系數(shù)可知，Van Genuchten模型模擬的曲線相關(guān)系數(shù)較高，其次是Brooks-Corey模型，這說明采用Van Genuchten模型擬合殘積土土-水特征曲線的效果較好，同時也表明數(shù)據(jù)與模型之間有很好的相關(guān)性，不同模型所對應(yīng)的參數(shù)不同。

4.3 改性土1

對改性土1進(jìn)行模擬，得到經(jīng)驗參數(shù)見表3和圖6。由圖表可見，模擬相關(guān)參數(shù)R2介于0.80～0.90，Van Genuchten、Brooks-Corey這兩種模型模擬結(jié)果接近相等，其相關(guān)性良好，但相比未改性土的擬合效果略差。Van Genuchten模型所得的殘余含水量低于未改性土的殘余含水量，而Brooks-Corey模型得到的殘余含水量則高于未改性土;與進(jìn)氣值相關(guān)的參數(shù)a均高于未改性土的，而b均低于未改性土的，同時c隨著b的速化而降低。這說明改性土的進(jìn)氣值大于殘積土的進(jìn)氣值，并且脫水速率和殘余含水率較殘積土的低。因此，改性土具有很好的水穩(wěn)性。

4.4 改性土2

對改性土2通過Origin軟件進(jìn)行模擬得到經(jīng)驗參數(shù)如表4和圖7所示。改性土2的相關(guān)參數(shù)R2介于0.94～0.95，其相關(guān)系數(shù)良好。Van Genuchten模型的相關(guān)系數(shù)高于其他兩種模型。根據(jù)模型參數(shù)的比較，同理證明了改性土2也具有良好的持水性。

由殘積土、改性土1、改性土2三種土樣進(jìn)行的模擬表明，Van Genuchten模型較好，Brooks-Corey模型次之，F(xiàn)redlund-Xing模型較差。并且參數(shù)隨著不同改性土而變化。由模擬結(jié)果顯示，采用Van Genuchten模型較好，Brooks-Corey模型次之。這三種數(shù)學(xué)模型模擬玄武巖殘積土良好，對改性土2模擬的參數(shù)良好，而對改性土1來說較差。

不同種類的土持水性表現(xiàn)出差異性，其中殘積土的持水性較差，改性土1和改性土2持水性較好，即改性土的水穩(wěn)性較好。但是在用于路基填料時，水穩(wěn)性方面的研究表明應(yīng)優(yōu)先考慮改性土2。

5 結(jié) 論

（1）土-水特征曲線的基本形狀有下降段和平緩段，下降段基質(zhì)吸力對非飽和土的性質(zhì)影響較大，平緩段影響較小。

（2）體積含水率隨著基質(zhì)吸力的增大而逐漸減小，二者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，同時其飽和度與基質(zhì)吸力也呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。通過對未改性土、改性土1和改性土2的對比，改性土持水性相對較好。

（3）對未改性土的模擬表明，VG模型、Brooks-Corey模型和Fredlund-Xing模型這3種模型效果較好，對于改性土2來說這3種模型模擬效果良好，而對改性土1卻是較差的。同時，未改性土的水穩(wěn)性較差，從水穩(wěn)性表現(xiàn)考慮應(yīng)優(yōu)先考慮選用改性土2。

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（編輯：鄭 毅）