千枚巖全風(fēng)化土的持水特性研究

劉 莉，姜大偉，于明波，顏榮濤，于海浩，陳 波

(1.桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2.中國建材集團(tuán)建材桂林地質(zhì)工程勘察院有限公司，廣西 桂林 541004；3.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098；4.山東高速泰安發(fā)展有限公司，山東 泰安 271000)

0 引言

千枚巖作為一種變質(zhì)巖，在桂林龍勝地區(qū)廣泛分布，其水化學(xué)敏感性導(dǎo)致自然條件下巖質(zhì)較差，帶來一系列的工程地質(zhì)問題[1]。桂林地區(qū)常年多雨，降雨導(dǎo)致坡體土體抗剪強(qiáng)度降低，這是誘發(fā)滑坡的主要原因，而土體的持水特性則與土體的強(qiáng)度緊密相關(guān)。因此，研究千枚巖全風(fēng)化土的土水特征曲線，對桂林龍勝邊坡的防治工作會(huì)有極大的促進(jìn)作用。

土水特征曲線是非飽和土重要性質(zhì)，與土體的強(qiáng)度[2-3]、滲透[4-5]有關(guān)，目前，關(guān)于土體的土水特征曲線研究很多。文獻(xiàn)[6]利用壓力板、濾紙法和飽和鹽溶液法測試不同干密度情況下桂林壓實(shí)紅黏土的土水特征曲線。文獻(xiàn)[7]分析了壓實(shí)樣和預(yù)固結(jié)試樣的土水特性曲線的區(qū)別，并且利用壓汞試驗(yàn)從微觀上分析不同制樣方法的孔隙結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[8]以武漢黏土為研究對象，測試了土體的土水特性曲線和核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)曲線，并且給出了基于NMR曲線的土水特征曲線的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。文獻(xiàn)[9]研究了砂質(zhì)黃土的土水特征曲線，并且通過電鏡掃描試驗(yàn)分析了孔隙微觀結(jié)構(gòu)對土水特性的影響機(jī)理。文獻(xiàn)[10]測試了鹽漬土的土水特征曲線，并且分析了土體土水特性曲線受壓實(shí)度和鹽分含量的影響規(guī)律。通過以上的分析和文獻(xiàn)的梳理可知，雖然目前土體的土水特征曲線的研究工作很多，卻關(guān)于千枚巖全風(fēng)化土體的土水特征曲線的測試和研究工作較少。

干濕循環(huán)作用對土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)有一定的影響，部分黏土?xí)a(chǎn)生裂隙。文獻(xiàn)[11]研究了壓實(shí)黏土在干濕循環(huán)后的力學(xué)特性和微觀機(jī)制，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)會(huì)導(dǎo)致土體的大孔體積和內(nèi)部微裂隙增大。文獻(xiàn)[12]分析了黏土在干濕循環(huán)后的漲縮變形特性。文獻(xiàn)[13]也觀測到了膨脹土在干濕循環(huán)下宏觀裂隙的產(chǎn)生。這些微觀裂隙和宏觀裂隙改變了土體的孔隙結(jié)構(gòu)，從而也會(huì)對土體的土水特性曲線產(chǎn)生影響。但目前還很少有關(guān)于干濕循環(huán)下千枚巖全風(fēng)化土的裂隙發(fā)展的研究，也未見干濕循環(huán)對其土水特征曲線的影響的研究報(bào)告。

本文以千枚巖全風(fēng)化土為研究對象，采用壓力板儀和飽和鹽溶液法測試土水特征曲線，重點(diǎn)分析不同干密度和干濕循環(huán)次數(shù)對土體土水特征曲線的影響規(guī)律，并且結(jié)合壓汞試驗(yàn)結(jié)果，分析了干濕循環(huán)對千枚巖全風(fēng)化土體的持水性的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自桂林龍勝縣的千枚巖全風(fēng)化土，土樣呈紅褐色。根據(jù)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[14]測得土體的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。根據(jù)土體的顆粒大小區(qū)分，土體的砂粒、粉粒和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別占6.12%、58.49%和35.39%。土體的液限為70.04%，塑限為32.79%，土體屬于高液限黏土。原位千枚巖全風(fēng)化土的干密度為1.2 g/cm3。土體取回后曬干并且剔除雜物，后采用木槌破碎后以備試驗(yàn)使用。

表1 千枚巖全風(fēng)化土基本物理性質(zhì)

1.2 試樣制備

采用面積為30 cm2、高為2 cm的不銹鋼環(huán)刀為制樣模具。為更好地模擬現(xiàn)場土樣性質(zhì)，按原狀土干密度1.2 g/cm3用千斤頂壓制重塑土樣，環(huán)刀試樣圖如圖1所示，模擬極端高溫環(huán)境加熱溫度為40 ℃，吸水飽和時(shí)間為24 h，脫濕烘干時(shí)間為72 h，試樣的干濕循環(huán)極值含水率為5%～45%，控制土樣初始含水率為20%，對土樣進(jìn)行0～5次干濕循環(huán)。同時(shí)，制備干密度分別為1.1 g/cm3、1.2 g/cm3和1.4 g/cm3的土樣。

1.3 持水性試驗(yàn)

壓力板試驗(yàn)：將循環(huán)0次、1次、3次、5次及不同干密度的飽和試樣放入配有1 500 kPa的飽和陶土板的壓力板儀(見圖2)壓力室中，最大氣壓加至700 kPa，開始施加吸力，分別為10 kPa、20 kPa、50 kPa、80 kPa、160 kPa、300 kPa、500 kPa和700 kPa。

圖1 環(huán)刀試樣圖

圖2 壓力板儀

表2 飽和鹽溶液及對應(yīng)吸力值(20 ℃)

飽和鹽溶液試驗(yàn)：將不同干密度、干濕循環(huán)次數(shù)的土樣抽真空飽和后，一個(gè)土樣切成8塊，其中2塊放入同一個(gè)飽和鹽溶液缸中，飽和鹽溶液對應(yīng)的吸力值如表2所示。每周測定土樣質(zhì)量變化，若變化量小于0.01 g,則判定試樣持水性達(dá)到平衡。通過參考文獻(xiàn)[6]中的方法，測試土樣質(zhì)量與體積。

1.4 壓汞試驗(yàn)

此壓汞試驗(yàn)采用PoreMaster-33型全自動(dòng)壓汞儀(見圖3)，具體性能參數(shù)指標(biāo)主要表現(xiàn)為低壓(5.5～344.8 kPa)、高壓(137.9～227.5 MPa)和孔隙直徑(6.5 mm～268.6 μm)。壓汞試驗(yàn)的原理主要體現(xiàn)于通過設(shè)備施加不同壓力值，將汞壓入土樣空隙中，由汞含量則可推算出土樣的孔隙體積。

為保證壓汞試樣的干燥性，本試驗(yàn)采用文獻(xiàn)[15-16]介紹的冷凍干燥法處理試驗(yàn)以防止土體收縮，影響試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。其具體過程[17]為：用小刀切出體積約為2 cm3的立方形土塊，放入液氮(-196 ℃)中冷凍15 min，然后放入冷凍干燥機(jī)中，抽真空24 h使土塊中的水分升華干燥，最后對干燥后的土樣開展低壓和高壓下的壓汞試驗(yàn)，獲取孔徑分布規(guī)律。

(a) 全自動(dòng)壓汞儀整體圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 土水特征曲線

圖4 不同干密度的土水特征曲線

圖4給出了不同干密度情況下千枚巖全風(fēng)化土的土水特征曲線。從圖4可以看出：土水特征曲線分為3段，毛細(xì)區(qū)、過渡區(qū)和殘余區(qū)。土體持水特性主要通過進(jìn)氣值與殘余含水率確定，其中進(jìn)氣值為毛細(xì)區(qū)與過渡區(qū)線段交點(diǎn)，殘余含水率為過渡區(qū)與殘余區(qū)線段交點(diǎn)。比較圖4中不同干密度的土水特征曲線，發(fā)現(xiàn)干密度對土體的持水性存在明顯影響，主要表現(xiàn)在吸力為101～105kPa。在此范圍內(nèi)，隨著干密度的增大，同一吸力值對應(yīng)的飽和度越大，土體排水量越小，此時(shí)較大的干密度土樣持水性更好。而當(dāng)吸力值不在101～105kPa時(shí)，干密度對于土水特征曲線影響較小。這主要是因?yàn)榈臀﹄A段(達(dá)到進(jìn)氣值之前)土體中水分子主要以毛細(xì)水的形式存在，持水性由孔隙大小控制，干密度越高對應(yīng)的孔隙越小，所以持水性較好；而在高吸力階段(>105 kPa)，吸附水占據(jù)主導(dǎo)作用，干密度大小對其影響很小，從而對土水特性曲線影響較小。

為了分析干濕循環(huán)次數(shù)對千枚巖全風(fēng)化土的持水性的影響，以干密度1.2 g/cm3為代表，研究了干濕循環(huán)次數(shù)為0、1、3、5的試樣的土水特征曲線。圖5為飽和度與吸力關(guān)系曲線，由圖5可以看出：曲線差異性主要表現(xiàn)在過渡區(qū)，即吸力為101～105kPa時(shí)，而在毛細(xì)區(qū)和殘余區(qū)變化甚微。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，曲線稍往下移，即在同吸力條件下，飽和度降低，這主要是由于干濕循環(huán)過程改變了土體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，從而影響了土體的持水特性。在后面的微觀壓汞試驗(yàn)中將對此進(jìn)行進(jìn)一步的微觀機(jī)理分析。

圖6為孔隙比與吸力關(guān)系曲線，隨著基質(zhì)吸力的增大,孔隙比經(jīng)歷3個(gè)過程[18]:在毛細(xì)區(qū)段，土樣吸力值小于進(jìn)氣值時(shí)，試樣開始逐漸脫水，但其總體積幾乎保持不變，孔隙水主要以毛細(xì)水和吸附水兩種形式存在,此時(shí)孔隙比幾乎為定值。隨著吸力的增大,土樣出現(xiàn)進(jìn)氣值,對應(yīng)過渡區(qū)段。此時(shí)空氣進(jìn)入土中,水分子首先以顆粒間毛細(xì)水形式流失,使得土樣體積減小，顆粒間孔隙被逐漸壓縮并密實(shí)，致使孔隙比降低。當(dāng)繼續(xù)增加吸力值時(shí)，毛細(xì)水將耗盡，此時(shí)土樣中的吸附水占主導(dǎo)作用，致使顆粒間作用力保持相對恒定，土樣進(jìn)入殘余區(qū)，出現(xiàn)殘余含水率。在土樣經(jīng)歷多次干濕循環(huán)過程中，土體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生反復(fù)吸水膨脹和失水收縮現(xiàn)象，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，致使初始干密度和含水率相同的土樣的孔隙比增大。圖7為脫濕過程孔隙水變化。如圖7所示，在脫濕過程中，孔隙水變化情況可以映射孔隙比的變化。

圖5 飽和度與吸力關(guān)系曲線

圖6 孔隙比與吸力關(guān)系曲線

圖7 脫濕過程孔隙水變化

2.2 進(jìn)氣值和殘余飽和度

為了進(jìn)一步分析干密度和干濕循環(huán)次數(shù)對進(jìn)氣值和殘余飽和度的影響規(guī)律，采用Van-Genuchten提出的VG模型擬合土水特性曲線，公式如下，得到曲線參數(shù)值，再根據(jù)文獻(xiàn)[19]確定進(jìn)氣值和殘余飽和度。

θ=θr+(θs-θr)(1+(αs)n)-m，

(1)

其中：θs為飽和體積含水率，%；θr為殘余體積含水率，%；s為基質(zhì)吸力，kPa；α、m、n為模型擬合參數(shù)，取m=1-1/n。

根據(jù)式(1)，根據(jù)按照擬合參數(shù)計(jì)算千枚巖全風(fēng)化土的進(jìn)氣值與殘余含水率，干密度為1.1 g/cm3、1.2 g/cm3、1.4 g/cm3的千枚巖全風(fēng)化土的進(jìn)氣值分別為： 2.6 kPa、10. 6 kPa、33.3 kPa，殘余含水率分別為1.8%、4.8%、8.2%。表示干密度越大，土體的進(jìn)氣值和殘余含水率越大，對應(yīng)的土體持水性越好。同樣對干濕循環(huán)的影響進(jìn)行VG模型擬合，計(jì)算進(jìn)氣值與殘余含水率，結(jié)果見表3和表4。由表3和表4可知：隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，土體的進(jìn)氣值和殘余含水率降低，3次之后趨于穩(wěn)定。

表3 不同干密度下土體進(jìn)氣值及殘余含水率

表4 干密度為1.2 g/cm3時(shí)不同干濕循環(huán)次數(shù)下土體進(jìn)氣值及殘余含水率

由上述綜合分析干密度和干濕循環(huán)次數(shù)對土樣持水性能的影響可知，兩者對持水性的影響主要表現(xiàn)在過渡區(qū)段內(nèi)隨著干密度增大，土樣持水性能顯著增強(qiáng)；而隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙比增加，則土樣的持水性能變差，而在毛細(xì)區(qū)和殘余區(qū)，兩者對持水性的影響較小。

2.3 壓汞試驗(yàn)結(jié)果

在進(jìn)行壓汞試驗(yàn)時(shí)，施加壓力，則使得汞優(yōu)先填充土樣中大顆粒群及其相鄰孔隙。繼而滲入大顆粒群內(nèi)部致使顆粒群空隙被完全填充。在理論推導(dǎo)時(shí)，為便于計(jì)算，假定土樣中的孔隙為圓柱形。導(dǎo)出入浸壓力與孔隙直徑關(guān)系式[20]為：

(2)

其中：p為施加的壓力，kPa；Ts為氣、水交界面上的表面張力， N/m(25 ℃時(shí)為0.484 N/m)；α為汞與假定孔表面的接觸角，(°)，本次試驗(yàn)取140°；d為孔隙直徑，μm。

孔徑累計(jì)分布曲線見圖8。由圖8可以看出：千枚巖全風(fēng)化土孔徑累計(jì)分布曲線呈現(xiàn)類雙臺(tái)階形，具有兩個(gè)緩沖平臺(tái)。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，在相同孔徑下累計(jì)汞壓入量逐漸增加，在循環(huán)3次后孔徑累計(jì)分布曲線演化特征隨著循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加逐漸趨于重合，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

孔徑與孔隙分布密度關(guān)系曲線見圖9。從圖9可以看出：全風(fēng)化土樣的孔隙分布密度在相同干濕循環(huán)次數(shù)下隨著孔徑的增加而呈現(xiàn)兩個(gè)峰值。由文獻(xiàn)[21]對微孔隙劃分的定義可知，峰值集中分布于體內(nèi)孔隙和顆粒間孔隙中。隨著干濕循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)的增加，孔隙分布密度曲線右移，從而表明了土體中的微、小孔隙在循環(huán)試驗(yàn)過程中逐漸擴(kuò)展并貫通，聚合形成中、大孔隙。其演化特征與土體持水性試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

圖8 孔徑累計(jì)分布曲線圖

圖9 孔徑與孔隙分布密度關(guān)系曲線

圖10 壓實(shí)樣土水特征曲線實(shí)測與預(yù)測對比

2.4 土水特性曲線模擬

文獻(xiàn)[22]基于毛細(xì)管模型提出了一種通過孔隙分布密度函數(shù)預(yù)測土水特征曲線的方法，方程為：

(3)

其中：ua-uw為含水率時(shí)的基質(zhì)吸力，kPa；di為含水率為wi時(shí)孔隙直徑，mm；wi為含水率，%；ρw為水的密度，g/cm3；V(di)為含水率為wi時(shí)，對應(yīng)小于孔隙直徑充滿水的累積孔隙體積，mm3。

圖10為壓實(shí)樣土水特征曲線實(shí)測與預(yù)測對比。分析圖10可知：式(3)預(yù)測出的土水特征曲線與實(shí)測結(jié)果基本保持一致，但在個(gè)別區(qū)段范圍內(nèi)存在差異。經(jīng)分析可知，這種差異性是由于試驗(yàn)過程中未考慮收縮影響而引起的。但壓汞試驗(yàn)具有省時(shí)、省力且精準(zhǔn)度較高的優(yōu)點(diǎn)，因此可作為預(yù)測土體持水性的一種簡便方法。

3 結(jié)論

(1)干密度與干濕循環(huán)次數(shù)對持水性的影響主要表現(xiàn)在過渡區(qū)段內(nèi)，隨著干密度增大，土體進(jìn)氣值和殘余含水率越大，土樣持水性能顯著增強(qiáng)；而隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙比增加，則土樣的持水性能變差，而在毛細(xì)區(qū)和殘余區(qū)，兩者對持水性的影響較小。

(2)千枚巖全風(fēng)化土孔徑累計(jì)分布曲線呈現(xiàn)類雙臺(tái)階形，具有兩個(gè)峰值。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙分布密度曲線右移，土體中的微、小孔隙逐漸擴(kuò)展并貫通，聚合形成中、大孔隙，并在循環(huán)3次后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)經(jīng)對比分析壓汞試驗(yàn)預(yù)測持水性與試驗(yàn)結(jié)果基本保持一致，且其具有省時(shí)、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)的特點(diǎn)，可作為預(yù)測持水性的簡便方法。