蔣 鑫

(湖南省核工業(yè)地質(zhì)局三〇六大隊，湖南 衡陽 421003)

1 引言

根據(jù)非飽和土力學(xué)理論，非飽和紅粘土強度與基質(zhì)吸力有關(guān)，因此，正確量測基質(zhì)吸力與外界條件的關(guān)系對研究非飽和土的性狀具有非常重要的意義?；|(zhì)吸力的量測有直接法或間接法，常見的方法有濾紙實驗法、壓力板測試儀法以及三軸儀測量法等，不同的測量方式其優(yōu)點也各不相同。相關(guān)研究結(jié)果顯示，采用濾紙測試的方法不但可以對總吸力進行有效測量，同時也是較為有效的間接基質(zhì)吸力測試方法。相較于其他方式，該方案成本投入更低、操作更為簡便且測量準(zhǔn)確度更好。目前，國外針對該技術(shù)的應(yīng)用主要采用Whatman′s No.42和Schleicher & Schuell No.589-WH兩種型號的濾紙。而國內(nèi)在該方面的研究有待提高，研究成果不多，且多數(shù)僅涉及國產(chǎn)“雙圈”牌濾紙的吸力率定試驗。本文通過濾紙法研究分析湖南郴州地區(qū)紅粘土基質(zhì)吸力隨密度及溫度變化的規(guī)律。

2 試驗用土的基本性質(zhì)

試驗選用土樣均大量來源于廈成高速公路湖南郴州試驗段高液限紅粘土土樣，所取土樣均為重塑樣，土樣呈紅褐色，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)符合試驗用土的基本性質(zhì)。

3 濾紙法量測

3.1 濾紙法原理

濾紙測試方案的主要工作原理為，在整個測試過程中將其視為一個可靠的傳感器設(shè)備，并假定在整個過程中濾紙可以和具備一定吸力的土體(在水分流動意義上)達到平衡。測量過程中，若土樣與濾紙是接觸的，則得到的是土中基質(zhì)吸力與土中水的關(guān)系。

3.2 儀器

電子天平(0.0001 g)、烘箱(105±5 ℃)、大密封罐、小密封罐、恒溫箱、溫度計、保鮮袋、絕緣膠帶，國產(chǎn)“雙圈”牌No.203型定量分析濾紙。其相應(yīng)基質(zhì)吸力率定方程如下式：

(1)

式中，s為基質(zhì)吸力，kPa；w為濾紙的含水率。

3.3 試驗內(nèi)容

按《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》要求，根據(jù)室內(nèi)輕型擊實試驗，得到高液限紅粘土的最佳含水量wop為20.6%，最大干密度ρdmax為1.6 g/cm3。試驗中，試樣初始含水率均設(shè)為26.1%；設(shè)計初始干密度分別為1.36，1.44，1.50 g/cm3三組密度狀態(tài)；溫度分別控制為16，26，36 ℃三組溫度狀態(tài)。

3.4 測試過程

室內(nèi)濾紙法量測基質(zhì)吸力的試驗主要分為試樣制備和取樣測試兩個步驟。

3.4.1 試樣制備

按《土工試驗規(guī)程》要求，首先將高液限紅粘土風(fēng)干、振搗，并使用2 mm的分樣篩進行篩選，將最終篩選得到的樣本支撐水含量為26.1%左右的土料。再采用控制干密度的三軸制樣法，將高液限紅粘土土樣由初始含水率為26.1%的土料分別壓實至1.36，1.44，1.50 g/cm3(試樣均為Φ61.8mm×42mm的圓柱形試樣，按重量等分為兩份逐個壓實操作)；此外，分別將其進行風(fēng)干、脫水以及密封等多項工藝，為了得到不同的基質(zhì)吸力值，控制其濕度情況；然后，在經(jīng)過濕度控制后的試樣基于水平放置的形式與干濾紙進行可靠接觸(設(shè)計濾紙一共分為三層，中檢測是測試層，通常半徑為2.5cm；而其他兩層則主要用于防護作用，一般半徑在3cm左右。)濾紙放置好后用絕緣膠牢牢固定接縫位置，并用保鮮袋對整個試樣進行徹底包覆，隨后將其放置于大規(guī)格的密封罐內(nèi)再次使用絕緣膠帶等進行可靠密封處理；最后，將制作完成的各個試樣分別置于溫度可控的恒溫箱內(nèi)靜置10d。

3.4.2 取樣測試

待靜置一段時間后，對各個試樣中的濾紙以及圖樣的含水量情況進行測試。在對土樣進行測量時應(yīng)當(dāng)注意選擇整個土樣的中心位置，而對濾紙進行測試時，則需要依照下述相關(guān)步驟進行：首先，在短時間內(nèi)確定冷鋁盒以及冷鋁盒含濕濾紙的重量情況，從而計算得到濕濾紙當(dāng)前的重量；其次，將冷鋁盒含濕濾紙放置于烘箱內(nèi)恒溫烘烤24h，溫度控制在105 ℃即可，且整個過程中務(wù)必保持鋁盒蓋處于半開狀態(tài)；接著，將烘箱打開并蓋上鋁盒蓋，靜置3min，隨后去除冷鋁盒含干濾紙使用鋁棒進行充分冷卻30s，此時快速稱取冷鋁盒含干濾紙以及熱鋁盒的重量情況，最后得到該情況下的干濾紙的重量，依據(jù)所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)對濾紙的含水情況進行有效計算即可。

4 結(jié)果分析

4.1 基質(zhì)吸力與干密度的關(guān)系

通常認(rèn)為，對同一含水率的壓實土而言，其基質(zhì)吸力不隨干密度的變化而變化。而本次試驗證明，這一結(jié)論并不是嚴(yán)格成立的。據(jù)試驗結(jié)果可得出基質(zhì)吸力與干密度的關(guān)系曲線，見圖1。

圖1 紅粘土基質(zhì)吸力與干密度關(guān)系

由圖1可知，相同初始含水率和溫度(26 ℃)的情況下，基質(zhì)吸力隨干密度的增大有減小的趨勢。當(dāng)含水率w≤28.5%時，這一變化規(guī)律特別明顯；當(dāng)含水率w>28.5%時，基質(zhì)吸力隨干密度增大而減小的趨勢減緩。這進一步說明基質(zhì)吸力在含水率較低時對密度狀態(tài)的變化較敏感，而在含水率較高時對密度狀態(tài)的變化不敏感。

從圖1可看出非飽和紅粘土基質(zhì)吸力與干密度的關(guān)系基本上符合線性關(guān)系，利用一次函數(shù)來擬合。由一次函數(shù)來擬合，不難發(fā)現(xiàn)干密度和基質(zhì)吸力之間存在一定的關(guān)聯(lián)，均高于0.92，這也切實反映了基質(zhì)吸力與干密度之間較為可靠的關(guān)聯(lián)度。學(xué)者劉小文等(2009)曾對南方紅土以及汪東林等(2009)對重塑粘土的基質(zhì)吸力實驗也都得到了類似的結(jié)論，可見本文所得結(jié)論具有一定的實用性。

4.2 基質(zhì)吸力與溫度的關(guān)系

據(jù)試驗結(jié)果可得出3種密度狀態(tài)、6種含水率狀態(tài)下基質(zhì)吸力與溫度的關(guān)系曲線，見圖2～圖4。

圖2 干密度為1.36 g/cm3時基質(zhì)吸力與溫度關(guān)系

圖3 干密度為1.44 g/cm3時基質(zhì)吸力與溫度關(guān)系

圖4 干密度為1.50 g/cm3時基質(zhì)吸力與溫度關(guān)系

從圖2～圖4可看出，非飽和紅粘土基質(zhì)吸力具有隨溫度升高而減小的趨勢，3種干密度與6種含水率下回歸分析基質(zhì)吸力隨溫度的變化。

據(jù)圖2～圖4與實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果，溫度與基質(zhì)吸力的相關(guān)性非常高，均在0.99以上，表明在常溫下紅粘土的基質(zhì)吸力隨溫度升高逐漸減小；在同一干密度下，從斜率大小可看出，含水率越低，溫度對基質(zhì)吸力的影響就越大。當(dāng)含水率w<28.5%時，這一變化規(guī)律較明顯；當(dāng)w≥28.5%時，基質(zhì)吸力隨溫度升高而減小的趨勢減緩。該試驗結(jié)果與汪建峰等人(2010)的研究成果極其相似，可見本文所得結(jié)論具有一定的實用性。

5 結(jié)論

(1)選擇室內(nèi)濾紙的測量方式可以較為可靠地實現(xiàn)針對非飽和紅黏土的基質(zhì)吸力的測量。整個過程操作相對簡單，可用于多種場合，但要求操作人員具備一定的職業(yè)素養(yǎng)，對操作環(huán)境也有一定的要求。在實際實驗測量期間，應(yīng)當(dāng)對濾紙法測量土體的含水量等范圍進行明確。

(2)相同初始含水率和溫度下，基質(zhì)吸力對干密度的變化較敏感，隨著干密度的增加，基質(zhì)吸力具有逐漸減小的趨勢。當(dāng)含水率w≤28.5%時，這一變化規(guī)律特別明顯；當(dāng)含水率w>28.5%時，基質(zhì)吸力隨干密度增大而減小的趨勢減緩。

(3)在常溫下紅粘土的基質(zhì)吸力隨溫度升高逐漸減?。辉谕桓擅芏认?，含水率越低，溫度對基質(zhì)吸力的影響就越大。當(dāng)含水率w<28.5%時，這一變化規(guī)律較明顯；當(dāng)w≥28.5%時，基質(zhì)吸力隨溫度升高而減小的趨勢減緩。