談云志，胡新江，喻 波，劉 云

（三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002）

1 引 言

持水特征曲線（soil water retention curve，簡稱SWRC）描述土體持水能力隨基質(zhì)吸力變化的規(guī)律，是了解非飽和土持水特征與其他性能指標(biāo)，如強(qiáng)度、非飽和滲透系數(shù)、壓縮性等的重要途徑[1-4]。土體的持水性能除受土體的顆粒成分和孔隙分布特征等影響外，溫度也是一個(gè)十分重要的影響因素。影響機(jī)制目前形成兩大主要觀點(diǎn)：（1）表面張力觀點(diǎn)。Philip 等[5]提出一個(gè)用于描述土體特征隨溫度變化的方程。Wang 等[6]以現(xiàn)代表面科學(xué)理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出一個(gè)宏觀尺度下的土水特征曲線的理論表達(dá)式。TONG Fu-guo[7]從理論上推導(dǎo)了考慮溫度影響的土-水特征曲線模型。Wilkinson 等[8]對多孔介質(zhì)材料開展不同溫度作用下的持水特性研究，認(rèn)為由于溫度導(dǎo)致的吸力變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了Philip 等方程預(yù)測的結(jié)果，換言之，溫度對非飽和土吸力的影響不能僅僅歸結(jié)為表面張力對溫度的依賴。Weast[9]的研究表明，土壤土水交界面表面張力的大小跟溫度緊密相關(guān)，一般說來隨著溫度的升高表面張力呈線性減小，溫度從-8 ℃升至100 ℃時(shí)，表面張力則從77 mN/m 降至58.9 mN/m，降低速率為0.167 6 mN/（m·℃），可見溫度對表面張力的影響是有限的，于是便有了第2 種觀點(diǎn)。（2）表面張力與封閉氣泡觀點(diǎn)。Peck[10]、Chahal[11]、Constantz[12]、Bachmann等[13]不僅承認(rèn)溫度對表面張力的作用，還從非飽和土中存在封閉氣泡的角度出發(fā)，研究了溫度引起氣泡體積脹縮從而改變了水氣交界面能量，試圖揭示溫度對非飽和土基質(zhì)吸力的影響機(jī)制。然而，Hopmans 等[14]提出一套同時(shí)確定多孔介質(zhì)土-水特征曲線與封閉氣泡總體積的試驗(yàn)方法，研究了玻璃微珠和砂質(zhì)土的持水特征與封閉氣泡演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著溫度增加封閉氣泡體積反而減小，與Peck等得出的規(guī)律相反，推測可能是因氣壓力作用下封閉氣泡外界發(fā)生了交換引起。張一平[15]認(rèn)為，土壤含水率越高，溫度對土壤水勢的影響越不顯著。顯然，溫度對土體的持水性能影響機(jī)制還沒有形成較為統(tǒng)一的觀點(diǎn)，理論上需要進(jìn)一步研究。目前對溫度的研究主要集中在黏土，溫度對粉土的影響如何有待于探討。

當(dāng)前巖土工程的發(fā)展對傳統(tǒng)的土力學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)，在地下核廢料的處置、二氧化碳地下封存、地?zé)豳Y源開發(fā)、石油開采、高壓電纜的埋設(shè)以及路基等工程領(lǐng)域，也都需要考慮溫度對非飽和土持水特性的影響。為此，本次開展不同溫度作用下粉土的持水性能試驗(yàn)，研究不同溫度作用下粉土持水性能的變化規(guī)律及溫度的作用機(jī)制。

2 試驗(yàn)方案

2.1 研究對象

（1）基本物性指標(biāo)

以炎陵至汝城高速公路某標(biāo)段土樣為研究對象，基本物性指標(biāo)見表1。

表1 土的基本物性指標(biāo)Table 1 Physical property indices of soil

（2）顆粒分析

土體的土粒粒徑累計(jì)曲線，如圖1 所示。通過土體的顆粒分布曲線可以看出，粉土顆粒分布較為集中，主要分布在0.01～0.02 mm 的范圍之內(nèi)，占所有顆粒的70%左右，＞0.02 mm 的顆粒分布也較多，約占25%，而＜0.01 mm 的黏粒含量占4%左右。

圖1 土體顆粒分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve

粉土以粉粒（粒徑范圍為0.075～0.005 mm）為主，其毛細(xì)現(xiàn)象十分活躍，毛細(xì)水的彎液面以及接觸土粒之間的相互吸引，土顆粒之間產(chǎn)生一種微弱的內(nèi)聚力，使土體呈現(xiàn)出假塑性，如果單從液限角度分析，一些粉土應(yīng)該劃分為黏土，故對于黏粒含量低于13%的土體命名，需要結(jié)合顆粒分布結(jié)果來綜合考慮[16-17]。該土體的黏粒含量僅占4%左右，故定名為粉土。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用自制的多功能土-水特征曲線試驗(yàn)儀[18]，主要包括試樣室及底座、溫度控制系統(tǒng)、基質(zhì)吸力控制系統(tǒng)、加壓裝置、變形測量系統(tǒng)和排水測量裝置等，能夠同時(shí)考慮溫度和軸向荷載對試樣持水性能的影響，實(shí)現(xiàn)變形的精確測量和自動(dòng)化采集，有高精度天平測量排水量，試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性得到保證。

圖2 土-水特征曲線試驗(yàn)儀器Fig.2 Soil-water characteristic curve apparatus

2.3 試驗(yàn)過程

（1）試樣準(zhǔn)備

為了提高吸力平衡后含水率的量測精度，試樣擬選用φ 105 mm×20 mm 的大環(huán)刀土樣。按照擊實(shí)試驗(yàn)確定的參數(shù)備樣，其初始含水率為最優(yōu)含水率、初始干密度為最大干密度 ρdmax的90%（即壓實(shí)度為90%）。

過2 mm 篩，得到2 mm 以下的重塑粉土，將重塑粉土烘干。按照試樣初始含水率配置土樣，用塑料袋密封置于保濕缸內(nèi)靜置24 h，采用控制干密度的壓實(shí)成型法制備環(huán)刀樣。

（2）試驗(yàn)步驟

把制備的試樣放置到壓力室內(nèi)，通過溫度控制器將溫度調(diào)節(jié)至試驗(yàn)所需溫度，預(yù)加一荷載（5 kPa）使軸向壓力桿與試樣帽接觸，待溫度及變形量穩(wěn)定后抽真空飽和試樣，然后施加第一級基質(zhì)吸力，待排水量穩(wěn)定（變化值＜0.01 g/d）及軸向位移不發(fā)生變化后測定該級基質(zhì)吸力下試樣的排水量，并施加下一級基質(zhì)吸力，依次增大基質(zhì)吸力完成脫濕過程，最后取出試樣測定最終含水率，反算不同基質(zhì)吸力下的體積含水率。試驗(yàn)過程如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)過程示意圖Fig.3 Sketch of test process

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 減濕變形特征

試驗(yàn)在無固結(jié)壓力作用下進(jìn)行（預(yù)加荷載較小，可以忽略不計(jì)），測量試樣脫濕過程中體積變化，不同溫度作用下其孔隙比e 隨基質(zhì)吸力S 變化規(guī)律如圖4 所示。

減濕過程實(shí)際是基質(zhì)吸力增大的過程，按照非飽和土力學(xué)的觀點(diǎn)，土體抵抗外部荷載的作用應(yīng)增強(qiáng)。但圖4 的結(jié)果表明，試樣在脫濕過程中體積發(fā)生了明顯收縮，主要發(fā)生在基質(zhì)吸力S=0～100 kPa范圍內(nèi)。

試樣的初始孔隙比以及各工況下的穩(wěn)定狀態(tài)孔隙比見表2，包括試樣的初始孔隙比e0、減濕穩(wěn)定后的孔隙比 ed和減濕過程中孔隙比的變化量Δe=e0-ed。

圖4 孔隙比隨基質(zhì)吸力變化的規(guī)律Fig.4 Void ratio changes with suctions

表2 穩(wěn)定孔隙比Table 2 Stable void ratios

表2 表明，粉土在減濕過程中體積變化明顯，不同溫度作用下，試樣的穩(wěn)定孔隙比基本相同，30℃時(shí)的試樣穩(wěn)定孔隙比較其他兩種溫度作用要小，是由于試驗(yàn)測試誤差造成。試驗(yàn)結(jié)果表明，20～40 ℃范圍內(nèi)溫度變化對粉土的減濕變形影響不是特別明顯。

3.2 持水性能

通過試驗(yàn)測得不同溫度作用下試樣在減濕過程中含水率和變形的變化情況，分別考慮體變與不考慮體變時(shí)計(jì)算不同基質(zhì)吸力下試樣的體積含水率θ，計(jì)算結(jié)果見表3。表中，θΔ為考慮體變與不考慮體變時(shí)體積含水率之差。

表3 不同溫度時(shí)體積含水率計(jì)算值Table 3 Volume moisture contents at different temparaturs

由表3 可以看出，當(dāng)溫度和基質(zhì)吸力相同時(shí)，考慮體變與不考慮體變時(shí)體積含水率有一定差別。當(dāng)基質(zhì)吸力S=0時(shí)，試樣的體積為初始值，不存在體積變化，考慮體變或不考慮體變時(shí)的計(jì)算體積含水率相同；施加基質(zhì)吸力后，試樣由于失水收縮，考慮體變時(shí)的計(jì)算體積含水率大于不考慮體變的情況，隨著基質(zhì)吸力的增大，體積進(jìn)一步收縮，二者差別逐漸增大，當(dāng)基質(zhì)吸力達(dá)到一定值后試樣體積不再發(fā)生變化，試樣中殘留的水越來越少，二者差別逐漸減小。計(jì)算結(jié)果表明，在-土水特征曲線試驗(yàn)中，若采用體積含水率繪制土-水特征曲線時(shí)，需要考慮試樣減濕過程中體積變化對試驗(yàn)結(jié)果的影響。不同溫度作用下粉土試樣的修正體積含水率（考慮體變計(jì)算的體積含水率，文中此后出現(xiàn)的體積含水率均表示修正體積含水率）隨基質(zhì)吸力變化規(guī)律，如圖5 所示，橫坐標(biāo)軸采用對數(shù)坐標(biāo)。

圖5 體積含水率隨基質(zhì)吸力變化規(guī)律Fig.5 Volume water contents vs.matric suctions

由圖5 可以看出，同一溫度作用下，當(dāng)S 較小時(shí)，體積含水率基本保持不變，曲線基本呈水平狀態(tài)，當(dāng)S=50 kPa時(shí)，試樣有少量水排出，體積含水率略微減小，曲線表現(xiàn)出向下傾斜的趨勢；當(dāng)S=100 kPa時(shí)，試樣中的自由水大量被排出，體積含水率迅速降低，曲線斜率迅速增大；當(dāng)S ＞100 kPa 后，試樣中剩余的自由水繼續(xù)被排出，體積含水率逐漸減小，曲線基本呈現(xiàn)為一傾斜的直線；當(dāng)基質(zhì)吸力達(dá)到400 kPa時(shí)，試樣排水有減緩的趨勢。

土-水特征曲線的形狀與粉土基本性質(zhì)密切相關(guān)，如章節(jié)2.1(2)所述。由于粉土的顆粒分布較為單一且顆粒粒徑較大，使得試樣的孔隙孔徑較大且分布較為集中，進(jìn)氣值較小，在較小的S 下試樣變開始排水。當(dāng)基質(zhì)吸力小于進(jìn)氣值時(shí)，試樣孔隙中的水無法排除，含水率基本保持不變，當(dāng)基質(zhì)吸力大于進(jìn)氣值后，孔隙中的水逐漸被排除，由于孔隙較大，孔隙中的水在較小的基質(zhì)吸力下就能夠被排出，基質(zhì)吸力較小時(shí)便能夠到達(dá)殘余含水量階段，所以當(dāng)基質(zhì)吸力達(dá)到400 kPa時(shí)排水趨勢減弱，土-水特征曲線斜率開始減小，受試驗(yàn)儀器的限制，本次試驗(yàn)的最大基質(zhì)吸力S=400 kPa，沒有得到殘余含水率階段的土-水特征曲線。

不同溫度作用下粉土試樣的土-水特征曲線存在明顯差別。圖5 顯示，溫度高時(shí)，試樣的土-水特征曲線總處于溫度低時(shí)曲線的下方，且試樣開始大量排水所需的基質(zhì)吸力越小，說明溫度越高進(jìn)氣值越小，但隨著基質(zhì)吸力的增加，曲線之間差別逐漸減小。為進(jìn)一步分析溫度的影響，以溫度為橫坐標(biāo)，體積含水率為縱坐標(biāo)，得到基質(zhì)吸力相同時(shí)體積含水率隨溫度變化規(guī)律如圖6 所示，圖中實(shí)線為線性擬合線。

從圖6 可以看出，當(dāng)基質(zhì)吸力相同時(shí)，不同溫度作用下試樣的體積含水率相差較大，體積含水率隨溫度升高而降低，基本呈線性減小趨勢，隨著基質(zhì)吸力的增加，減小趨勢減緩，擬合直線趨于平緩；當(dāng)基質(zhì)吸力達(dá)到400 kPa時(shí)，體積含水率隨溫度變化所擬合得到的直線與橫坐標(biāo)軸幾乎平行，表明基質(zhì)吸力相同時(shí)，隨著基質(zhì)吸力的增大，溫度對粉土持水性能的影響逐漸減小。

圖6 體積含水率隨溫度變化規(guī)律Fig.6 Volume water contents vs.temperature

4 影響機(jī)制分析

非飽和土由土粒、土中水和土中氣三部分構(gòu)成，由于水中能夠溶解部分氣體，即使在飽和土中也不可避免的存在氣體，這部分氣體以封閉氣泡的形式存在。隨著孔隙中含水率的變化，水、氣形態(tài)分為水封閉、雙開敞、氣封閉三類[19]。當(dāng)基質(zhì)吸力小于進(jìn)氣值時(shí)，孔隙被水填充，氣體以封閉氣泡的形式存在，稱之為氣封閉狀態(tài)，此時(shí)持水特征曲線與橫坐標(biāo)軸幾乎平行；當(dāng)基質(zhì)吸力大于進(jìn)氣值后，孔隙中的水開始被排出，持水特征曲線出現(xiàn)第1個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，隨著基質(zhì)吸力繼續(xù)增大，孔隙中形成水、氣2條各自連通的兩種通道，并且都與土體表面相連，稱之為雙開敞狀態(tài)。該階段曲線大致呈一傾斜的直線，當(dāng)基質(zhì)吸力足夠大時(shí)，孔隙中的絕大部分自由水被排出，隨著基質(zhì)吸力的增大排水速率迅速減緩，持水特征曲線出現(xiàn)第2個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，進(jìn)入殘余含水率階段，此時(shí)水量不足于相互連通，大部分孔隙被氣占據(jù)，不連續(xù)的水被氣包圍，形成水封閉狀態(tài)，基質(zhì)吸力繼續(xù)增大時(shí)只有少量水能夠被排出。各個(gè)階段非飽和土中水、氣賦存狀態(tài)及概化模型，見圖7。

圖7 非飽和土中水、氣賦存狀態(tài)及概化模型Fig.7 Occurrence status of water and gas and its generalized model

氣體在水中具有一定的溶解能力，并且具有極強(qiáng)的熱膨脹性。常溫常壓下氣體溶解在水中，占用水中空間很小，隨著溫度的升高，溶解在水中的氣體發(fā)生膨脹，形成封閉氣泡，封閉氣泡的體積會(huì)隨著溫度升高而繼續(xù)增大，如圖8 所示。由于封閉氣泡體積膨脹占據(jù)原來孔隙中自由水的空間，孔隙中的水被排出，使得孔隙中水減少，所以土-水特征曲線的初始階段溫度高的曲線總在溫度低的曲線的下方。

圖8 溫度作用下封閉氣泡演變過程Fig.8 Closed bubble evolution process under action of temperature

基質(zhì)吸力、孔隙半徑和表面張力之間的關(guān)系可以表示[20]為

式中：(ua-uw)為基質(zhì)吸力；Ts為水的表面張力，與溫度負(fù)相關(guān)；r為孔隙半徑；α為接觸角。

非飽和土的進(jìn)氣值表征的是土中最大孔隙開始排水時(shí)的基質(zhì)吸力。由式（1）可知，當(dāng)孔隙半徑和接觸角一定時(shí)，溫度越高，水的表面張力越小，則基質(zhì)吸力越小，表示對于特定孔隙，溫度越高孔隙開始排水所需的基質(zhì)吸力越小，所以在土-水特征曲線中，出現(xiàn)第1個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)的基質(zhì)吸力隨溫度增高而減小，即溫度越高，進(jìn)氣值越小。

在孔隙大量排水階段即雙開敞狀態(tài)下，雖然大部分氣體相互連通且與土體表面構(gòu)成開敞通道，但孔隙水中仍然存在部分封閉氣泡。孔隙中的自由水被排出的同時(shí)，水中封閉氣泡隨之排出。隨著基質(zhì)吸力的增大，孔隙中剩余自由水減少，封閉氣泡越少，使之對持水特征曲線形狀的影響減弱，所以在雙開敞狀態(tài)下，隨著基質(zhì)吸力增大不同溫度作用下持水性能差異減弱。

土體孔隙中除了自由水外，在土顆粒表面還附著一層水膜，稱之為結(jié)合水。結(jié)合水是受電分子吸引力吸附于土顆粒表面的土中水，由于電分子吸引力高達(dá)幾千到幾萬個(gè)大氣壓，使水分子和土顆粒表面牢固地黏結(jié)在一起。在持水特征曲線試驗(yàn)中，基質(zhì)吸力一般較小，結(jié)合水不能夠被排出。結(jié)合水的厚度與溫度有關(guān)，吸附結(jié)合水量隨溫度升高基本呈線性減少的趨勢[21]。當(dāng)溫度升高時(shí)，水分子運(yùn)動(dòng)加劇，能量增加，當(dāng)電分子吸附力不足于束縛水分子運(yùn)動(dòng)時(shí)，外層的部分結(jié)合水就會(huì)脫離束縛變成自由水，在基質(zhì)吸力作用下被排出。雖然隨著基質(zhì)吸力增大不同溫度作用下粉土的持水性能差異減弱，但溫度的差異導(dǎo)致的結(jié)合水量的變化使得持水特征曲線在殘余階段不會(huì)重合。

圖9 土顆粒表面水分布Fig.9 Water distribution of soil particle surface

5 結(jié) 論

（1）不同溫度作用下，粉土在減濕過程中均發(fā)生明顯體積收縮，但20～40 ℃范圍內(nèi)，溫度對粉土的收縮效應(yīng)影響較小，基本可以忽略。

（2）粉土的持水能力與溫度有關(guān)，粉土的進(jìn)氣值隨著溫度的升高而減小，基質(zhì)吸力相同時(shí)，溫度越高，粉土的體積含水率越小，但彼此之間的差異隨著溫度升高而逐漸減弱。

（3）孔隙中水的物理特性以及水、氣的賦存狀態(tài)，是不同溫度下粉土持水性能存在差異的主要原因，但在不同的含水率階段，其影響機(jī)制是不同的。

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