干密度對非飽和黃土土-水特征曲線的影響試驗

畢慶濤， 馮巧云， 趙俊剛， 黃志全,3

(1.華北水利水電大學,河南 鄭州 450046; 2.山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心(有限公司),山西 太原 030012; 3.洛陽理工學院,河南 洛陽 471023)

我國西北部處于干旱和半干旱地區(qū)，廣泛分布著黃土，其在工程建設(shè)中常處于非飽和狀態(tài)[1]。 世界上有60%以上的國家都曾遭受過非飽和土造成的工程危害，面對日益嚴重的非飽和土工程問題，需對非飽和土進行深入的理論與實踐研究[2-3]。與飽和土相比，非飽和土除了有固相和液相外，還存在液相-氣相分界面形成的收縮膜，從而在界面處產(chǎn)生了基質(zhì)吸力。土-水特征曲線描述了非飽和土基質(zhì)吸力與含水率之間的關(guān)系，它揭示了非飽和土在不同基質(zhì)吸力下持水能力的強弱，是非飽和土力學特性的重要本構(gòu)關(guān)系。因此，土-水特征曲線的研究對非飽和土具有重要的意義。

近年來，很多學者針對土-水特征曲線的影響因素展開研究，主要從內(nèi)部因素和外部因素兩個方面進行。內(nèi)因主要包括礦物成分、土顆粒的粒徑和級配、初始含水率、初始干密度、壓縮性和結(jié)構(gòu)性等；外因主要包括應力歷史、圍壓、干濕循環(huán)和溫度等[4]。汪東林等[5]采用常規(guī)壓力板儀和非飽和三軸儀，研究了擊實功、擊實含水率、干密度、應力歷史和試樣應力狀態(tài)5種因素對非飽和土的土-水特征曲線的影響。陳宇龍等[6]對不同粒徑土樣進行吸濕與脫濕過程中的持水性能試驗，認為隨著有效粒徑的增大，進氣值、進水值和殘余基質(zhì)吸力在半對數(shù)坐標上均呈現(xiàn)線性減小，而減濕率呈二次函數(shù)增長。SALAGER S等[7]從理論和試驗兩個方面研究了溫度對兩種不同黏土的持水特性的影響，從理論上提出吸力隨含水量、溫度和孔隙比變化的規(guī)律，解釋了密度和溫度對持水特性的影響。劉奉銀等[8]測定了不同初始干密度黃土試樣的土-水特征曲線，選取合理的曲線模型進行數(shù)據(jù)擬合，研究了不同初始干密度對土-水特征曲線的影響，通過對比體積含水率的差異，提出了“滯回度”的概念。黃志全等[9]通過小浪底1#滑坡非飽和土三軸試驗，對非飽和土土-水特性和圍壓對基質(zhì)吸力的影響進行分析，認為相同體積含水率試件的基質(zhì)吸力隨圍壓的增大而非線性減小，同時探討了土-水特征曲線與強度之間的關(guān)系，并依此建立了強度公式。劉熙媛等[10]、宋陳雨等[11]通過試驗得到原狀土與重塑土的土-水特征曲線，對比分析了原狀土與重塑土的進氣值、排水速率、排水量、殘余飽和度等對應的基質(zhì)吸力和固結(jié)時間的量化差異。李志清等[12]綜合考慮各種因素的影響，通過室內(nèi)和野外試驗對非飽和膨脹土的土-水特征曲線進行擬合并建立了模型，認為土-水特征曲線受多種因素影響，但土的礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)是基本因素，其他因素往往通過影響這兩個基本因素而起作用。

以上研究對于土-水特征曲線的測定主要是在土體平衡狀態(tài)下進行的，而針對在非平衡狀態(tài)下獲取土-水特征曲線的研究較少。非平衡狀態(tài)測試方法即動態(tài)多步流動法，是當試樣在各級吸力作用下未達到平衡狀態(tài)時，人為改變吸力大小，使試樣進入下一級吸力狀態(tài)[13]。由于該方法不能直接獲得平衡狀態(tài)下的土-水特征曲線，為了解決這個問題，伊盼盼等[14]建立了能夠描述非平衡狀態(tài)的飽和度演化方程，據(jù)此可以計算出試樣在各級吸力作用下處于平衡狀態(tài)的飽和度。

本文針對山西太原二環(huán)高速公路項目某工程現(xiàn)場的非飽和黃土，在改進的壓力板儀上，采用非平衡狀態(tài)測試法，對干密度分別為1.46、1.56、1.66 g/cm3的試樣進行土-水特征曲線試驗，對比分析不同干密度對土-水特征曲線產(chǎn)生的影響，探究產(chǎn)生差異的內(nèi)在機理，為非飽和黃土持水特性的研究提供參考。

1 試驗方案

試驗土樣為工程現(xiàn)場的非飽和原狀黃土，根據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[15]，由室內(nèi)常規(guī)試驗測得該黃土的基本物理參數(shù)，見表1。通過密度計法得到顆粒級配曲線，如圖1所示。通過輕型擊實試驗測得其擊實曲線，如圖2所示。該黃土的最大干密度為1.66 g/cm3，最優(yōu)含水率為15.8%。

表1 試驗黃土基本物理性質(zhì)指標

圖1 試驗黃土顆粒級配曲線

圖2 試驗黃土擊實曲線

制備干密度分別為1.46、1.56、1.66 g/cm3的環(huán)刀狀試樣(直徑61.8 mm、高20 mm)。先將原狀土樣烘干、研磨碾碎，按照含水率為6%，加入定量的水并攪拌均勻，用保鮮膜密封后放入保濕缸靜置24 h，使得土樣中的水分分布均勻。按照確定的干密度計算出所需土樣的質(zhì)量，利用制樣器與千斤頂即可得到所需干密度的環(huán)刀樣，最后利用真空泵對試樣進行抽氣飽和。3種不同干密度土樣的基本物理參數(shù)見表2。

表2 不同干密度土樣的基本物理參數(shù)

2 壓力板試驗

2.1 儀器改進

本次試驗采用的歐美大地公司GEO-Experts壓力板儀，以軸平移技術(shù)為原理，測定不同干密度下非飽和黃土脫濕過程的土-水特征曲線。為減小試驗誤差和縮短試驗時間，在原壓力板儀的基礎(chǔ)上增加了數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)、氣泡體積測量系統(tǒng)和儲水沖刷系統(tǒng)，測試系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 改進的壓力板儀測試系統(tǒng)示意圖

在數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)中，可以人為設(shè)定記錄溢出水質(zhì)量的時間間隔(本次為每30 s采集一次)，能夠?qū)υ囼炦^程中溢出水的質(zhì)量進行實時測定。打開儲水沖刷系統(tǒng)的開關(guān)可將陶土板和管線中的氣泡排出，然后氣泡測量系統(tǒng)可測定排出的氣泡體積，很大程度上降低了試驗誤差。

2.2 試驗過程

試驗前需將底座中的陶土板和整個系統(tǒng)線路進行飽和，把飽和結(jié)束的試樣稱完質(zhì)量后放入壓力室中的陶土板上，確認試驗系統(tǒng)密封完好后開始動態(tài)多步流動法試驗。

根據(jù)擬定的基質(zhì)吸力路徑20→30→40→60→90→130→170→210→290 kPa逐級進行加載，各級吸力加載時間為2、8、12、12、12、12、18、24、24 h，共需124 h。試驗中，陶土板底部氣泡的存在會導致系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)比實際溢水量偏大，因此每級吸力加載結(jié)束后，需沖刷聚集在陶土板底部的氣泡，讀取玻璃管中的示數(shù)，將氣泡體積換算成等體積水的質(zhì)量，即多余溢水質(zhì)量，再對原始采集的數(shù)據(jù)進行修正后，得到精確的試驗結(jié)果。

3 數(shù)據(jù)處理及分析

根據(jù)修正后的溢水量計算出各時刻對應的土樣飽和度，利用Origin軟件建立飽和度隨時間演化方程。該方程能夠描述非平衡狀態(tài)下非飽和土的飽和度[14]，方程如下：

(1)

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

飽和度方程對于平衡態(tài)與非平衡態(tài)均適用，這為利用非平衡態(tài)下試驗數(shù)據(jù)確定平衡態(tài)下的土-水特征曲線奠定了基礎(chǔ)。式(1)中Ci與τi為未知量，其余量均為試驗實測量。

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。由飽和度方程式(1)得到每級基質(zhì)吸力增量下的平衡態(tài)土-水特征曲線的斜率C，從而可以計算出第k級基質(zhì)吸力下對應的平衡態(tài)飽和度，即：

(2)

(3)

將修正后的試驗數(shù)據(jù)導入軟件編譯好的模型中進行參數(shù)擬合，得到每級基質(zhì)吸力對應的未知參數(shù)，運用飽和度時間演化方程計算出每級吸力作用時達到平衡狀態(tài)的飽和度Sr，最后繪制土-水特征曲線。圖4為干密度分別是1.46、1.56、1.66 g/cm3土樣的土-水特征曲線。

圖4 不同干密度土樣的土-水特征曲線對比圖

由圖4可以看出，當土-水特征曲線用飽和度和基質(zhì)吸力的關(guān)系表示時，干密度有著顯著的影響。具體表現(xiàn)為：土樣的干密度越小，對應的進氣值越低。其原因是，土樣內(nèi)部孔隙較大，水流路徑較多，施加較小的吸力可使土樣中的水分迅速排出；隨著吸力的逐級增大，土樣的脫濕速率隨干密度的增加而降低。對于同一飽和度而言，干密度越大對應的基質(zhì)吸力越大，即干密度效應開始顯現(xiàn)；在殘余含水率階段，干密度和殘余含水率表現(xiàn)出正相關(guān)性，干密度越大，殘余含水率越高，認為試樣的持水特性隨干密度的增大而增強。雖然不同干密度土樣的土-水特征曲線存在差異，但無論干密度如何變化，其形態(tài)趨勢基本一致，遵循基質(zhì)吸力越大含水率越小的規(guī)律。

土-水特征曲線的兩個重要特征點為進氣值與殘余含水率，二者將曲線分為3個區(qū)域：完全飽和區(qū)、過渡區(qū)和殘余狀態(tài)區(qū)[16]，如圖5所示。在完全飽和區(qū)，土的孔隙中充滿水，土顆粒間及接觸點處的水膜是連續(xù)的；當吸力值達到進氣值后，進入過渡區(qū)，此時孔隙內(nèi)的水由于受到進入氣體的擠壓開始向外排出，孔隙中原本均勻連續(xù)分布的水分開始變得離散且不穩(wěn)定，飽和度隨著基質(zhì)吸力的增大出現(xiàn)驟減現(xiàn)象；當施加的吸力不斷增大時，達到殘余狀態(tài)區(qū)，孔隙中的水分大部分是吸附水，吸力的增加不會使土體飽和度發(fā)生明顯變化。

圖5 土-水特征曲線分區(qū)示意圖

基質(zhì)吸力與彎液面的曲率半徑成反比。干密度越大，土體內(nèi)部孔隙相對較小，彎液面半徑也隨之變小，致使進氣值變大。由此可知，孔隙的大小會直接影響土-水特征曲線的形態(tài)和變化趨勢，而干密度的變化會導致孔隙性狀發(fā)生改變，最終對非飽和土的持水性能產(chǎn)生影響。

4 土-水特征曲線與擊實曲線

以含水率為橫坐標，基質(zhì)吸力和干密度為縱坐標，將土-水特征曲線與擊實曲線結(jié)合起來得到圖6。

圖6 土-水特征曲線與擊實曲線關(guān)系圖

由圖6可知，3種不同干密度土樣的土-水特征曲線相交于一點，且該交點橫坐標與擊實曲線最高點橫坐標基本相同，認為該交點的含水率等于最優(yōu)含水率15.8%，此時的基質(zhì)吸力約為40 kPa，最大干密度為1.66 g/cm3。將此交點稱作臨界點，其橫坐標對應的含水率稱作臨界含水率，縱坐標稱作臨界基質(zhì)吸力。由此可以發(fā)現(xiàn)，對于不同干密度的非飽和黃土，總存在一狀態(tài)對應相同的含水率和基質(zhì)吸力，認為處于該狀態(tài)下的土體的持水特性與微觀結(jié)構(gòu)無關(guān)。

5 結(jié)語

1)在改進的壓力板儀系統(tǒng)上進行動態(tài)多步流動法試驗，能夠?qū)崟r監(jiān)測溢出水的質(zhì)量，用精確測量的氣泡體積來修正溢出水質(zhì)量，減小試驗誤差，節(jié)省試驗時間。

2)不同干密度非飽和黃土的土-水特征曲線有很大差異。隨著干密度增大，土體內(nèi)部孔隙變小，試驗中的排水速率也隨之變小，其進氣值和殘余含水率就越大，持水特性也隨干密度的增大而變強。

3)試驗結(jié)果表明，不同干密度非飽和黃土的土-水特征曲線存在一交點，該點對應的含水率為最優(yōu)含水率15.8%，基質(zhì)吸力約為40 kPa。其意義在于：對于不同干密度的非飽和黃土，總存在一種具有相同含水率和基質(zhì)吸力的狀態(tài)，且該狀態(tài)下的土體持水特性與微觀結(jié)構(gòu)無關(guān)。