靳奉雨，王葉嬌，孫德安，曾玲玲

(1.上海大學(xué) 土木工程系，上海 200444；2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福州 350108)

中國西北黃土高原地區(qū)太陽輻射強(qiáng)，夏季炎熱短促，冬季寒冷漫長，晝夜溫差和季節(jié)性溫差較大，存在大面積的多年凍土和季節(jié)性凍土。當(dāng)溫度大幅變化時(shí)，土體會(huì)產(chǎn)生凍脹融沉，對(duì)該地區(qū)的巖土構(gòu)筑物造成一系列不容忽視的病害，如路基的不均勻沉降，嚴(yán)重影響道路的使用性能。為改良土體的工程性能，石灰被廣泛應(yīng)用于中國西北地區(qū)土質(zhì)改良工程[1]?，F(xiàn)場(chǎng)的石灰改良土長期暴露在復(fù)雜氣候與環(huán)境中，產(chǎn)生明顯的強(qiáng)度衰減現(xiàn)象。Le Runigo等[2]對(duì)石灰改良粉砂土在不同浸水飽和時(shí)間(7、25、50、110 d)和水循環(huán)時(shí)間(110、200、320 d)下的強(qiáng)度耐久性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，該改良土的強(qiáng)度耐久性與其滲透性相關(guān)，土體浸水后抗剪強(qiáng)度顯著降低。馬巍等[3]研究了凍融循環(huán)對(duì)石灰改良粉土剪切強(qiáng)度特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，石灰改良粉土剪切強(qiáng)度逐漸衰減。在干旱、半干旱氣候地區(qū)，上層土體通常處于非飽和狀態(tài)。土-水特征曲線對(duì)于研究非飽和土的水力特性具有重要意義。Nguyen等[4]通過對(duì)某路基現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，溫度變化會(huì)導(dǎo)致基質(zhì)吸力發(fā)生變化，引起土體內(nèi)部水分遷移，進(jìn)一步引起應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的變化，使其工程性質(zhì)發(fā)生改變。因此，有必要研究溫度對(duì)改性黃土持水特性的影響。這對(duì)于不同環(huán)境下改性黃土工程力學(xué)特性的預(yù)測(cè)以及工程設(shè)計(jì)參數(shù)的選取具有重要指導(dǎo)意義。

目前，非飽和土持水特性的溫度效應(yīng)研究多集中在未改良土。王鐵行等[5]測(cè)量了不同溫度下(5～35 ℃)黃土的土-水特征曲線，發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)基質(zhì)吸力的影響并不顯著，且在低含水率時(shí)溫度影響較大。蔡國慶等[6]基于熱力學(xué)理論，結(jié)合Van Genuchten土-水特征曲線模型，綜合考慮溫度對(duì)表面張力和浸潤系數(shù)的影響，建立了一種預(yù)測(cè)溫度影響的土-水特征曲線模型，并將模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者基本吻合。王協(xié)群等[7]測(cè)量了不同溫度下(10～50 ℃)黃土的土-水特征曲線，發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)持水特性的影響隨含水率降低而增大。葉為民等[8]通過蒸汽平衡法和滲析法發(fā)現(xiàn)，相同吸力下GMZ膨潤土-砂混合物的含水量隨溫度升高而減小，但溫度的影響大小取決于吸力水平。談云志等[9]研究了不同溫度下(20～40 ℃)粉土的持水特性，結(jié)果表明，溫度對(duì)持水特性的影響顯著，溫度的影響隨基質(zhì)吸力增大而減小。顯然，溫度對(duì)非飽和土持水效應(yīng)的影響機(jī)理并沒有形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，還需要進(jìn)行深入研究。目前的研究不僅缺少對(duì)較低溫度范圍內(nèi)(0～10 ℃)非飽和土持水特性的變化規(guī)律的關(guān)注，而且對(duì)于改性土持水特性的溫度效應(yīng)關(guān)注不足。

筆者采用濾紙法測(cè)量了不同溫度下石灰改良黃土的持水特性曲線，并分析了溫度對(duì)不同齡期下非飽和石灰改良黃土持水特性的影響規(guī)律，為不同工程設(shè)計(jì)參數(shù)的選取提供理論依據(jù)。另外，給出了低溫下(接近0 ℃)石灰處理土持水特性的變化規(guī)律，這對(duì)于處理凍土區(qū)工程問題具有重要的實(shí)際意義。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器及土樣

試驗(yàn)所用土樣為甘肅蘭州Q4黃土，其基本物理指標(biāo)如表1所示，為低液限粘土。土樣先在室溫下風(fēng)干2周，然后，用土壤粉碎機(jī)粉碎，取粉碎后的土樣進(jìn)行測(cè)試，其顆粒級(jí)配曲線和擊實(shí)曲線分別如圖1和圖2所示。

表1 黃土的基本物理特性Table 1 Basic physical properties of loess in Lanzhou

試驗(yàn)采用生石灰對(duì)土樣進(jìn)行改良。根據(jù)顆粒級(jí)配曲線可知，粒徑小于0.005 mm的顆粒累計(jì)含量為20%。依據(jù)Hilt等[10]提出的最佳石灰摻量計(jì)算公式，試驗(yàn)采用2%的石灰摻量，滿足最佳石灰摻量要求。依據(jù)中國公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[11]，土質(zhì)路基壓實(shí)度大于96%時(shí)，可基本滿足各種狀況下的設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)選取壓實(shí)度為98%。根據(jù)圖2中的擊實(shí)曲線，土樣的制樣重量含水率取為17%，干密度為1.6 g/cm3。試驗(yàn)中所使用土樣的信息均列于表2。

圖1 黃土顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Grain-size distribution curve of the loess

圖2 黃土擊實(shí)曲線Fig.2 Compaction curve of loess

試樣干密度/(g·cm-3)初始含水率/%石灰摻量/%養(yǎng)護(hù)時(shí)間/d未改良土1.617養(yǎng)護(hù)28 d土樣1.617228養(yǎng)護(hù)90 d土樣1.617290

采用濾紙法測(cè)定土樣不同溫度下的土-水特征曲線。濾紙法主要受到測(cè)試環(huán)境的溫度穩(wěn)定度、電子天平的精度和稱量濾紙操作的快捷性的影響。試驗(yàn)所用儀器包括：恒溫恒濕箱，溫度波動(dòng)≤±0.1 ℃；電子天平，精度為0.000 1 g；烘箱，控制溫度為105±5 ℃。試驗(yàn)儀器如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)所需儀器Fig.3 Experimental devices

1.2 試驗(yàn)步驟

1)稱取一定質(zhì)量的風(fēng)干土，將干土與生石灰粉充分混合，并用噴霧器噴灑去離子水至重量含水率17%并拌合。

2)將拌合后的土放入保鮮袋內(nèi)密封保存12 h，使土中水分分布均勻。

3)制樣方法選擇靜態(tài)壓實(shí)，并嚴(yán)格控制土樣的最終干密度[12]。將拌合后的土裝入制樣模具中，用千斤頂將其壓成高為10 mm、直徑為61.8 mm的圓餅狀土樣，靜壓30 min，以減少卸載時(shí)的回彈。

4)土樣從模具中取出后放入飽和水汽環(huán)境中，密封養(yǎng)護(hù)至目標(biāo)齡期(28、90 d)。

5)將Whatman No.42濾紙放入無蓋鋁盒中，在上方覆蓋一張較大的非測(cè)試濾紙，以防止灰塵落在濾紙上，影響測(cè)試精度。將鋁盒放入烘箱內(nèi)，烘干12 h。

6)將達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期(28、90 d)的土樣取出，緩慢風(fēng)干至目標(biāo)含水率。

7)將土樣放入保鮮盒中，并在上方覆蓋塑料紗網(wǎng)。將烘干12 h的濾紙放置在塑料紗網(wǎng)上，扣緊保鮮盒，裝入塑封袋中，放入恒溫恒濕箱，并設(shè)置試驗(yàn)溫度，為使濾紙中水分平衡，靜置7 d。

8)取出保鮮盒，按照ASTM D5298[13]中規(guī)定的步驟測(cè)量濾紙含水率，并測(cè)量土樣平衡后的實(shí)際重量含水率。

9)考慮試驗(yàn)過程中土樣體積將發(fā)生變化，采用液體石蠟法測(cè)量土樣體積，試驗(yàn)步驟與孫德安等[14]相同，并計(jì)算土樣體積含水率。

10)利用表3中濾紙的率定曲線公式計(jì)算吸力值，從而得到該溫度下的土-水特征曲線。

表3 試驗(yàn)所用濾紙的率定曲線公式Table3 Calibration relationships for the filter paper in suction measurement

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 齡期對(duì)持水特性的影響

相同試驗(yàn)溫度、不同養(yǎng)護(hù)齡期下，壓實(shí)黃土的土-水特征曲線如圖4所示。以20 ℃下測(cè)得的土-水特征曲線為例，在土樣體積含水率從27%到8%的風(fēng)干過程中，養(yǎng)護(hù)28 d土樣的土-水特征曲線 高于未改良土樣的結(jié)果，說明土樣在經(jīng)過石灰改良并養(yǎng)護(hù)28 d后持水能力升高。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，吸力繼續(xù)提高。當(dāng)體積含水率均為27% 時(shí)，未改良土樣、養(yǎng)護(hù)28 d的土樣、養(yǎng)護(hù)90 d的土樣吸力分別為149、233和336 kPa。養(yǎng)護(hù)28 d的土樣和養(yǎng)護(hù)90 d的土樣吸力分別較未改良土樣吸力提高了56%和125%。但當(dāng)體積含水率為8% 時(shí)，未改良土樣、養(yǎng)護(hù)28 d的土樣、養(yǎng)護(hù)90 d的土樣吸力分別為4 201、4 707和5 110 kPa。此時(shí)，養(yǎng)護(hù)28 d的土樣、養(yǎng)護(hù)90 d的土樣吸力較未改良土樣吸力的提升幅度降為12%和21%，表明壓實(shí)黃土經(jīng)石灰改良后，土樣持水能力提高，并且持水能力隨養(yǎng)護(hù)齡期增加而不斷提高。另外，隨著體積含水率降低，吸力增大，石灰改良和養(yǎng)護(hù)齡期的影響逐漸減弱。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)齡期下壓實(shí)黃土土-水特征曲線Fig.4 Water retention curves of compacted loess at different curing time

2.2 測(cè)試溫度對(duì)持水特性的影響

相同養(yǎng)護(hù)齡期、不同測(cè)試溫度條件下，壓實(shí)黃土的土-水特征曲線如圖5所示?？梢钥吹剑? ℃→5 ℃→10 ℃→20 ℃→40 ℃的溫度變化過程中，養(yǎng)護(hù)90 d的土樣在體積含水率為16%時(shí)對(duì)應(yīng)的吸力變化路徑為3 301 kPa→2 418 kPa→2 207 kPa →1 482 kPa →864 kPa，0 ℃下的吸力較40 ℃下的吸力增大了2 437 kPa，變化幅度約為73%，表明測(cè)試溫度對(duì)土樣的持水能力具有顯著影響。隨著測(cè)試溫度升高，相同含水率下土樣吸力逐漸降低，持水能力下降。同樣在0 ℃→5 ℃→10 ℃→20 ℃→40 ℃的溫度變化過程中，養(yǎng)護(hù)90 d的土樣在體積含水率為8%時(shí)對(duì)應(yīng)的吸力變化路徑為6 946 kPa→ 6 172 kPa→ 5 476 kPa→5 110 kPa→5 108 kPa，0 ℃下的吸力較40 ℃下的吸力增大了1 838 kPa，變化幅度為26%?？梢钥闯?，隨著體積含水率降低，吸力增大，溫度效應(yīng)減弱。還可以觀察到，在溫度變化量相同時(shí)，初始狀態(tài)相同的土樣吸力變化值隨溫度升高而逐漸減弱，表明土樣持水能力的溫度效應(yīng)在低溫時(shí)更加顯著，這與Villar等[15]的測(cè)試結(jié)果一致。

3 結(jié)果分析

3.1 齡期和測(cè)試溫度對(duì)持水特性的影響

非飽和土內(nèi)孔隙的大小和分布是影響土-水特征曲線的重要因素。養(yǎng)護(hù)過程中石灰改良土持水能力的提高可以歸因于石灰改良土發(fā)生火山灰反應(yīng)，產(chǎn)生了凝膠化合物。這些凝膠化合物會(huì)覆蓋在土顆粒團(tuán)聚體表面，逐漸填充團(tuán)聚體間的孔隙，改變土內(nèi)孔隙的大小和連通性[16]。在這個(gè)過程中，某些團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙的入口可能會(huì)被堵塞，增加了收縮孔和墨水瓶孔出現(xiàn)的可能性。隨著土顆粒團(tuán)聚體間孔隙逐漸減少以及孔隙間的連接口越來越狹窄，土體在去飽和過程中所需的吸力越來越高，這會(huì)導(dǎo)致在較高含水率時(shí)土樣持水能力明顯提高。但由于在團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙中，火山灰反應(yīng)產(chǎn)物較少，因此，在較低含水率時(shí)，土樣持水能力提升并不明顯。

圖5 不同溫度下壓實(shí)黃土的土-水特征曲線Fig.5 Water retention curves of compacted loess at different temperatures

火山灰反應(yīng)隨土樣養(yǎng)護(hù)而持續(xù)進(jìn)行。養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，石灰改良土的持水能力有一定程度的提升。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，其持水能力不斷提高。在養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長的情況下，有更多的凝膠化合物產(chǎn)生，從而導(dǎo)致石灰改良土持水能力明顯提高。但當(dāng)溫度較低時(shí)，氣泡幾乎未發(fā)生膨脹，孔隙水未被擠出，孔隙水大多存在于小孔隙中，去飽和過程所需的吸力較大。在這種情況下，即使孔隙結(jié)構(gòu)存在一定差別，土-水特征曲線也會(huì)趨于一致[17-18]。

溫度對(duì)土體持水能力的影響主要體現(xiàn)在溫度影響毛細(xì)管內(nèi)彎液面處表面張力[19-20]。隨著溫度的升高，表面張力降低，相同含水率下吸力逐漸減小，土樣持水能力下降。很多情況下，溫度影響表面張力的觀點(diǎn)不足以解釋溫度對(duì)持水特性的影響。非飽和土是由土顆粒、孔隙水和氣體組成的三相混合體。因此，溫度對(duì)吸力的影響還會(huì)受到孔隙氣體和土顆粒表面雙電層的影響。一般來說，氣體具有一定的水溶解性，孔隙水中將存在一定數(shù)量的封閉氣泡。隨著溫度升高，孔隙水中的封閉氣泡發(fā)生膨脹，氣體體積增大，將孔隙水?dāng)D出[9]。另一方面，Hopmans等[21]發(fā)現(xiàn)孔隙水排出的同時(shí)，封閉氣泡也會(huì)排出。隨溫度升高和吸力增大，土中封閉氣泡體積逐漸減小，溫度變化對(duì)持水曲線的影響逐漸減弱。土體孔隙中除了自由水之外，還存在一層吸附于土顆粒表面的結(jié)合水膜。雙電層理論認(rèn)為，土顆粒表面一般帶有負(fù)電荷，這些負(fù)電荷會(huì)由吸附的陽離子進(jìn)行中和，前者構(gòu)成雙電層的內(nèi)層，后者形成雙電層的外層，也就是結(jié)合水膜[22]。結(jié)合水含量會(huì)隨溫度升高而減少，并且趨勢(shì)逐漸變緩[23]。當(dāng)溫度升高時(shí)，結(jié)合水分子運(yùn)動(dòng)加劇，當(dāng)電荷之間的吸附力不足以束縛水分子時(shí)，外層的結(jié)合水就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤?，在土體干燥過程中容易被排出。隨著溫度進(jìn)一步升高，結(jié)合水膜變薄，電荷之間的吸附力增長較快，轉(zhuǎn)化為自由水排出的難度越來越大[24]。因此，隨著溫度升高，相同含水率對(duì)應(yīng)的吸力逐漸下降，并且溫度效應(yīng)逐漸減弱。

3.2 養(yǎng)護(hù)齡期和測(cè)試溫度對(duì)VG模型的影響

在現(xiàn)有的土-水特征曲線預(yù)測(cè)模型當(dāng)中，Van Genuchten (VG)模型[25]是被應(yīng)用最廣泛的模型之一。同時(shí)，考慮到試驗(yàn)過程中土樣體積的變化，采用體積含水率，所使用表達(dá)式為

式中：θv為體積含水率；θs為飽和含水率；θr為殘余含水率；s為吸力值，kPa；a、n為待定參數(shù)。

通常認(rèn)為，參數(shù)a表示土-水特征曲線中的進(jìn)氣值，參數(shù)n則代表土-水特征曲線過渡段的斜率，將未改良土樣、養(yǎng)護(hù)28 d的土樣、養(yǎng)護(hù)90 d的土樣在不同溫度下測(cè)得的土-水特征曲線的數(shù)據(jù)代入VG模型中，得到不同溫度下的模型參數(shù)，列于表4中。由于制樣含水率在最優(yōu)含水率左側(cè)，土樣的孔隙結(jié)構(gòu)分布為雙峰結(jié)構(gòu)，土-水特征曲線主要由土顆粒集聚體內(nèi)和集聚體間孔隙控制，也會(huì)出現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)。根據(jù)雙峰孔隙結(jié)構(gòu)分布的特征，可將土-水特征曲線分為對(duì)應(yīng)集聚體間和集聚體內(nèi)的兩孔隙段，可利用預(yù)測(cè)模型分別進(jìn)行擬合[26]。該試驗(yàn)依據(jù)風(fēng)干過程測(cè)得的土-水特征曲線及其擬合參數(shù)很可能代表的是集聚體內(nèi)孔隙段土-水特征曲線的模型參數(shù)。此時(shí)，θs代表的是集聚體內(nèi)孔隙飽和時(shí)的含水率。

表4 擬合參數(shù)Table 4 Regression parameters

擬合參數(shù)a、n、θs、θr隨溫度及養(yǎng)護(hù)齡期的變化趨勢(shì)如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，除個(gè)別離散數(shù)據(jù)點(diǎn)之外，整體可以得出溫度對(duì)VG模型參數(shù)(θs、θr、a、n)的影響規(guī)律一致，即對(duì)于同一種土樣而言，隨著溫度升高，a、n有減小的趨勢(shì)，而θs、θr變化較小，該結(jié)果與王鐵行等[5]結(jié)論一致。另外，養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)VG模型參數(shù)的影響為：在相同溫度下，石灰改良土樣與未改良土樣相比，石灰改良土樣的θs、a、n增大，θr減小，并且θs、a、n隨養(yǎng)護(hù)齡期增長而增大，θr幾乎不隨齡期變化。θs、a、n的變化可以歸因于火山灰反應(yīng)隨時(shí)間持續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)生了更多的膠凝化合物，將土顆粒集聚體膠結(jié)起來，減小了集聚體間孔徑，使小孔隙增多。同時(shí)，某些團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙的入口可能被膠凝化合物堵塞，增加了收縮孔和墨水瓶孔的可能性。θr的變化可能與土的比表面積變化有關(guān)。土樣經(jīng)石灰改良后，土顆粒發(fā)生絮凝和團(tuán)聚，比表面積下降[27]。這種現(xiàn)象主要發(fā)生在石灰改良前期，因此，θr在土樣養(yǎng)護(hù)齡期超過28 d的情況下幾乎不發(fā)生變化。

4 結(jié)論

1)溫度變化對(duì)黃土持水能力有一定影響。對(duì)于同種土樣而言，土樣持水能力隨溫度升高而下降，曲線逐漸趨于平緩，溫度效應(yīng)減弱。當(dāng)不同土樣溫度和體積含水率相同時(shí)，土樣持水能力隨石灰改良和養(yǎng)護(hù)齡期增加而提高。隨著體積含水率降低，吸力增大，石灰改良、養(yǎng)護(hù)齡期和溫度變化對(duì)黃土持水能力的影響逐漸減弱。

2)VG模型中的參數(shù)會(huì)受到石灰改良、養(yǎng)護(hù)齡期和溫度變化的影響。石灰改良后，θr減小，a變大，θs、n變化不大。其中，θs、a、n會(huì)隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長而增大。對(duì)于同種土樣而言，隨溫度升高，θs、θr幾乎不發(fā)生變化，但a、n都有減小的趨勢(shì)。

3)孔隙水中封閉氣泡的存在和吸附結(jié)合水量的變化是影響黃土持水特性的重要原因。其中，孔隙水中封閉氣泡對(duì)持水特性的影響隨體積含水率降低而減弱。