基于動(dòng)態(tài)多步流動(dòng)法的非飽和土持水特性試驗(yàn)研究

馮巧云，畢慶濤，馬佳兵，梁世春，徐 迪

(1.華北水利水電大學(xué)， 河南 鄭州 450046；2.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司, 山西 太原 030012)

非飽和土是一種由固相、液相和氣相組成的三相體。與飽和土相比，氣相的存在使非飽和土的性質(zhì)更加復(fù)雜，這給非飽和土工程特性的研究帶來了許多困難。隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的推進(jìn)，工程中遇到的非飽和土問題日益突出，由于目前缺乏合理的非飽和土力學(xué)理論來指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和施工，引發(fā)了很多工程事故[1]。其中，基質(zhì)吸力是影響非飽和土工程性質(zhì)的重要參數(shù)。通常采用土-水特征曲線(簡(jiǎn)寫為SWCC曲線)描述基質(zhì)吸力與飽和度之間的關(guān)系[2]。SWCC曲線作為非飽土和力學(xué)中最基礎(chǔ)的本構(gòu)關(guān)系，它對(duì)非飽和土工程特性，如滲透系數(shù)[3-5]，抗剪強(qiáng)度[6-8]、應(yīng)力和應(yīng)變[9-10]等的研究具有重要意義。

國內(nèi)外很多學(xué)者開展了非飽和土水力特性研究，并對(duì)SWCC曲線進(jìn)行了深入的探討。Tarantino[11]認(rèn)為，通過改變孔隙比大小使土的密實(shí)程度發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致SWCC曲線的形態(tài)隨之改變；李同錄等[12]用壓汞試驗(yàn)、濾紙法測(cè)SWCC曲線，并用掃描電鏡獲得其微觀結(jié)構(gòu)圖像，進(jìn)行了擊實(shí)黃土孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)土水特征曲線的影響分析；鄭方等[13]利用GCTS土-水特征曲線儀對(duì)三種不同粒度的土進(jìn)行增減濕循環(huán)試驗(yàn)，分析粒度對(duì)非飽和土土-水特性的影響；Wang等[14]通過分析壓力板試驗(yàn)原理和土樣的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)尺寸較小的圓形試樣可以縮短SWCC曲線測(cè)試的時(shí)間；李幻等[15]在改進(jìn)的壓力板儀測(cè)試系統(tǒng)上對(duì)粉土試樣開展動(dòng)態(tài)多步流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，最終得到平衡狀態(tài)下SWCC脫濕曲線，與常規(guī)平衡態(tài)測(cè)試方法相比可以大大節(jié)省時(shí)間。

目前關(guān)于非飽和土SWCC曲線的研究大多數(shù)都是基于傳統(tǒng)測(cè)試方法，即在平衡狀態(tài)下測(cè)試，一條SWCC曲線的測(cè)試時(shí)間為數(shù)周甚至數(shù)月，耗時(shí)較長(zhǎng)。動(dòng)態(tài)多步流動(dòng)法[16]的提出為縮短試驗(yàn)時(shí)間做出了貢獻(xiàn)。該方法是在試樣含水率與基質(zhì)吸力未達(dá)到平衡時(shí)，就施加下一級(jí)的基質(zhì)吸力；通過理論分析，得到平衡狀態(tài)下試樣的SWCC曲線。

本文以山西太原非飽和黃土為對(duì)象，在改進(jìn)的壓力板儀上利用動(dòng)態(tài)多步流動(dòng)法測(cè)定原狀土和重塑土的土-水特征曲線，并對(duì)比分析兩者差異，為非飽和土持水特性的研究提供參考。

1 儀器改進(jìn)和試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)利用GEO-Experts壓力板儀測(cè)定非飽和黃土原狀樣與重塑樣脫濕過程的SWCC曲線。此壓力板儀存在不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溢出水的質(zhì)量，測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，無法準(zhǔn)確測(cè)量陶土板底部氣泡體積等問題，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)多步流動(dòng)法試驗(yàn)無法進(jìn)行，因此需要改進(jìn)。改進(jìn)后的壓力板儀，增加了數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)，氣泡體積測(cè)量系統(tǒng)和儲(chǔ)水沖刷系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 改進(jìn)的壓力板儀測(cè)試系統(tǒng)示意圖

改進(jìn)后的壓力板儀可以人為設(shè)定記錄溢出水質(zhì)量的時(shí)間間隔(本試驗(yàn)設(shè)置為每30 s采集一次)，避免了試驗(yàn)過程中將試樣拿出時(shí)由于土體掉落產(chǎn)生的誤差；在重力的作用下，打開儲(chǔ)水沖刷系統(tǒng)的開關(guān)后可將陶土板下產(chǎn)生的氣泡排除，氣泡體積測(cè)量系統(tǒng)可以精確的測(cè)量氣泡體積，減小試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)土樣取自山西太原某工程的非飽和原狀黃土。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17](GB/T 50123—2019)，測(cè)得土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，顆粒級(jí)配曲線見圖2。

表1 試驗(yàn)黃土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

圖2 試驗(yàn)黃土顆粒級(jí)配曲線

制備原狀土與重塑土環(huán)刀試樣(直徑61.8 mm，高20 mm)。制備原狀樣時(shí)，把環(huán)刀放在水平土樣層面，將環(huán)刀以外的土切掉，緩慢旋轉(zhuǎn)環(huán)刀至土樣完全充滿環(huán)刀，過程中應(yīng)盡量避免環(huán)刀內(nèi)土體結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng)；利用原狀土制備重塑樣時(shí)，將土樣烘干(105℃)，碾碎，利用制樣器與千斤頂制備與原狀樣相同含水率與干密度的重塑樣。最后對(duì)試樣進(jìn)行真空抽氣飽和后開始試驗(yàn)。

開始試驗(yàn)前，將底座中的陶土板和整個(gè)系統(tǒng)線路進(jìn)行飽和。然后將土樣放入壓力室，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)壓閥施加一小吸力至10 kPa，使得試樣從飽和狀態(tài)變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)，即不再有水溢出后，開始動(dòng)態(tài)多步流動(dòng)試驗(yàn)。各級(jí)吸力的加載時(shí)間人為確定，這里參考伊盼盼等[16]使用的加載方案，設(shè)定為20 kPa→30 kPa→40 kPa→60 kPa→90 kPa→130 kPa→170 kPa→210 kPa→290 kPa，加載所用時(shí)間見表2。利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄溢出水的質(zhì)量。試驗(yàn)過程中，在每級(jí)吸力加載結(jié)束后要對(duì)聚集在陶土板底部的氣泡體積進(jìn)行沖刷和測(cè)量，用以修正各級(jí)吸力作用過程中溢出水的質(zhì)量。

表2 動(dòng)態(tài)多步流動(dòng)試驗(yàn)加載時(shí)間

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 溢水量

改進(jìn)后的壓力板儀可以采集到飽和后土樣溢出水累計(jì)質(zhì)量的數(shù)據(jù)，但由于試驗(yàn)過程中陶土板底部氣泡的存在導(dǎo)致采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與實(shí)際溢水量相比偏大，需將排除的氣泡體積換算成等體積水的質(zhì)量，即多余溢水質(zhì)量，然后對(duì)原始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，可得到相對(duì)精確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

對(duì)修正后的溢水量進(jìn)行處理，獲得了試樣溢水量和基質(zhì)吸力與時(shí)間的關(guān)系，如圖3和圖4所示。從圖中可以看出，試驗(yàn)前期，原狀樣和重塑樣的溢水量和溢水速度均較小，曲線較平緩，這是因?yàn)槭┘拥奈^小，水不易從試樣中排出。試驗(yàn)中期，對(duì)原狀樣而言，當(dāng)基質(zhì)吸力達(dá)到40 kPa～60 kPa時(shí)，曲線趨勢(shì)開始變陡，斜率較大，此時(shí)溢水速率較大；而重塑樣的溢水速率開始變大時(shí)，對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力則為60 kPa～90 kPa。試驗(yàn)后期，隨著基質(zhì)吸力的變大，原狀樣與重塑樣的溢水速率開始逐漸變小，曲線趨于平緩，此時(shí)試樣將要達(dá)到殘余狀態(tài)；且與重塑樣相比，原狀樣的溢水量較大，達(dá)到殘余狀態(tài)所需時(shí)間較短。

圖3 原狀樣溢水量和基質(zhì)吸力與時(shí)間關(guān)系

圖4 重塑樣溢水量和基質(zhì)吸力與時(shí)間關(guān)系

2.2 飽和度方程

由圖3、圖4可以看出，試驗(yàn)在各級(jí)吸力作用下未達(dá)到平衡狀態(tài)，為此伊盼盼等[16]結(jié)合動(dòng)態(tài)多步流動(dòng)法原理，推導(dǎo)出非飽和土的飽和度演化方程：

(1)

方程(1)考慮到了各級(jí)基質(zhì)吸力的增量對(duì)飽和度的影響，可將這種影響結(jié)果稱為各級(jí)吸力下的“遺傳效應(yīng)”。

飽和度方程對(duì)于平衡態(tài)與非平衡態(tài)均適用，這為非平衡態(tài)下試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定平衡態(tài)下的土水特征曲線奠定了基礎(chǔ)。方程(1)中Ci與τi為未知量，其余量均為試驗(yàn)實(shí)測(cè)量。

可以利用Origin 軟件建立飽和度隨時(shí)間的演化方程模型，編譯成功后，把試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中進(jìn)行參數(shù)擬合，得到每級(jí)基質(zhì)吸力對(duì)應(yīng)的未知參數(shù)Ci和τi。

根據(jù)上述方法進(jìn)行擬合，得到原狀樣與重塑樣在各級(jí)基質(zhì)吸力下的飽和度方程參數(shù)容水率Ci和特征時(shí)間τi，如表3所示。

表3 飽和度方程參數(shù)表

利用飽和度方程反算非平衡態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，并與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，如圖5、圖6 所示；可以看出實(shí)測(cè)結(jié)果和基于飽和度時(shí)間演化方程模型的擬合結(jié)果曲線幾乎重合，各級(jí)基質(zhì)吸力對(duì)應(yīng)的曲線擬合相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.95，擬合度較高。

3 土-水特征曲線

土-水特征曲線是指平衡狀態(tài)下飽和度與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線。由上節(jié)飽和度方程得到每級(jí)基質(zhì)吸力增量下的平衡態(tài)土水特征曲線斜率C，從而可以計(jì)算出第k級(jí)基質(zhì)吸力下對(duì)應(yīng)的平衡態(tài)飽和度，即

(2)

(3)

根據(jù)式(2)、式(3)，便可繪制土-水特征曲線。由試驗(yàn)結(jié)果，原狀樣與重塑樣的土-水特征曲線如圖7所示。

圖5 原狀樣飽和度、基質(zhì)吸力與時(shí)間的關(guān)系

圖6 重塑樣飽和度、基質(zhì)吸力與時(shí)間的關(guān)系

圖7 土-水特征曲線

由圖7可以看出，原狀土的土-水特征曲線位于重塑土的下方，即在相同基質(zhì)吸力作用下，原狀土的飽和度均小于重塑土，二者差異明顯。飽和度的降低速率體現(xiàn)了土體內(nèi)部水量減少的快慢，這與施加的吸力大小，土樣孔徑及內(nèi)部含水率有關(guān)。原狀土與重塑土的飽和度降低速率均隨著基質(zhì)吸力的逐級(jí)增加呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后減小，最終曲線趨于平緩的規(guī)律。

通過觀察容水率C值的大小和土水特征曲線趨勢(shì)可以看出原狀土的進(jìn)氣值介于40 kPa～60 kPa，而重塑土的進(jìn)氣值在 60 kPa～90 kPa之間。由土的應(yīng)力歷史可知，原狀土受上部土體長(zhǎng)期作用后，內(nèi)部顆粒按一定方向和次序排列，會(huì)形成具有方向性的孔隙結(jié)構(gòu)，氣體首先進(jìn)入尺寸較大的通道，因此進(jìn)氣值較??；重塑土樣為靜壓制作，孔隙分布無方向性，水流路徑較少，導(dǎo)致氣體較難進(jìn)入土體，表現(xiàn)出較高的進(jìn)氣值。

試驗(yàn)后期，繼續(xù)增加基質(zhì)吸力，土-液接觸面之間的毛細(xì)作用力增大，試樣中孔隙中的水分會(huì)持續(xù)排出，但是排水速率逐漸減小。當(dāng)基質(zhì)吸力達(dá)到130 kPa時(shí)，原狀土排水速率開始低于重塑土，二者的土-水特征曲線開始并行，直到毛細(xì)作用力與基質(zhì)吸力達(dá)到平衡時(shí)試樣飽和度不再隨基質(zhì)吸力的增大而減小，達(dá)到殘余飽和度狀態(tài)，將此時(shí)的飽和度轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的體積含水率即為殘余含水率。重塑土的殘余含水率高于原狀土，重塑土的持水性能優(yōu)于原狀土。

4 結(jié) 論

(1) 由于傳統(tǒng)的測(cè)試方法耗時(shí)較長(zhǎng)，在常規(guī)壓力板儀測(cè)試系統(tǒng)上增加數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)、氣泡體積測(cè)量系統(tǒng)和儲(chǔ)水沖刷系統(tǒng)。改進(jìn)之后的壓力板儀系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)測(cè)定溢出水質(zhì)量，精確測(cè)量氣泡體積可用以修正溢出水質(zhì)量，減小試驗(yàn)誤差。采用動(dòng)態(tài)多步流動(dòng)法測(cè)定土-水特征曲線，操作簡(jiǎn)便，大大節(jié)省了試驗(yàn)時(shí)間。

(2) 非飽和原狀土與重塑土的飽和度均隨基質(zhì)吸力和加載時(shí)間的增大而減小。但由于重塑土的結(jié)構(gòu)重塑性，使得內(nèi)部排水通道不通暢，導(dǎo)致其脫濕速率和最終溢水量較小，達(dá)到殘余飽和度狀態(tài)所需基質(zhì)吸力較大。

(3) 原狀土的進(jìn)氣值低于重塑土，而重塑土殘余含水率高于原狀土，表明重塑土的持水性能優(yōu)于原狀土。