張軍輝， 張銀銀， 彭俊輝

(長沙理工大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)國家工程實驗室， 湖南 長沙 410114)

1 前言

非飽和土的土水特征曲線( SWCC) 是描述基質(zhì)吸力與含水率(飽和度或體積含水率)之間的關(guān)系曲線。測量土體的SWCC對于預(yù)測非飽和土力學(xué)性質(zhì)、滲透函數(shù)及抗剪強(qiáng)度有著重要的意義。

已有研究表明：SWCC受土體類型、應(yīng)力歷史、孔隙結(jié)構(gòu)、干密度及試驗方法等諸多因素的影響。理論分析得到SWCC要考慮多種影響因素，因此主要采用室內(nèi)試驗方法獲得SWCC。試驗室內(nèi)測量SWCC較常用的有濾紙法、張力計法和軸平移法等。采用軸平移技術(shù)的壓力板儀等儀器實測的土水特征曲線相對其他試驗方法更為準(zhǔn)確可靠，其測量范圍視陶土板進(jìn)氣值而定，但壓力板儀測定SWCC需要在平衡狀態(tài)下測定。Tinjum等試驗得知，對于黏土SWCC的量測，每一級吸力的平衡時間為5～8 d，Vanapalli等測得每一級吸力土樣為6～7 d達(dá)到平衡。由此可知陶土板滲透性低，導(dǎo)致試驗費時費力，并且價格昂貴。因此如何快速且準(zhǔn)確測量室內(nèi)重塑黏土土樣的SWCC成為亟待解決的問題。

近年來，學(xué)者們對室內(nèi)如何快速測定SWCC進(jìn)行了深入研究。陳輝等利用聯(lián)合測試系統(tǒng)測定非平衡狀態(tài)的流動試驗，該試驗可快速測量不飽和粉土的SWCC；伊盼盼等、李幻等對粉土試樣開展了一步流動試驗得出溢出水量隨時間的關(guān)系曲線，利用hydrus-1D水分運移模型對該曲線進(jìn)行擬合并得出相關(guān)參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)反算得出試樣的SWCC，與傳統(tǒng)的測試方法比較，該方法能夠節(jié)省大量時間；何錦堂等根據(jù)動態(tài)多步流動法的試驗原理和試驗步驟，對砂土、粉土、粉質(zhì)黏土、黏土進(jìn)行動態(tài)多步流動試驗，以平衡態(tài)的試驗結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果證明動態(tài)多步流動法能夠快速預(yù)測SWCC；李幻等在改進(jìn)的壓力板儀測試系統(tǒng)上對粉土試樣開展動態(tài)多步流動試驗，測得一條脫濕曲線的時間為5 d左右，具有較高準(zhǔn)確性，與常規(guī)平衡態(tài)測試方法相比可以大大節(jié)省時間，方便快捷；Adel Alowaisy等研制了一種適用于重塑土和原狀土的連續(xù)加壓全自動測定系統(tǒng)，在短時間內(nèi)連續(xù)、直接和準(zhǔn)確地測定SWCC，干燥和潤濕SWCC所需時間不到常規(guī)多步流動法的10%；Tomoyoshi Nishiumura等開發(fā)了一種利用纖維薄膜來測量低基質(zhì)吸力范圍內(nèi)的SWCC的新儀器，采用該儀器測量了5種土的SWCC，結(jié)果表明使用纖維薄膜進(jìn)行SWCC測量所需的平衡時間比使用陶土板測量SWCC所需的平衡時間短得多，膜的排水時間為2 min左右，而陶土板的排水時間為3 000～4 000 min，平衡時間較短的原因是纖維薄膜的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陶土板的厚度；Hong Won-Taek采用纖維薄膜和TDR時域反射系統(tǒng)測量SWCC，結(jié)果表明：由TDR系統(tǒng)估算的體積含水量幾乎與滴定管系統(tǒng)確定的含水量相同，這意味著體積含水量可由具有TDR的自動系統(tǒng)直接評估。證實了由于膜具有較高的水力傳導(dǎo)率和膜的厚度優(yōu)勢，使用膜代替陶土板顯著減少了SWCC測試時間；Wang Hailong等采用過濾膜測試了砂土的SWCC，并將其運用到三軸試驗儀中進(jìn)行三軸試驗，結(jié)果表明過濾膜測SWCC能得到陶土板類似的曲線，將過濾膜應(yīng)用于低吸力范圍砂質(zhì)材料的SWCC量測是個很好的選擇。

中國南方濕熱地區(qū)的紅黏土分布十分廣泛，由于受濕熱氣候及土質(zhì)等復(fù)雜條件影響，南方地區(qū)現(xiàn)役路堤內(nèi)部濕度狀態(tài)隨時間和空間變化的穩(wěn)定性差，導(dǎo)致其濕化嚴(yán)重，剛度顯著降低，變形持續(xù)增加。因此，快速準(zhǔn)確測量重塑黏土的SWCC對于研究其濕度變化具有重要意義。該文結(jié)合上述學(xué)者的研究，采用常規(guī)體積壓力板儀與陶土板的組合測量不同壓實度下重塑黏土的SWCC，使用GEO-Experts應(yīng)力相關(guān)的土水特征曲線壓力板儀與親水性纖維薄膜的組合測量同種條件下重塑黏土的SWCC，將兩種方法得到的SWCC做對比分析。

2 試驗土樣

中國南方濕熱地區(qū)的高液限黏土分布十分廣泛，該文土樣來源于長沙。進(jìn)行室內(nèi)顆粒分析試驗、界限含水率試驗和擊實試驗得到土樣的基本物理特性如表1所示。

表1 土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

3 GEO-Experts應(yīng)力相關(guān)的土水特征曲線壓力板儀改進(jìn)試驗

由于纖維薄膜的直徑大小定制受到限制，該文采用GEO-Experts應(yīng)力相關(guān)的土水特征曲線壓力板儀進(jìn)行改進(jìn)試驗，用纖維薄膜代替該儀器中的陶土板測量無預(yù)固結(jié)、零應(yīng)力狀態(tài)下壓實度分別為90%、93%、96%土樣的SWCC。

3.1 GEO-Experts應(yīng)力相關(guān)的土水特征曲線壓力板儀原理

該儀器由壓力板儀組件、壓力控制面板、垂直氣動加載系統(tǒng)和水體積測量系統(tǒng)組成。試驗時，飽和土樣放置在壓力板儀底座的進(jìn)氣值為5 Bar(1 Bar=0.1 MPa)的陶土板上，高進(jìn)氣值陶土板屬于壓力板儀組件的部件，陶土板可維持小于其進(jìn)氣值的氣壓，防止有氣進(jìn)入其下方而影響水體積變化的測量。利用垂直氣動加載裝置給土樣施加一定豎向壓力并使其固結(jié)，施加的豎向力由荷重傳感器監(jiān)測。固結(jié)完成后，采用軸平移技術(shù)控制土樣的基質(zhì)吸力。在外加基質(zhì)吸力作用下，土樣吸水或失水，通過豎向位移傳感器和水體積量測系統(tǒng)分別監(jiān)測試樣豎向變形和水體積變化。吸力平衡后根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可計算得到試樣在該吸力狀態(tài)下的體積含水量、重力含水量和飽和度。然后改變氣壓值，使試樣在下一級吸力狀態(tài)下平衡，并計算得到相應(yīng)含水率和飽和度。據(jù)此得到一定應(yīng)力狀態(tài)試樣的土水特征曲線。

為了與上述常規(guī)壓力板儀進(jìn)行對比分析，此次試驗無預(yù)固結(jié)、不施加豎向應(yīng)力。改進(jìn)部分主要為壓力板儀組件部分。

3.2 纖維薄膜介紹

軸平移技術(shù)使用高進(jìn)氣值材料的微小孔隙把非飽和土中的水相和氣相隔開，當(dāng)高進(jìn)氣值材料飽和時具有讓水自由通過而限制氣體通過的特性。用燒結(jié)的陶土板制造的高進(jìn)氣值材料，進(jìn)氣值可達(dá)1 500 kPa，而特殊的纖維膜進(jìn)氣值則能達(dá)到10 000 kPa。該文采用的纖維薄膜屬于親水性過濾膜、聚醚砜材質(zhì)，具有良好的親水性和水通量，很好的化學(xué)穩(wěn)定性和惰性，堿性pH值穩(wěn)定，具有藥物相容性。其溫度性能穩(wěn)定，整片濾膜在高溫下既可以保證其完整性又能進(jìn)行滅菌消毒，并在此過程中保持良好的抗收縮性能，避免在濾器中發(fā)生膜的撕裂、流速的降低和整個過濾量的減少。纖維薄膜參數(shù)與陶土板的規(guī)格見表2。

表2 纖維薄膜與陶土板的規(guī)格

3.3 纖維薄膜測量SWCC試驗

由于受到壓力板儀組件底座的尺寸限制，首先定制一塊直徑、厚度均與陶土板一致的致密透水石，采用孔徑為0.1 μm、厚度為0.13 mm的纖維薄膜與該透水石的組合代替陶土板進(jìn)行試驗，纖維薄膜的厚度可以忽略不計，如圖1、2所示。

圖1 壓力板儀組件底座替換示意圖

3.4 試驗方法

按JTG E40—2019《公路工程試驗規(guī)程》制樣與飽和。試驗前將纖維薄膜、定制致密透水石和土樣放在真空飽和器中飽和24 h。試驗時飽和的環(huán)刀樣置于纖維薄膜上，向壓力室施加氣壓使試樣達(dá)到預(yù)定的基質(zhì)吸力。在氣壓的作用下，土中孔隙水排出以達(dá)到平衡，排出的水量通過量管測定。各級吸力狀態(tài)下濕度平衡的判別標(biāo)準(zhǔn)：每2 h排水量不超過0.012 mL作為氣壓力平衡的標(biāo)準(zhǔn)。按順序?qū)x器各組成部分安裝好進(jìn)行試驗，具體試驗方案如表3所示。

表3 高液限黏土土水特征曲線試驗方案

圖2 纖維薄膜壓力板儀組件底座結(jié)構(gòu)示意圖

為了給纖維薄膜所測SWCC提供對比數(shù)據(jù)，在相同試驗條件下，采用陶土板也進(jìn)行了3組不同壓實度情況下的SWCC試驗。

3.5 試驗結(jié)果和分析

(1) 纖維薄膜測量SWCC的試驗結(jié)果和陶土板測量SWCC的試驗結(jié)果繪制成圖3。

圖3 纖維薄膜和陶土板測量SWCC的試驗結(jié)果對比

由圖3可知：不同壓實度條件下基質(zhì)吸力變化的規(guī)律與陶土板測試所得結(jié)果大體一致，同一體積含水率下，壓實度越高，基質(zhì)吸力越低。

(2) 纖維薄膜改進(jìn)壓力板儀試驗和實測平衡態(tài)試驗分別歷時3、58 d。由纖維薄膜測得的3組壓實度的土樣每一級吸力的平衡時間為3～5 h不等，即采用0.1 μm纖維薄膜獲得吸力為400 kPa以內(nèi)一條脫濕土水特征曲線(9級吸力)需要27～45 h，可很大程度地節(jié)約試驗時間。

(3) 不同壓實度下的誤差對比如圖4所示，3種壓實度(90%、93%、96%)下纖維薄膜所測SWCC整體低于陶土板所測SWCC。采用Origin軟件中線性擬合分析分別求解3組數(shù)據(jù)的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)分別為0.981、0.981、0.985，均大于0.98；3種壓實度(90%、93%、96%)下纖維薄膜所測體積含水率與陶土板所測體積含水率的差值分別為4.48%、4.24%、4.82%，均小于5%。根據(jù)前人試驗總結(jié)即使在同一基質(zhì)吸力下，基于不同測試方法測量出來的土樣的含水率也會存在明顯差異，誤差達(dá)5%～30%，甚至更高?；谳S平移技術(shù)原理的纖維薄膜與陶土板試驗，差值控制在5%以下，結(jié)果較為理想。由此說明纖維薄膜可以替代陶土板有效進(jìn)行SWCC試驗。

圖4 3種壓實度下纖維薄膜和陶土板測SWCC的對比圖

分析試驗結(jié)果產(chǎn)生誤差的可能原因有：① 在低吸力區(qū)域，兩者測量的差距較大，高吸力區(qū)域兩者結(jié)果相近，因為低吸力區(qū)域吸力控制較難；② 纖維薄膜測量所得曲線總體上都低于陶土板所測，一是與采用的飽和致密透水石有一定關(guān)系，致密透水石的孔徑相較陶土板依然偏大，致密透水石中的水在水循環(huán)沖刷氣泡的作用下，也有少部分水排到量管中，導(dǎo)致測得土樣的含水率偏低；二是致密透水石的下方也有氣泡聚集導(dǎo)到測量結(jié)果偏低；③ 間歇性做試驗的影響。

3.6 SWCC誤差減小試驗及擬合

為了減少致密透水石和下方氣泡聚集對試驗結(jié)果的影響，擬采用壓實度為96%的土樣做誤差修正試驗。在每一級吸力平衡時，將土樣拿出壓力室外稱量其質(zhì)量，直接得到土樣的含水量變化，可排除致密透水石和下方氣泡聚集的影響；同時做一組無試件情況下致密透水石與纖維薄膜的誤差對比試驗，每一級吸力加載持續(xù)3 h后，將致密透水石拿出壓力室外測量其質(zhì)量，由此可得知飽和的致密透水石是否對試驗結(jié)果造成影響。試驗結(jié)果及繪制修正后的SWCC如圖5所示。

圖5 壓實度為96%的土樣誤差減小前后SWCC對比圖

由圖5可知：兩條曲線在高吸力區(qū)域高度吻合，低吸力區(qū)域有微小差別：飽和的致密透水石對土樣排出水量的測量有一定的影響，可能是在稱量過程中導(dǎo)致的質(zhì)量增減，但影響微小，可忽略不計。由圖4、5可知：修正前陶土板所測SWCC和纖維薄膜所測SWCC的相關(guān)系數(shù)R2為0.985，修正后R2為0.999，兩次試驗的相關(guān)性都很好，但修正后相關(guān)性更佳，因此該誤差減小試驗在一定程度上可降低透水石下方氣泡聚集帶來的主要誤差，纖維薄膜能夠替代陶土板進(jìn)行試驗。

在眾多土水特征曲線模型中，F(xiàn)redlund & Xing模型[式(1)、(2)]適用于全吸力范圍的任何土類，能與實測曲線更好地擬合。

(1)

(2)

式中：a為與進(jìn)氣值有關(guān)的參數(shù)；n為與土水特征曲線過渡段斜率有關(guān)的參數(shù)；m為與曲線末端殘余含水率有關(guān)的參數(shù)；θs為飽和體積含水率；θ為體積含水率；h為土體吸力；hr為殘余含水率對應(yīng)的吸力(kPa)。

圖6為誤差減小試驗土水特征曲線的Fredlund & Xing模型(F&X模型)的擬合曲線，曲線與實測值能較好地重合；表4為土水特征曲線Fredlund & Xing模型擬合結(jié)果，相關(guān)系數(shù)R2=0.985，表明F&X模型能對南方濕熱地區(qū)的紅黏土進(jìn)行較好的擬合。

圖6 誤差減小試驗土水特征曲線F&X模型擬合曲線

表4 土水特征曲線Fredlund & Xing模型擬合結(jié)果

4 結(jié)果與討論

通過試驗可知:纖維薄膜可以替代陶土板進(jìn)行基于軸平移技術(shù)的土水特征曲線的測量。采用孔徑為0.1 μm、進(jìn)氣值為400 kPa纖維薄膜測量重塑黏土的SWCC所需的平衡時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于使用高進(jìn)氣值陶土板進(jìn)行測量所需的平衡時間。纖維薄膜所測曲線低于陶土板所測SWCC，但進(jìn)行誤差減小試驗后，曲線基本與之吻合，F(xiàn)&X模型也能對南方濕熱地區(qū)的紅黏土進(jìn)行較好的擬合。因此，如果能用纖維薄膜代替陶土板來改善達(dá)到吸力平衡所需的時間，將會很大程度上縮短整個試驗的時間，具有一定的工程實際意義。