不同干密度與含水率對(duì)非飽和黏土吸力的影響研究

吳建兵，王明輝，周珂，劉金鑫

（1 浙江華東工程咨詢有限公司，浙江杭州 311122；2 三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌 443002)

0 引言

非飽和黏土中吸力的存在對(duì)土樣物理力學(xué)性質(zhì)具有重要影響[1]，而吸力大小與土樣的含水率與干密度有關(guān)[2]，因此，正確量測(cè)吸力隨土樣含水率與干密度條件不同的變化對(duì)研究非飽和黏土的性狀具有非常重要的意義。

常用的非飽和黏土吸力的試驗(yàn)測(cè)量方法主要有濾紙法、 冷鏡露點(diǎn)濕度計(jì)法以及蒸汽平衡法等方法[3]，其中濾紙法是一種成熟并且可靠的吸力測(cè)量方法，具有濾紙獲取方便、試驗(yàn)時(shí)易上手、吸力值量測(cè)范圍較大等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用。例如蔣鑫[4]采用濾紙法開展非飽和紅黏土基質(zhì)吸力試驗(yàn)研究，得到了基質(zhì)吸力隨干密度及溫度變化的規(guī)律；劉小文等[5]采用濾紙法進(jìn)行非飽和紅土基質(zhì)吸力的量測(cè)，得到了不同干密度下非飽和紅土的土水特征曲線。

本文基于濾紙法測(cè)量吸力的基本原理，考慮5 種初始含水率和3 種干密度的土樣變化梯度進(jìn)行非飽和黏土吸力量測(cè)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了不同干密度與含水率對(duì)總吸力與基質(zhì)吸力的影響規(guī)律。

1 非飽和黏土吸力量測(cè)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)裝置

（1） 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自三峽庫區(qū)黏土，主要物理指標(biāo)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)用土的物理性質(zhì)指標(biāo)

（2） 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所需儀器設(shè)備包括：①No.203 型定量濾紙；②恒溫水箱；③烘箱；④不同孔徑的圓孔篩； ⑤精度為0.0001g 的電子天平； ⑥環(huán)刀； ⑦高度10.7cm，直徑11cm 的密封玻璃罐；⑧稱重鋁盒、鑷子、溫度計(jì)、絕緣膠帶、保鮮袋等。

1.2 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)原理

本文采用濾紙法進(jìn)行非飽和土樣總吸力和基質(zhì)吸力的測(cè)定，濾紙法的試驗(yàn)原理如下：在非飽和土體中，土體本身具有一定的吸力，濾紙與土體在水分傳遞上最終能夠達(dá)到遷移平衡，此時(shí)可以測(cè)得濾紙的平衡含水率，由于正規(guī)濾紙的含水率與吸力之間是具備一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的，故由此可以間接地測(cè)得土體的吸力大小。

濾紙法按接觸方式可分為接觸和非接觸兩種，如圖1所示，可分別測(cè)量土樣的總吸力和基質(zhì)吸力。

圖1 濾紙法接觸方式示意圖

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)步驟

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究土體含水率與干密度對(duì)吸力的影響，設(shè)置了5 種初始含水率和3 種干密度的土樣變化梯度。 其中設(shè)置的普通黏土初始含水率為8%、12%、18%、22%、25%，初始干密度為1.56g/cm3、1.65g/cm3、1.70g/cm3，同時(shí)以非接觸法和接觸法分別測(cè)試土樣的總吸力和基質(zhì)吸力。

1.3.2 試驗(yàn)步驟

（1） 配置土樣

將土樣放入烘箱110℃左右烘干（不低于8h），取出后擊碎成粉末狀，分別過2.5mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm、0.05mm、0.02mm、0.01mm、0.005mm 和0.002mm 圓孔篩。 分別配置普通黏土初始含水率為8%、12%、18%、22%、25%和初始干密度為1.56g/cm3、1.65g/cm3、1.70g/cm3的土樣。將配置好的土樣放入保鮮袋，將口扎緊，避免與空氣接觸，并靜置一整天，等到水分完全浸潤(rùn)土顆粒后將其取出開始制備試樣。

（2） 制備試樣

從密封保鮮袋內(nèi)用天平稱取一定質(zhì)量的散土，利用環(huán)刀制取直徑7.98cm、高2cm 的土樣。 將濾紙?zhí)崆胺胖糜?10℃烘箱中烘干，兩個(gè)土樣為一組試驗(yàn)，將其上下疊放，取3 張烘干的濾紙置于土樣之間，沒有直接接觸試樣的濾紙用來測(cè)定土樣的基質(zhì)吸力大小。 為了使濾紙與土樣緊密貼合（用于接觸法測(cè)得基質(zhì)吸力），在土樣的外側(cè)用絕緣膠帶纏裹。

將固定好的試樣放入密封玻璃罐底部，在上方依次放上塑料支架和兩張濾紙（用于非接觸法測(cè)得總吸力），并密封好玻璃罐，貼上對(duì)應(yīng)標(biāo)簽。 將五組試樣放入恒溫水箱，一周后取出密封罐進(jìn)行吸力測(cè)量。

（3） 測(cè)量吸力

快速打開密封罐，取出兩張測(cè)試試紙，分別放入兩個(gè)鋁盒中。由于濾紙自重和內(nèi)部水分重量很小，為避免長(zhǎng)時(shí)間暴露于空氣中造成水分變化影響試驗(yàn)結(jié)果，必須在30s 內(nèi)取出濾紙并稱重。

同時(shí)，用小刀挖取15g 濾紙接觸土樣，放入已提前稱重的鋁盒中并密封。 將帶土鋁盒放入烘箱，保持105+5℃的溫度烘干12h后取出，再次稱量鋁盒和烘干后土樣的重量，通過兩次稱重差值計(jì)算其實(shí)際平衡含水率，根據(jù)濾紙含水率與吸力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行換算即可得到吸力值。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同含水率及不同干密度黏土進(jìn)行吸力量測(cè)試驗(yàn)，得到如表2 所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 不同含水率、干密度的黏土基質(zhì)吸力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 不同含水率對(duì)吸力的影響分析

根據(jù)表2 中的數(shù)據(jù)，以含水率為橫坐標(biāo)，吸力大小為縱坐標(biāo)，分別繪制非飽和黏土的吸力大小隨含水率改變的變化趨勢(shì)，并進(jìn)行擬合，如圖2—圖4 所示。

圖2 干密度1.56g/cm3時(shí)不同含水率黏土的吸力

圖3 干密度1.65g/cm3時(shí)不同含水率黏土的吸力

圖4 干密度1.70g/cm3時(shí)不同含水率黏土的吸力

通過圖2—圖4 分析得出：當(dāng)干密度一定時(shí)，隨著含水率的增大，總吸力和基質(zhì)吸力呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)。 這是由于在非飽和黏土體中吸力的決定因素是彎液面張力，當(dāng)土體極為干燥時(shí)，土顆粒之間的水呈彎液面，土顆粒之間直接接觸形成骨架結(jié)構(gòu)，此時(shí)為形成水膜，局部彎液面張力達(dá)到最大值，如圖5a)所示。 當(dāng)土體含水率較低時(shí)，土中的水增多，除了形成彎液面以外，還存在重力水，而在彎液面張力的作用下，重力水被全部“拉回”到顆粒之間，形成具有一定厚度的水膜，此時(shí)顆粒間由骨架連接轉(zhuǎn)為水膜連接，如圖5b)所示。 當(dāng)土體含水率較高時(shí)，彎液面水和重力水逐漸增多，顆粒之間的孔隙被水填充，由于彎液面張力增加，水膜厚度增加，此時(shí)顆粒間張力為零，導(dǎo)致水相、氣相連通，如圖5c)所示。當(dāng)土顆粒之間的空隙被水全部填滿時(shí)，土體處于高飽和或完全飽和狀態(tài)，此時(shí)土顆粒之間以水膜形式接觸，基質(zhì)吸力為零，部分小氣泡能隨水移動(dòng)，如圖5d)所示。

圖5 非飽和土中水、氣狀態(tài)

3 不同干密度對(duì)吸力的影響分析

根據(jù)表2 的數(shù)據(jù)，以黏土干密度為橫坐標(biāo)，吸力大小為縱坐標(biāo)，繪制非飽和黏土的吸力大小隨干密度改變的變化趨勢(shì)圖，如圖 6—圖 10 所示。

圖6 含水率8.23%時(shí)不同干密度黏土的吸力

圖7 含水率11.71%時(shí)不同干密度黏土的吸力

圖8 含水率17.65%時(shí)不同干密度黏土的吸力

通過圖6—圖10 分析可知：在相同含水率的條件下，總吸力和基質(zhì)吸力隨黏土干密度的增大而減小。 可見干密度對(duì)土-水特征曲線有著明顯的影響，從圖中可以看出非飽和黏土的吸力、基質(zhì)吸力與干密度基本上呈線性關(guān)系，可用一次函數(shù)來擬合，并且相關(guān)系數(shù)大于0.92，真實(shí)反映出吸力與干密度之間的關(guān)聯(lián)度較高。 因?yàn)殡S著土樣干密度的增大，土顆粒的孔隙比相應(yīng)減小，使得空氣很難進(jìn)入到土體內(nèi)，從而導(dǎo)致土體排水較為困難，故干密度較大的黏土，其進(jìn)氣值也較高，吸力相對(duì)較小。

圖9 含水率21.82%時(shí)不同干密度黏土的吸力

圖10 含水率25.12%時(shí)不同干密度黏土的吸力

隨著含水率和干密度的增大，非飽和黏土的吸力剛開始時(shí)降幅較大，當(dāng)增加到一定程度時(shí)，吸力的降幅趨緩，由此可知吸力在含水率較低時(shí)對(duì)密度狀態(tài)的變化較為敏感。

4 結(jié)論

（1） 在相同干密度的條件下，總吸力和基質(zhì)吸力與非飽和黏土含水率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)，這是由于非飽和黏土體中吸力的決定因素是彎液面張力，彎液面張力隨土樣含水率增大而增大，且水膜厚度增加，土顆粒間張力降低，導(dǎo)致非飽和黏土吸力下降。

（2） 在相同含水率的條件下，總吸力和基質(zhì)吸力隨非飽和黏土干密度增大而減小，這是因?yàn)橥翗痈擅芏仍酱?，土顆粒之間的孔隙比越小，土體排水性能下降，導(dǎo)致非飽和黏土吸力降低。

（3） 總吸力、基質(zhì)吸力與干密度關(guān)系可由一次函數(shù)擬合，且其相關(guān)系數(shù)較高，由此可知吸力與干密度之間的關(guān)聯(lián)度較高。

（4） 非飽和黏土的吸力大小隨著含水率和干密度的增大而減小，當(dāng)增加到一定程度時(shí)，吸力的降幅趨緩，由此可知吸力在含水率較低時(shí)對(duì)密度狀態(tài)的變化較為敏感。