姜世新，閆澍旺，紀(jì)玉誠(chéng)

（天津大學(xué)建筑工程學(xué)院巖土工程系，天津　300072）

高含水率黏土表層基質(zhì)吸力的濾紙法測(cè)試

姜世新，閆澍旺，紀(jì)玉誠(chéng)

（天津大學(xué)建筑工程學(xué)院巖土工程系，天津300072）

在圍海造陸工程中，由于施工成本等原因需要改進(jìn)密封模式，用淤泥代替泥沙。但由于泥土的開(kāi)裂性質(zhì)，易出現(xiàn)密封失效結(jié)果，因而需要對(duì)淤泥（高含水率土）的開(kāi)裂性質(zhì)進(jìn)行研究。濾紙法測(cè)定土中吸力是一種簡(jiǎn)單有效的試驗(yàn)方法，用接觸法可以間接得出土中的基質(zhì)吸力，而土中的基質(zhì)吸力是引發(fā)土體開(kāi)裂的重要因素，對(duì)于研究無(wú)砂真空預(yù)壓和土中的開(kāi)裂有著重要幫助，文中在以往濾紙法的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，使其更為簡(jiǎn)便。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)該方法的準(zhǔn)確性、不同厚度土表層的基質(zhì)吸力、不同厚度土中導(dǎo)致開(kāi)裂的基質(zhì)吸力分別進(jìn)行了推算，很好地印證了較厚土層對(duì)于開(kāi)裂的遲緩反應(yīng)。

濾紙法；基質(zhì)吸力；開(kāi)裂；含水率；土水特征曲線(xiàn)

0　引言

在積多年科研理論研究成果和重大工程施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)吹填土軟土地基的加固，提出了吹填完畢后在吹填土層上直接打設(shè)排水板，采用吹填泥自密封的方法進(jìn)行加固，一次密封加固一段時(shí)間后吹填泥表面會(huì)干裂漏氣，當(dāng)充分干裂后進(jìn)行二次吹填泥進(jìn)行二次自密封，從而可以達(dá)到永久密封的目的。但是由于干燥蒸發(fā)等作用，土體會(huì)發(fā)生干燥開(kāi)裂，因此有必要對(duì)土體開(kāi)裂的主導(dǎo)因素——基質(zhì)吸力進(jìn)行研究。

土中吸力的量測(cè)有多種方法，按照測(cè)量的結(jié)果可以分為總吸力的量測(cè)和基質(zhì)吸力的量測(cè)?？偽κ潜硎镜耐林兴淖杂赡堋峭ㄟ^(guò)與土中水平衡時(shí)的部分蒸汽壓力得出，而基質(zhì)吸力為水的自由能中毛細(xì)部分，是總吸力的一部分，同另一部分滲透吸力共同構(gòu)成總吸力[1]。其中總吸力的量測(cè)方法與基質(zhì)吸力的測(cè)量方法均有多種，不同的方法所能量測(cè)的吸力范圍也是不同的，方法之一接觸式濾紙法為全范圍量測(cè)。濾紙法不但可以量測(cè)總吸力而且可以量測(cè)基質(zhì)吸力：當(dāng)干燥的濾紙與土體接觸時(shí)，土中水分遷移到濾紙上與濾紙達(dá)到平衡，此為接觸法試驗(yàn)，量測(cè)的是基質(zhì)吸力；當(dāng)濾紙懸于土樣上方時(shí)，土中的水分蒸發(fā)，水蒸氣遷移到濾紙上達(dá)到平衡，此為非接觸法試驗(yàn)，量測(cè)的是總吸力。在得到濾紙的質(zhì)量含水率后，通過(guò)對(duì)該型號(hào)濾紙的率定曲線(xiàn)可以間接的得出土中吸力。對(duì)于濾紙的率定曲線(xiàn)的得出，國(guó)外學(xué) 者 Fawcett 和 Collis-George 在 1967 年 對(duì)Whatman No.42 特 定濾 紙進(jìn) 行了 率 定[2]， 國(guó) 內(nèi)學(xué) 者在此方面的研究不多，蔣剛[3]首 次系統(tǒng)的對(duì)其進(jìn)行了研究，其所使用的為國(guó)產(chǎn)雙圈牌濾紙，率定結(jié)果與文獻(xiàn)[2]中基本符合一致，具有良好的一致性，為國(guó)內(nèi)基質(zhì)吸力方面的研究打下良好的基礎(chǔ)。

對(duì)于基質(zhì)吸力的量測(cè)，目前國(guó)內(nèi)的研究成果并不多。葉為民、白云[4]等人使 用濾紙法獲取了上海地區(qū)的軟土水土特征曲線(xiàn) SWCC，唐東旗[5]對(duì)陜西地區(qū)非飽和黃土的基質(zhì)吸力做了初步研究，王釗[6]等人對(duì)濾紙法的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)中的應(yīng)用做了論證，有進(jìn)步意義的是王桂堯[7]創(chuàng)新性 地研制了新型基質(zhì)吸力測(cè)量?jī)x，這在國(guó)內(nèi)尚屬首例且極具進(jìn)步意義。

然而，以上文獻(xiàn)研究中對(duì)基質(zhì)吸力的研究大多從土壤學(xué)理論中入手，從土壤開(kāi)裂方面開(kāi)展研究的寥寥無(wú)幾。并且文獻(xiàn)中的試驗(yàn)土樣大多為低含水率粉土、黏土，所使用的環(huán)刀儀器在試驗(yàn)步驟方面并不適合本文所需解決的高含水率下土體開(kāi)裂的情況。為了滿(mǎn)足高含水率、表層吸力等所需試驗(yàn)條件和結(jié)果，本文特此采用了新的吸力量測(cè)儀器和方法。

1　土的物理性質(zhì)

本次所選試驗(yàn)用土為天津大港區(qū)工程用土，塑限 26.46%，液限 44.72%，塑性 指數(shù) 18.26，土體初始含水率為 80%，由三軸試驗(yàn)得有效內(nèi)聚力 c＇=0，內(nèi)摩擦角 φ＇=30°，泊松比 μ =0.35。

2　接觸濾紙法

2.1試驗(yàn)原理

如前所述接觸式濾紙法是采用在一定吸力土中水分在土體和濾紙重達(dá)到平衡，間接通過(guò)濾紙率定曲線(xiàn)所得基質(zhì)吸力見(jiàn)圖1。

圖1　基質(zhì)吸力試驗(yàn)示意圖Fig.1　Configuration ofmatrix suction test

2.2試驗(yàn)儀器

恒溫箱、高精度電子秤 （0.001 g）、玻璃槽（由5塊玻璃片構(gòu)成）、“雙圈”牌濾紙、凡士林。

2.3試驗(yàn)方法

以往的接觸濾紙法采用環(huán)刀取土，兩環(huán)刀土樣夾置3張濾紙來(lái)測(cè)定土中的基質(zhì)吸力。但對(duì)于含水率較高的土樣，環(huán)刀無(wú)法固定土樣阻止其流動(dòng)，并且環(huán)刀的高度數(shù)值較大不宜模擬表層土處的厚度，不宜測(cè)量表層基質(zhì)吸力，因此本文提出一種新的試驗(yàn)容器。

選取 11 cm × 11 cm 的主玻璃片，以及 4 小片寬度為 1 cm 的不同厚度的副玻璃片 （1.8mm/2.86 mm/4.52mm） 貼附于主玻璃片上，使其形成一個(gè)凹槽，見(jiàn)圖2。

圖2　玻璃槽Fig.2　Theglass-groove

取3張干燥濾紙疊放，對(duì)中間濾紙要事先進(jìn)行稱(chēng)量。然后取圖2中相同厚度的試件兩個(gè)構(gòu)成一組，在其凹槽內(nèi)均勻涂抹土樣使其填滿(mǎn)，將3張濾紙疊放后置于土樣上，用凡士林在4條副玻璃片上均勻涂抹（作用為保持試件內(nèi)的水分恒定），隨后將兩試件扣置，將其靜置于恒溫箱中7~10 d 后即可達(dá)到水分的平衡 （見(jiàn)圖 3）。

圖3　試件組Fig.3　The test piece

待濾紙水分平衡后，取出中間的濾紙并迅速放置于天平上稱(chēng)量，為減少水分的流失，稱(chēng)量過(guò)程應(yīng)在 30 s內(nèi)完成。然后將濾紙放置于烘干箱內(nèi)烘干，并測(cè)量其質(zhì)量，得出濾紙的質(zhì)量含水率。整個(gè)過(guò)程要細(xì)心，取紙時(shí)要利用鑷子小心地取出，避免與土體接觸。所選濾紙為杭州新華造紙廠(chǎng)“雙圈”牌濾紙，該濾紙的基本物理指標(biāo)為：直徑7 cm，中速定性，灰分 0.15%，灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%。

利用濾紙率定曲線(xiàn)得出土體表層的基質(zhì)吸力：lg S=5.493-0.076wf，wf≤ 47%（1）lg S=2.470-0.012wf，wf＞ 47%（2）式中：wf為濾紙質(zhì)量含水率；S 為基質(zhì)吸力。率定曲線(xiàn)采用王釗等人文獻(xiàn) [6]中的分析結(jié)果。

3　結(jié)果分析

3.1濾紙法測(cè)試的穩(wěn)定性

通過(guò)對(duì)相同厚度的試件表層基質(zhì)吸力的量測(cè)，可以得出用濾紙法測(cè)試基質(zhì)吸力的準(zhǔn)確性。表1為6個(gè)試件基質(zhì)吸力的取值。

表1　基質(zhì)吸力標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 1　The standard deviation of thematrix suction

從標(biāo)準(zhǔn)偏差看，3組數(shù)據(jù)所得的基質(zhì)吸力誤差很小，所測(cè)值可以看做是表層的真實(shí)基質(zhì)吸力，表明了此種試驗(yàn)方法的可靠性。在基于此的基礎(chǔ)上，本文對(duì)基質(zhì)吸力與厚度和開(kāi)裂間的關(guān)系進(jìn)行定量分析。

3.2土層厚度與表層基質(zhì)吸力的關(guān)系

因環(huán)境保護(hù)等原因，近年來(lái)砂源地的開(kāi)采不斷遭到當(dāng)?shù)卣?，造價(jià)不斷提高，對(duì)天津等沿海城市軟基處理等用砂量較大的工程造成極大影響；急需開(kāi)發(fā)一種沒(méi)有砂墊層的、適合于大面積吹填土地基加固的新型真空預(yù)壓技術(shù)。在可查的文獻(xiàn)或?qū)嵗?，普遍采用將排水板與真空抽水管道相連接[8-9]，但該方法密封效果方面欠缺。為此，提出將排水板插入土層下一定厚度，用上覆土來(lái)替代砂墊層密封。

但是這里涉及到本文考慮的內(nèi)容，即黏土的開(kāi)裂和覆土的厚度。土體的開(kāi)裂會(huì)導(dǎo)致密封性的降低，因而需要知道覆土厚度和土層開(kāi)裂間的關(guān)系。而土體的開(kāi)裂根據(jù)線(xiàn)彈性理論和 LEFM 理論，與土層的基質(zhì)吸力密切相關(guān)[10]。因此有必要知道土層厚度與所產(chǎn)生的基質(zhì)吸力的關(guān)系。在相同含水率（未開(kāi)裂前）的情況下，對(duì)不同厚度的土產(chǎn)生的基質(zhì)吸力做出如圖4曲線(xiàn)。

從圖4中可以看出在土體未開(kāi)裂前曲線(xiàn)呈現(xiàn)隨著厚度的增加，其表層的基質(zhì)吸力的數(shù)值減小的趨勢(shì)，兩者間關(guān)系成反比。這也預(yù)示較厚的土層更適合密封真空預(yù)壓，對(duì)于土體的開(kāi)裂也有著延緩作用。

3.3開(kāi)裂時(shí)土體表層的基質(zhì)吸力

圖4　厚度-基質(zhì)吸力曲線(xiàn)Fig.4　Curvesof relationship between the thickness andmatrix

初級(jí)裂縫的產(chǎn)生可以認(rèn)為是由于表層處的基質(zhì)吸力大于土體的抗拉強(qiáng)度而導(dǎo)致的，對(duì)于裂縫發(fā)展模型，國(guó)外學(xué)者已做過(guò)大量工作[11-13]，而國(guó)內(nèi)在此方面的研究并不多見(jiàn)。

Fredlund[1]（1979）認(rèn)為非飽 和土體剪切 強(qiáng) 度可以用以下公式表示：

式中：τf為剪切強(qiáng)度；c＇為有效內(nèi)聚力；σ 為總應(yīng)力；ua為孔隙氣壓力；uw為孔隙水壓力；φ＇為有效摩擦角；φb為剪切強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力增加的因子。

Morris[10]由公式 （3） 推導(dǎo)得出了非飽和土中抗拉強(qiáng)度的公式：

式中：t為抗拉強(qiáng)度；αT為系數(shù)，取值為 0.5~0.7，取 0.5。

因此可以看出土體開(kāi)裂過(guò)程中基質(zhì)吸力的直接影響，并 Morris 根據(jù)線(xiàn)彈性理論認(rèn)為當(dāng)表層水平拉應(yīng)力大于土體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，土體即產(chǎn)生初級(jí)裂縫。基于這樣的理論基礎(chǔ)，本文對(duì)開(kāi)裂時(shí)的基質(zhì)吸力做了初步測(cè)定。

試驗(yàn)同樣采用3種不同厚度的試件，對(duì)于每種厚度的試件在同一時(shí)間制備，但擱置晾曬不同的時(shí)間段已達(dá)到不同含水率后再進(jìn)行濾紙法的量測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5　含水率隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)Fig.5　Curvesof the relationship between the water contentand time

圖6　土水特征曲線(xiàn)Fig.6　The soil-water characteristic curve

從圖 5、圖 6看出，含水率隨時(shí)間降低，土層越厚斜率越小，水分喪失越慢；基質(zhì)吸力則是隨著含水率的降低逐漸增大，且在高含水率處增加緩慢，而在低含水率處增勢(shì)陡增。且在3種土樣中未開(kāi)裂前 （即最大含水率 56%之前），基質(zhì)吸力與厚度成反比，而開(kāi)裂后的情況從圖5和表2看缺乏規(guī)律性，仍待研究。

表2　開(kāi)裂時(shí)基質(zhì)吸力Table 2　Thematrix suction of the cracking

初始開(kāi)裂時(shí)的情形見(jiàn)圖7。

很明顯開(kāi)裂時(shí)候的基質(zhì)吸力在土層厚度較薄時(shí)數(shù)值更大，越薄的土層導(dǎo)致越大的基質(zhì)吸力從而引起越早的土體開(kāi)裂，這也印證了 3.2 節(jié)中較厚土層對(duì)于密封性更好的結(jié)論。

圖7　初始開(kāi)裂情況Fig.7　The picturesof the initial cracks

從數(shù)值理論上，可以通過(guò)一些假設(shè)得到所需的結(jié)果：對(duì)于淤泥質(zhì)黏土，c＇可以取為 0，又根據(jù)Morris 認(rèn)為 αT=0.5 tan φ＇，所以式（4）變?yōu)椋?/p>

其中 φb按照 φb= φ＇-5°=25°來(lái)取值。

Fredlund 在非飽和土中提出土中水平應(yīng)力為：

式中：σx為水平方向的總法向應(yīng)力；σh為豎直方向的總法向應(yīng)力，σh= γz。

地表開(kāi)始出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象時(shí)，一般裂隙規(guī)模延伸很短，開(kāi)裂深度較淺。在不考慮孔隙氣壓力ua情況下，σh-ua≈ 0，式 （6） 變?yōu)椋?/p>

以 1.8mm 為例，即將開(kāi)裂前的基質(zhì)吸力值約為 68 kPa，則由式（5）、式（7）可得出：

以上兩式可以看出水平應(yīng)力大于土中的抗拉強(qiáng)度， σx>t，土體會(huì)發(fā)生開(kāi)裂，這也與試驗(yàn)觀察（圖4）所得相同，同理可以得出另兩種厚度下的σx、t比較值，均符合以上規(guī)律。由此可知表層的基質(zhì)吸力是預(yù)測(cè)土中開(kāi)裂時(shí)需要掌握的重要因素。

4　結(jié)語(yǔ)

1） 濾紙法對(duì)表層的基質(zhì)吸力量測(cè)方法更為簡(jiǎn)單、實(shí)用，但對(duì)操作過(guò)程要求比較嚴(yán)格，傳統(tǒng)濾紙法量測(cè)低含水率的土較為適用，對(duì)于高含水率的土傳統(tǒng)法取土比較困難。本文所用的玻璃槽法很好地滿(mǎn)足了所需的試驗(yàn)要求，對(duì)于今后的基質(zhì)吸力量測(cè)方法做出了微薄貢獻(xiàn)。

2） 本文從理論和試驗(yàn)相結(jié)合的角度，闡明了土中的基質(zhì)吸力為預(yù)測(cè)土中開(kāi)裂的重要因素，當(dāng)土中的水平應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)，土中的裂縫開(kāi)始發(fā)展，而這兩項(xiàng)均與基質(zhì)吸力密切相關(guān)。不足的是，本文所用理論不應(yīng)用于普遍情況。

3） 根據(jù)所得的測(cè)量結(jié)果表明，基質(zhì)吸力與土層的厚度有線(xiàn)性關(guān)系，由于儀器的限制無(wú)法得出詳細(xì)的情況，但其規(guī)律呈現(xiàn)反比關(guān)系，即土層越薄產(chǎn)生的基質(zhì)吸力越大。

4） 基質(zhì)吸力在含水率較高時(shí)數(shù)值很小，且隨含水率增加趨近于0，土水特征曲線(xiàn)斜率較小變化緩慢，隨著干燥的進(jìn)行斜率增加曲線(xiàn)變陡；且在開(kāi)裂時(shí)，較薄土層的基質(zhì)吸力數(shù)值很大，容易引起裂縫。

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Surfacematrix suction test based on the filer paper m ethod for the high water content clay

JIANG Shi-xin，YANShu-wang，JIYu-cheng
（SchoolofCivilEngineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

It is necessary to replace the sand with the slurry because of the economic cost in the coastal reclamation project. However， the cracking of the slurry （the high water content clay） should be studied， because the cracking easily lead to seal failure.It is convenientand effective to test the suction using the filer papermethod in the soil and the contactingmethod can gain thematrix suction indirectly，while thematrix suction is important for the crack in the soil so thatwe can study the cracking soil in-depth and no-sand cushion vacuum preloading，and the paper improve themethod to adjust this test.The resultof test isabout the error，the surfacematrix suctions for the varies thickness of the clay，the surfacematrix suctions for the varies thicknessof the claywhen the clay crack，andwe prove that themore thickerabout the soil，the smaller the cracking.

filer papermethod；matrix suction；crack soil；water content；SWCC

U652.2

A

1003-3688（2014）01-0045-05

10.7640/zggw js201401008

2013-06-05

2013-09-09

姜世新 （1990 —），男，山東濟(jì)寧市人，碩士研究生。主要從事高含水率黏土開(kāi)裂的研究。E-mail：muyuanshan90@126.com