羅 穩(wěn),曾召田,劉華貴,莫紅艷,肖 鋒

(1.廣西路橋工程集團有限公司,南寧 530011;2.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院,廣西 桂林 541004;3.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,南寧 530004;4.廣西工程防震研究院,南寧 530004；5.國網(wǎng)湖北省電力有限公司隨州供電公司，湖北 隨州 441300)

0 引 言

自然界中, 水是土體重要的物質(zhì)組成部分。 根據(jù)水與土顆粒的相互作用,水在土體中賦存的形態(tài)一般可分為三類:強結(jié)合水、 弱結(jié)合水和自由水[1-2]。 不同形態(tài)的土中水, 與土顆粒產(chǎn)生不同的相互作用, 從而影響著土體的物理力學(xué)性質(zhì)。 Λ·И·庫里契茨基[3]認(rèn)為粘土礦物的強結(jié)合水與粘土表面發(fā)生了化學(xué)連結(jié), 其實質(zhì)屬于礦物的表面親水化合物的結(jié)晶水, 屬固相范圍; 弱結(jié)合水按其實質(zhì)屬于粘土膠粒擴散層的水。 王平全等[4-6]運用紅外光譜法、 離子交換法、 熱失重法等方法測定了蒙脫土中結(jié)合水的類型、界限及其相對含量;王玉英等[7]對土體的物理力學(xué)性質(zhì)、礦物成分和土中水分做了試驗分析;文獻[8-10]研究土體熱導(dǎo)率隨含水量的變化規(guī)律,認(rèn)為含水量變化對土體熱導(dǎo)率影響顯著;文獻[11-13]通過試驗研究了土中水形態(tài)對土體滲透性質(zhì)的影響。

盡管國內(nèi)外對土中水的形態(tài)以及對各種物理力學(xué)性質(zhì)的影響做了不少的研究工作,但是很少對土體力學(xué)性質(zhì)的兩個常用指標(biāo)——強度和變形與土中水的形態(tài)結(jié)合起來研究。本文通過不同含水率的土體收縮和強度試驗,試圖揭示土中水與土顆粒的結(jié)合形態(tài)對土體力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律,為工程應(yīng)用和災(zāi)害防治提供理論數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗土樣及物理性質(zhì)指標(biāo)

試驗土樣為廣西地區(qū)兩類典型的特殊土:膨脹土和紅粘土。膨脹土取自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院水牛研究所試驗觀測場地(圖1a),取土深度為2.0 m,所取土樣呈灰白色,裂隙較發(fā)育,天然含水量高,裂隙面蠟狀光滑,具有典型膨脹土的特征。紅粘土取自武鳴縣里建華僑農(nóng)場(圖1b),取土深度為3.0 m,所取土樣呈黃色、黃褐色,稍濕,硬塑狀態(tài),含鐵錳質(zhì)結(jié)核及未風(fēng)化物較多,粘性較強,屬碳酸鹽巖形成的典型殘坡積紅粘土。

圖1 現(xiàn)場取土Fig.1 Sampling on-site

由于室內(nèi)試驗的試樣尺寸相對較小,為保證其均勻性,實驗前將兩種土樣分別風(fēng)干、過篩,取小于0.5 mm的土顆粒進行研究。處理后兩種土的基本物理性質(zhì)見表1。

2 收縮試驗

2.1 試驗原理

粘性土收縮是由于土樣邊界處水-氣間彎液面兩側(cè)的壓力差,這部分壓力差不僅與土中水的含量有關(guān),而且與土中水與土顆粒的結(jié)合形態(tài)有關(guān)。本試驗通過將相同干密度、不同初始含水量的粘土試樣在相同環(huán)境下(恒溫恒濕箱)風(fēng)干脫水,測定試樣失水前后的體積變化,獲得土中水含量對土體收縮性質(zhì)的影響規(guī)律。

2.2 試驗過程

采用靜壓法分別制作兩組膨脹土試樣(干密度分別為1.1和1.3 g/cm3)和一組紅粘土試樣(干密度1.1 g/cm3), 試樣尺寸: 直徑D=61.8 mm, 高h=10 mm。 將制備的試樣放在恒溫恒濕箱(溫度為22 ℃, 濕度為40%)內(nèi)風(fēng)干脫水,當(dāng)試樣質(zhì)量恒定時,土體收縮結(jié)束。用游標(biāo)卡尺測量試樣收縮結(jié)束后的直徑與高度,將試樣置于烘箱105 ℃烘干,計算試樣的風(fēng)干含水量ωf。

2.3 試驗結(jié)果及分析

各組試樣的收縮試驗結(jié)果見表2,體積收縮率與其初始體積含水量的關(guān)系如圖2所示。兩種土3組試樣呈現(xiàn)類似的變化規(guī)律:干密度相同時,試樣的初始含水量越高,失水后體積收縮變化越大;試樣的體積收縮率在某臨界體積含水量位置出現(xiàn)了突變,當(dāng)試樣初始含水量小于該臨界值時,試樣的體積變化較小,而大于該臨界值時,試樣的體積收縮率隨初始含水量增大而快速增大。膨脹土試樣臨界體積含水量位于0.20 cm3/cm3附近,紅粘土的臨界體積含水量大約位于0.30 cm3/cm3附近。

圖2 體積收縮率與初始含水量關(guān)系曲線Fig.2 Curves of volume shrinkage and initial water content

3 袖珍貫入試驗

3.1 試驗原理

袖珍貫入法能快速評定粘性土強度, 它是在被測土樣的表面將袖珍貫入儀的測頭壓入至規(guī)定深度, 從而測出測頭單位面積的貫入阻力(pt)。貫入阻力包括了測頭的底部及周圍的土體抵抗貫入的能力。本試驗通過此法用于評價粘性土中含水量的變化對土體強度的影響。

表1 土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

注: 液限、塑限的測定采取76 g錐分別入土10 mm與2 mm作為標(biāo)準(zhǔn)。

表2 收縮試驗結(jié)果

3.2 試驗過程

采用靜壓法分別制作兩組膨脹土試樣(干密度分別為1.1和1.3 g/cm3)和一組紅粘土試樣(干密度1.1 g/cm3), 試樣尺寸: 直徑D=10.4 cm, 高h=10 cm。根據(jù)制備試樣的軟硬程度選取合適的測頭, 按照《袖珍貫入儀試驗規(guī)程》測定試樣的貫入強度(圖3),每個試樣的平行貫入測試不少于3次,將平行試驗中偏差大的結(jié)果剔除,取其余讀數(shù)的平均值作為試驗結(jié)果。

3.3 試驗結(jié)果及分析

儀器的A測頭為標(biāo)準(zhǔn)測頭, 測桿上滑標(biāo)靠近零位的一面所示位置即為貫入阻力0t值,使用B、 C測頭需根據(jù)貫入阻力計算式(1)換算為標(biāo)準(zhǔn)貫入值后再作比較。

pt=K×R/A,

(1)

式中:pt—貫入阻力, 102kPa;A—測頭底面積或投影面積;R—貫入讀數(shù);K—貫入儀率定系數(shù)。

3組試樣的貫入試驗結(jié)果見表3,貫入阻力結(jié)果與初始體積含水量的關(guān)系如圖4所示。 3組試樣的貫入阻力隨體積含水量增加均呈現(xiàn)出先增加后減小的變化規(guī)律。兩組膨脹土試樣在體積含水量為0.22 cm3/cm3附近出現(xiàn)了最大貫入值,紅粘土試樣在體積含水量為0.312 cm3/cm3時出現(xiàn)了最大貫入值。相同含水量時,膨脹土干密度為1.3 g/cm3的試樣貫入阻力值均比干密度1.1 g/cm3的試樣貫入阻力值大,在接近塑限含水量(約為0.40 cm3/cm3)時, 隨含水量增加,兩者的相對差值已明顯減小。 超過塑限對應(yīng)的體積含水量(0.54 cm3/cm3)時,紅粘土試樣的貫入強度已經(jīng)衰減趨于穩(wěn)定。

圖3 袖珍貫入試驗Fig.3 Penetration test

表3 貫入試驗結(jié)果

圖4 貫入強度與體積含水量關(guān)系曲線Fig.4 Curves of penetration intensity and initial water content

4 試驗結(jié)果討論

收縮性與貫入強度分屬于土體力學(xué)性能不同的兩方面,但從以上試驗結(jié)果可知,兩者與含水量的關(guān)系曲線均出現(xiàn)了顯著的分段性特征,且特征點含水量一致,這表明宏觀的土性指標(biāo)應(yīng)由深層次的微觀機理決定。在前述試驗中,含水量是控制土性變化的指標(biāo)中唯一的變化因素,而隨著含水量的變化,土中水的形態(tài)必然發(fā)生轉(zhuǎn)換,因此可推斷出土中水的形態(tài)轉(zhuǎn)換是土力學(xué)指標(biāo)變化的關(guān)鍵影響因素。

文獻[14]認(rèn)為,土中水的形態(tài)和含水量指標(biāo)之間可細(xì)分為:吸著水含量ωΓ(平衡蒸汽壓為p/ps=0.4～0.5時的風(fēng)干土樣), 最大吸著水含量ωMΓ(p/ps≈1); 最大分子容水度ωMMΓ; 塑限ωP, 液限ωL, 這種劃分中吸著水相當(dāng)于結(jié)合水。 在含水量逐漸增加的過程中, 結(jié)合水的類型轉(zhuǎn)換可分為3個階段: 第一階段從干土ωΓ到ωMΓ, 主要形成島狀和多層性質(zhì)的結(jié)合水(主要為強結(jié)合水); 第二階段從ωMΓ到ωP, 發(fā)展成毛細(xì)管水與多層吸著水(弱結(jié)合水); 第三階段從ωP到ωL, 土中自由水快速形成。

另外,譚羅榮等[15]根據(jù)大量試驗結(jié)果提出了利用風(fēng)干含水量來計算膨脹土比表面積的方法

(2)

Sb=44.129ω65-10.148,

(3)

式中：ω65為相對濕度為65%時的平衡風(fēng)干質(zhì)量含水量;ωf為在相對濕度為Hu時的平衡風(fēng)干質(zhì)量含水量;Sb為比表面積。 根據(jù)這一公式, 本次試驗的膨脹土試樣在相對濕度為40%時的平均平衡風(fēng)干質(zhì)量含水率為3.12%, 按式(2)、 (3)可計算其比表面積為Sb=180.05 m2/g。

而土中結(jié)合水與體積含水量θbw有如下關(guān)系[16]

θbw=lδρbS,

(4)

式中：l為結(jié)合水層數(shù),δ=3×10-10m表示每層結(jié)合水的厚度;ρb為土壤干密度;S為土壤的比表面積。

根據(jù)式(4)計算得ρd為1.1 g/cm3膨脹土試樣每層結(jié)合水的體積為0.059 4 cm3/cm3,而1.3 g/cm3的膨脹土每層結(jié)合水的體積為0.070 2 cm3/cm3,因此當(dāng)臨界含水量為0.20 cm3/cm3時結(jié)合水的層數(shù)約為2.5～3.5層,此時可認(rèn)為臨界含水量對應(yīng)為最大吸著水含量wMΓ。

可見，在土體發(fā)生收縮過程中,含水量從高到低變化時,將受到毛細(xì)力及吸附力的共同作用,當(dāng)試樣的初始含水量越高,相鄰粘土顆粒的結(jié)合水膜越厚,相互間的接觸增多,一旦失水收縮時,水膜厚度減小,土-水體系的三相交界面上之彎液面形成毛細(xì)吸力增加,導(dǎo)致體積發(fā)生顯著變化,收縮過程經(jīng)歷的含水量范圍越大,體縮率越大,本次試驗土樣初始最大含水量接近液限,體縮率接近20%。而當(dāng)初始含水量較低,接近wMΓ時,土-水體系的彎液面消失,失去了毛細(xì)吸力的作用,收縮僅由水膜縮小,因此收縮速度大大降低,在收縮曲線上出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點。

對于貫入強度,當(dāng)含水量較低時,少量的水主要以較薄的強結(jié)合水膜形態(tài)分布在顆粒表面,相鄰顆粒間的結(jié)合水膜重疊較少,土粒與水膜間未形成粘聚力,此時強度相對較?。浑S含水量的增加,水膜重疊厚度增加,土水間形成多層強結(jié)合水,這種特征在達到含水量wMΓ時最大,根據(jù)前文理論估算,此時膨脹土水膜厚度約為(7.5～10.5)×10-10m;當(dāng)含水量進一步增大,顆粒間水的形態(tài)過渡到弱結(jié)合水并產(chǎn)生毛細(xì)吸力,毛細(xì)吸力有助于增加粒間連結(jié),提高貫入強度,但結(jié)合水從強結(jié)合水轉(zhuǎn)換成弱結(jié)合水后,由于弱結(jié)合水能從水膜較厚的地方向鄰近較薄的地方轉(zhuǎn)移,對顆粒間起到了“潤滑”的作用,因此使得土體抵抗貫入的能力降低,這種作用要大于毛細(xì)吸力引起的強度增長,因此當(dāng)w>wMΓ后,貫入強度總體出現(xiàn)下降;當(dāng)含水量超過塑限,土中自由水增加并連通,能夠傳遞水壓力,因此進行貫入的時候,在貫入位置孔隙水壓力迅速增長,強度下降到最低值。

5 結(jié) 論

(1)通過收縮試驗發(fā)現(xiàn),干密度相同的土體,隨相鄰粘土顆粒間的接觸增多,土-水體系的三相交界面上彎液面形成的毛細(xì)吸力增加,收縮過程經(jīng)歷的含水量范圍越大,體縮率越大。初始含水量較低接近最大吸著水含量wMΓ時,土-水體系的彎液面消失,失去了毛細(xì)吸力的作用,收縮僅由水膜縮小,收縮速度大大降低,在收縮曲線上出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點。

(2)通過袖珍貫入試驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)wwMT后,弱結(jié)合水膜厚度的增大在顆粒間起到了“潤滑”的作用,這種作用大于毛細(xì)吸力引起的強度增長,使得土體抵抗貫入的能力降低;含水量超過塑限后,土中自由水增加并連通,貫入位置孔隙水壓力迅速增長,因此強度下降到最低值。

(3)收縮性與貫入強度的試驗曲線均出現(xiàn)了顯著的分段性特征,且特征點一致,在這兩種試驗中,含水量是控制土性變化的主要指標(biāo),因此認(rèn)為土中水的形態(tài)轉(zhuǎn)換是土宏觀指標(biāo)變化的主要影響因素。有關(guān)土中結(jié)合水的形態(tài)劃分及確定有待于進一步的研究。