新疆伊犁地區(qū)低液限粉質(zhì)黏土土水特征曲線試驗(yàn)研究

葉 濤

(新疆維吾爾自治區(qū)交通建設(shè)管理局, 烏魯木齊 830000)

新疆伊犁地區(qū)地處歐亞大陸內(nèi)部,隨著近年來(lái)“一帶一路”倡議的持續(xù)推進(jìn),該地區(qū)工程建設(shè)地位逐漸凸顯。然而,由于特殊的氣候環(huán)境,區(qū)域內(nèi)低液限粉土大多處于非飽和狀態(tài),遇水后物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生較大變化,導(dǎo)致在該區(qū)域進(jìn)行工程建設(shè)較為困難。

土的類(lèi)型、物理力學(xué)特征是反映其工程特性的重要指標(biāo)。在不同的地理位置、氣候條件、水文環(huán)境、地質(zhì)因素等的影響下,土的性質(zhì)會(huì)有較大差異。因此,在進(jìn)行土體穩(wěn)定性分析前,需要充分了解土的物理力學(xué)性質(zhì)。

粉質(zhì)黏土是一種具有特殊工程性質(zhì)的土,既不同于黏性土,又與砂土有所區(qū)別。粉質(zhì)黏土中的粉黏粒含量較多,而粗粒和黏粒的含量極少[1]。粉質(zhì)黏土屬于低塑性土,一般70%以上的粒組為粉粒和細(xì)砂粒,含少許黏粒土,比表面積不大、毛細(xì)現(xiàn)象突出。低液限粉質(zhì)黏土是粉性土的一種,它具有粉性土的一部分特性,也具有黏性土的一部分特性,因此具有雙重性[2]。在動(dòng)荷載作用下,粉質(zhì)黏土易發(fā)生液化現(xiàn)象。為了探索粉質(zhì)黏土的性質(zhì)及其處理技術(shù),許多學(xué)者從不同角度開(kāi)展試驗(yàn)研究,主要集中在粉質(zhì)黏土的一般工程特性、動(dòng)力特性、試驗(yàn)技術(shù)、壓實(shí)穩(wěn)定技術(shù)和工藝改良研究等方面[3]。武建民等發(fā)現(xiàn),對(duì)于黃土路基填料來(lái)說(shuō),通過(guò)2d的浸水時(shí)長(zhǎng)來(lái)研究浸水時(shí)間對(duì)黃土路基填料的回彈模量、路基彎沉值更具科學(xué)意義[4];劉連喜等通過(guò)對(duì)武漢地區(qū)粉土的研究,得到其承載力與孔隙和含水率之間的關(guān)系[5];陳佳玫研究伊犁重塑黃土在增濕條件下的變形特性,發(fā)現(xiàn)其壓縮性隨干密度提高而減小,隨含水率的提高而增大,含水率較高時(shí),壓縮變形的敏感性會(huì)下降[6];汪恩良等研究齊齊哈爾地區(qū)粉土的凍脹特性,考慮了含水率、干密度、冷端溫度的影響,通過(guò)線性回歸得到三因素影響下的多元模型[7];阮永芳等以昆明地區(qū)粉土為研究對(duì)象,結(jié)合實(shí)體工程對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析[8];王國(guó)強(qiáng)等通過(guò)地基載荷試驗(yàn)和原位測(cè)試資料對(duì)粉土地基的承載力進(jìn)行評(píng)價(jià),并給出不同條件下粉土地基承載力的參考指標(biāo)[9];袁燦勤等分析統(tǒng)計(jì)南京地區(qū)粉土試驗(yàn)指標(biāo)與承載力的關(guān)系[10];曹右生研究了粉土地基容許承載力與塑性指數(shù)之間的相關(guān)性[11];董清華從實(shí)際工程出發(fā),對(duì)比不同方法下取得的可塑粉質(zhì)黏土的承載力,分析不同方法的適用性和優(yōu)劣[12];黃博等研究粉土的動(dòng)力特性,通過(guò)預(yù)振和控制剪切速率的方法來(lái)恢復(fù)重塑土樣的原狀結(jié)構(gòu),并與重塑土樣對(duì)比,分析試驗(yàn)過(guò)程中孔壓的增長(zhǎng)規(guī)律[13];葉銀燦等研究了杭州灣粉土的動(dòng)強(qiáng)度特性,發(fā)現(xiàn)動(dòng)強(qiáng)度與固結(jié)比和振動(dòng)頻率密切相關(guān),固結(jié)比較低時(shí),動(dòng)強(qiáng)度低于靜強(qiáng)度,而隨著固結(jié)比的增大其動(dòng)強(qiáng)度也會(huì)增大[14];王也等研究南陽(yáng)地區(qū)膨脹土在凍融作用下土水特性,利用濾紙法測(cè)定不同凍融循環(huán)次數(shù)下總吸力和基質(zhì)吸力之間的關(guān)系[15];崔宏環(huán)等凍融循環(huán)作用對(duì)非飽和粉質(zhì)黏土土水特征曲線的影響,非飽和狀態(tài)下曲線按照Gardner模型進(jìn)行擬合效果良好,同時(shí)凍融作用會(huì)導(dǎo)致基質(zhì)吸力發(fā)生變化,進(jìn)而影響土體的黏聚力[16];盧靖等研究黃土在非飽和狀態(tài)下的土水特性,推導(dǎo)出綜合考慮多因素影響下非飽和黃土土水特征曲線的擬合公式;張愛(ài)軍等研究考慮含鹽量下的伊犁黃土試樣的總吸力與鹽溶液濃度呈線性關(guān)系[18];蔡國(guó)慶等研究砂質(zhì)黃土的土水特性,發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增大,其基質(zhì)吸力逐漸減小,隨著干密度增大,試樣內(nèi)部孔隙減小,結(jié)構(gòu)變得密實(shí),進(jìn)氣值增大[19];崔凱等研究川西地區(qū)混合土在非飽和狀態(tài)下的土水特性,發(fā)現(xiàn)礦物成分對(duì)土體土水特性影響顯著,得到礦物成分以及干密度對(duì)土體土水特性的影響機(jī)理。親水性礦物含量越高,基質(zhì)吸力越大[20]。

綜上可知,新疆伊犁地區(qū)的低液限粉質(zhì)黏土屬于工程不良土質(zhì),本身具有強(qiáng)度低、水穩(wěn)定性差、凍融敏感等特點(diǎn)。土體穩(wěn)定性分析的傳統(tǒng)方法基于飽和土體強(qiáng)度理論,而土質(zhì)大部分為非飽和區(qū),不能忽略基質(zhì)吸力的作用。因此,土水特征曲線在低液限粉質(zhì)黏土力學(xué)性質(zhì)的研究中至關(guān)重要。

1 土樣基本物理性質(zhì)參數(shù)測(cè)定

土的粒徑大小與顆粒級(jí)配是土體重要工程性質(zhì)之一。根據(jù)JTG3034—2020《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》,采用篩分法和試驗(yàn)密度計(jì)法對(duì)土樣進(jìn)行級(jí)配分析。圖1為新疆伊犁G578線土樣級(jí)配曲線。

圖1 新疆伊犁黃土級(jí)配曲線

根據(jù)曲線可知,粒徑小于0.075mm的顆粒質(zhì)量約占62.7%,小于0.02mm的顆粒質(zhì)量約占5.7%。

采用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀來(lái)測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)試樣的液塑限(見(jiàn)圖2)。制備不同含水率的土樣并分別放入盛土杯中。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),將液塑限儀的錐體落入試樣中,并記錄每次錐入深度。試驗(yàn)得到的土樣錐入深度與含水率的關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖2 液塑限聯(lián)合測(cè)定儀

圖3 錐入深度與含水率關(guān)系

根據(jù)規(guī)范,將錐入深度作為土樣的塑限及液限的判定標(biāo)準(zhǔn),2mm錐入深度對(duì)應(yīng)的含水率即為塑限含水率;17mm錐入深度對(duì)應(yīng)的含水率即為液限含水率。本試驗(yàn)中,試樣液限為28.6%,塑限為17.7%。由此可得,該土的塑性指數(shù)為10.9,塑性指數(shù)在10～17之間,液限小于50%,故該土屬于低液限粉質(zhì)黏土。

2 土水特征試驗(yàn)儀器及原理

土水特征曲線指土壤基質(zhì)吸力與含水率的關(guān)系曲線,是研究非飽和土性質(zhì)必不可少的參數(shù)。本試驗(yàn)中,采用壓力膜儀進(jìn)行土水特征曲線的測(cè)定,壓力膜儀見(jiàn)圖4。

圖4 壓力膜儀

壓力膜儀的組成部分包括:壓力室、壓力控制系統(tǒng)(見(jiàn)圖5)、集水管、空氣壓縮機(jī)(見(jiàn)圖6)。

圖5 壓力控制系統(tǒng)

圖6 空氣壓縮機(jī)

試驗(yàn)前,首先需將壓力膜儀內(nèi)的陶土板進(jìn)行飽和。飽和后的陶土板表面孔隙會(huì)形成一層收縮覆蓋膜,阻止外部空氣進(jìn)入陶土板內(nèi)。此時(shí)對(duì)壓力膜儀進(jìn)行加壓,會(huì)使收縮膜上方和下方產(chǎn)生一個(gè)氣壓力差,該氣壓之差為吸力值。在測(cè)量過(guò)程中,需保持增壓值不大于陶瓷板進(jìn)氣值。

3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)測(cè)試前,需要用環(huán)刀制作土樣,環(huán)刀直徑為6.18cm,高度為2cm。對(duì)于重塑低液限粉質(zhì)黏土土樣,采用擊實(shí)筒來(lái)制作。在制備好環(huán)刀試樣之后,需要對(duì)其進(jìn)行飽和。由于土樣滲透性較好,故采用浸水飽和,選用南京儀器廠生產(chǎn)的GDB-1型疊式飽和儀。將環(huán)刀試樣裝入飽和器中,每個(gè)環(huán)刀試樣用濾紙及透水石分隔開(kāi),并保證上下對(duì)齊放置,最后擰緊螺絲,放入水盆中,見(jiàn)圖7。靜置4d即可認(rèn)為達(dá)到飽和狀態(tài)。將飽和土樣稱重,以求得其飽和含水率。

圖7 試樣飽和

陶土板飽和完成后,放入環(huán)刀試樣,將其放置于陶土板上,蓋上壓力室的蓋子并用螺絲將其密封,最后打開(kāi)空氣增壓泵。在進(jìn)行壓力控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)前,需檢查排氣閥門(mén)是否全部關(guān)閉,并仔細(xì)查看各閥門(mén)位置處有無(wú)漏氣現(xiàn)象。檢查完畢后,緩慢調(diào)節(jié)壓力控制系統(tǒng)以達(dá)到指定壓力;每次施加一級(jí)壓力后,應(yīng)保證土體排水穩(wěn)定;穩(wěn)定后,在打開(kāi)壓力室前需將氣體完全排放。隨后取出試樣,并對(duì)其進(jìn)行稱重,以測(cè)定當(dāng)前壓力環(huán)境下土樣的含水率。環(huán)刀質(zhì)量稱量完畢后,重新放入壓力室中,并施加下一級(jí)壓力。本次試驗(yàn)一共采用10級(jí)壓力,分別為:20,40,60,80,100,150,200,300,400,500kPa。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

計(jì)算每級(jí)壓力下的土體質(zhì)量含水率(分別采用Gardner模型、Van Genuchten模型),再對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

Gardner模型為

式中,θ土體質(zhì)量含水率;θs飽和含水率;θr殘余含水率;a為擬合參數(shù),n為擬合參數(shù)。

Van Genuchten模型為

式中,θ土體質(zhì)量含水率;θs飽和含水率;θr殘余含水率;a為擬合參數(shù),n為擬合參數(shù)。

Gardner模型擬合的土水特征曲線見(jiàn)圖8,Gardner模型參數(shù)見(jiàn)表1。Gardner模型擬合公式為

圖8 Gardner模型擬合土水特征曲線

表1 Gardner模型擬合結(jié)果

V-G模型擬合的土水特征曲線見(jiàn)圖9,V-G模型參數(shù)見(jiàn)表2。故V-G模型擬合公式為

表2 V-G模型擬合結(jié)果

圖9 V-G模型擬合土水特征曲線

由圖8、圖9可以看出,質(zhì)量含水率隨基質(zhì)吸力的增大而逐漸減小,二者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。土水特征曲線總體分為兩個(gè)階段:平緩階段與下降階段。初始土樣的斜率相對(duì)平緩,說(shuō)明其持水性相對(duì)較好。而隨著基質(zhì)吸力的增加,土樣處于土水特征曲線的陡降段。這是因?yàn)榛|(zhì)吸力達(dá)到或者超過(guò)空氣進(jìn)入值時(shí),氣體將處于內(nèi)部孔隙連通狀態(tài)或者部分連通狀態(tài)。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(shì)。

此外,由于Van Genuchten模型擬合曲線中R2值較大,即擬合精確度較高,且該模型應(yīng)用較廣,故推薦后續(xù)研究選用V-G模型擬合的土水特征曲線。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)新疆伊犁地區(qū)低液限粉質(zhì)黏土土水特征曲線的基本形狀可劃分為平緩段與下降段。其中,平緩段基質(zhì)吸力對(duì)非飽和土的性質(zhì)影響較小,下降段影響較大。

(2)質(zhì)量含水率隨著基質(zhì)吸力的增大而逐漸減小,二者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(3)對(duì)土水特征曲線的模擬表明,V-G模型較Gardner模型擬合效果更好。采用V-G模型擬合出的公式,利用質(zhì)量含水率即可快速求出基質(zhì)吸力。