畢慶濤， 馮巧云， 趙俊剛， 黃志全,3

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046; 2.山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心(有限公司),山西 太原 030012; 3.洛陽(yáng)理工學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471023)

我國(guó)西北部處于干旱和半干旱地區(qū)，廣泛分布著黃土，其在工程建設(shè)中常處于非飽和狀態(tài)[1]。 世界上有60%以上的國(guó)家都曾遭受過(guò)非飽和土造成的工程危害，面對(duì)日益嚴(yán)重的非飽和土工程問(wèn)題，需對(duì)非飽和土進(jìn)行深入的理論與實(shí)踐研究[2-3]。與飽和土相比，非飽和土除了有固相和液相外，還存在液相-氣相分界面形成的收縮膜，從而在界面處產(chǎn)生了基質(zhì)吸力。土-水特征曲線描述了非飽和土基質(zhì)吸力與含水率之間的關(guān)系，它揭示了非飽和土在不同基質(zhì)吸力下持水能力的強(qiáng)弱，是非飽和土力學(xué)特性的重要本構(gòu)關(guān)系。因此，土-水特征曲線的研究對(duì)非飽和土具有重要的意義。

近年來(lái)，很多學(xué)者針對(duì)土-水特征曲線的影響因素展開研究，主要從內(nèi)部因素和外部因素兩個(gè)方面進(jìn)行。內(nèi)因主要包括礦物成分、土顆粒的粒徑和級(jí)配、初始含水率、初始干密度、壓縮性和結(jié)構(gòu)性等；外因主要包括應(yīng)力歷史、圍壓、干濕循環(huán)和溫度等[4]。汪東林等[5]采用常規(guī)壓力板儀和非飽和三軸儀，研究了擊實(shí)功、擊實(shí)含水率、干密度、應(yīng)力歷史和試樣應(yīng)力狀態(tài)5種因素對(duì)非飽和土的土-水特征曲線的影響。陳宇龍等[6]對(duì)不同粒徑土樣進(jìn)行吸濕與脫濕過(guò)程中的持水性能試驗(yàn)，認(rèn)為隨著有效粒徑的增大，進(jìn)氣值、進(jìn)水值和殘余基質(zhì)吸力在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上均呈現(xiàn)線性減小，而減濕率呈二次函數(shù)增長(zhǎng)。SALAGER S等[7]從理論和試驗(yàn)兩個(gè)方面研究了溫度對(duì)兩種不同黏土的持水特性的影響，從理論上提出吸力隨含水量、溫度和孔隙比變化的規(guī)律，解釋了密度和溫度對(duì)持水特性的影響。劉奉銀等[8]測(cè)定了不同初始干密度黃土試樣的土-水特征曲線，選取合理的曲線模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，研究了不同初始干密度對(duì)土-水特征曲線的影響，通過(guò)對(duì)比體積含水率的差異，提出了“滯回度”的概念。黃志全等[9]通過(guò)小浪底1#滑坡非飽和土三軸試驗(yàn)，對(duì)非飽和土土-水特性和圍壓對(duì)基質(zhì)吸力的影響進(jìn)行分析，認(rèn)為相同體積含水率試件的基質(zhì)吸力隨圍壓的增大而非線性減小，同時(shí)探討了土-水特征曲線與強(qiáng)度之間的關(guān)系，并依此建立了強(qiáng)度公式。劉熙媛等[10]、宋陳雨等[11]通過(guò)試驗(yàn)得到原狀土與重塑土的土-水特征曲線，對(duì)比分析了原狀土與重塑土的進(jìn)氣值、排水速率、排水量、殘余飽和度等對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力和固結(jié)時(shí)間的量化差異。李志清等[12]綜合考慮各種因素的影響，通過(guò)室內(nèi)和野外試驗(yàn)對(duì)非飽和膨脹土的土-水特征曲線進(jìn)行擬合并建立了模型，認(rèn)為土-水特征曲線受多種因素影響，但土的礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)是基本因素，其他因素往往通過(guò)影響這兩個(gè)基本因素而起作用。

以上研究對(duì)于土-水特征曲線的測(cè)定主要是在土體平衡狀態(tài)下進(jìn)行的，而針對(duì)在非平衡狀態(tài)下獲取土-水特征曲線的研究較少。非平衡狀態(tài)測(cè)試方法即動(dòng)態(tài)多步流動(dòng)法，是當(dāng)試樣在各級(jí)吸力作用下未達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，人為改變吸力大小，使試樣進(jìn)入下一級(jí)吸力狀態(tài)[13]。由于該方法不能直接獲得平衡狀態(tài)下的土-水特征曲線，為了解決這個(gè)問(wèn)題，伊盼盼等[14]建立了能夠描述非平衡狀態(tài)的飽和度演化方程，據(jù)此可以計(jì)算出試樣在各級(jí)吸力作用下處于平衡狀態(tài)的飽和度。

本文針對(duì)山西太原二環(huán)高速公路項(xiàng)目某工程現(xiàn)場(chǎng)的非飽和黃土，在改進(jìn)的壓力板儀上，采用非平衡狀態(tài)測(cè)試法，對(duì)干密度分別為1.46、1.56、1.66 g/cm3的試樣進(jìn)行土-水特征曲線試驗(yàn)，對(duì)比分析不同干密度對(duì)土-水特征曲線產(chǎn)生的影響，探究產(chǎn)生差異的內(nèi)在機(jī)理，為非飽和黃土持水特性的研究提供參考。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)土樣為工程現(xiàn)場(chǎng)的非飽和原狀黃土，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[15]，由室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)測(cè)得該黃土的基本物理參數(shù)，見表1。通過(guò)密度計(jì)法得到顆粒級(jí)配曲線，如圖1所示。通過(guò)輕型擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得其擊實(shí)曲線，如圖2所示。該黃土的最大干密度為1.66 g/cm3，最優(yōu)含水率為15.8%。

表1 試驗(yàn)黃土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

圖1 試驗(yàn)黃土顆粒級(jí)配曲線

圖2 試驗(yàn)黃土擊實(shí)曲線

制備干密度分別為1.46、1.56、1.66 g/cm3的環(huán)刀狀試樣(直徑61.8 mm、高20 mm)。先將原狀土樣烘干、研磨碾碎，按照含水率為6%，加入定量的水并攪拌均勻，用保鮮膜密封后放入保濕缸靜置24 h，使得土樣中的水分分布均勻。按照確定的干密度計(jì)算出所需土樣的質(zhì)量，利用制樣器與千斤頂即可得到所需干密度的環(huán)刀樣，最后利用真空泵對(duì)試樣進(jìn)行抽氣飽和。3種不同干密度土樣的基本物理參數(shù)見表2。

表2 不同干密度土樣的基本物理參數(shù)

2 壓力板試驗(yàn)

2.1 儀器改進(jìn)

本次試驗(yàn)采用的歐美大地公司GEO-Experts壓力板儀，以軸平移技術(shù)為原理，測(cè)定不同干密度下非飽和黃土脫濕過(guò)程的土-水特征曲線。為減小試驗(yàn)誤差和縮短試驗(yàn)時(shí)間，在原壓力板儀的基礎(chǔ)上增加了數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)、氣泡體積測(cè)量系統(tǒng)和儲(chǔ)水沖刷系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)的壓力板儀測(cè)試系統(tǒng)示意圖

在數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)中，可以人為設(shè)定記錄溢出水質(zhì)量的時(shí)間間隔(本次為每30 s采集一次)，能夠?qū)υ囼?yàn)過(guò)程中溢出水的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)定。打開儲(chǔ)水沖刷系統(tǒng)的開關(guān)可將陶土板和管線中的氣泡排出，然后氣泡測(cè)量系統(tǒng)可測(cè)定排出的氣泡體積，很大程度上降低了試驗(yàn)誤差。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)前需將底座中的陶土板和整個(gè)系統(tǒng)線路進(jìn)行飽和，把飽和結(jié)束的試樣稱完質(zhì)量后放入壓力室中的陶土板上，確認(rèn)試驗(yàn)系統(tǒng)密封完好后開始動(dòng)態(tài)多步流動(dòng)法試驗(yàn)。

根據(jù)擬定的基質(zhì)吸力路徑20→30→40→60→90→130→170→210→290 kPa逐級(jí)進(jìn)行加載，各級(jí)吸力加載時(shí)間為2、8、12、12、12、12、18、24、24 h，共需124 h。試驗(yàn)中，陶土板底部氣泡的存在會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)比實(shí)際溢水量偏大，因此每級(jí)吸力加載結(jié)束后，需沖刷聚集在陶土板底部的氣泡，讀取玻璃管中的示數(shù)，將氣泡體積換算成等體積水的質(zhì)量，即多余溢水質(zhì)量，再對(duì)原始采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后，得到精確的試驗(yàn)結(jié)果。

3 數(shù)據(jù)處理及分析

根據(jù)修正后的溢水量計(jì)算出各時(shí)刻對(duì)應(yīng)的土樣飽和度，利用Origin軟件建立飽和度隨時(shí)間演化方程。該方程能夠描述非平衡狀態(tài)下非飽和土的飽和度[14]，方程如下：

(1)

式(1)考慮到了各級(jí)基質(zhì)吸力的增量對(duì)飽和度的影響，可將這種影響結(jié)果稱為各級(jí)吸力下的“遺傳效應(yīng)”。

飽和度方程對(duì)于平衡態(tài)與非平衡態(tài)均適用，這為利用非平衡態(tài)下試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定平衡態(tài)下的土-水特征曲線奠定了基礎(chǔ)。式(1)中Ci與τi為未知量，其余量均為試驗(yàn)實(shí)測(cè)量。

土-水特征曲線是指平衡狀態(tài)下飽和度與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線。由飽和度方程式(1)得到每級(jí)基質(zhì)吸力增量下的平衡態(tài)土-水特征曲線的斜率C，從而可以計(jì)算出第k級(jí)基質(zhì)吸力下對(duì)應(yīng)的平衡態(tài)飽和度，即：

(2)

(3)

將修正后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件編譯好的模型中進(jìn)行參數(shù)擬合，得到每級(jí)基質(zhì)吸力對(duì)應(yīng)的未知參數(shù)，運(yùn)用飽和度時(shí)間演化方程計(jì)算出每級(jí)吸力作用時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)的飽和度Sr，最后繪制土-水特征曲線。圖4為干密度分別是1.46、1.56、1.66 g/cm3土樣的土-水特征曲線。

圖4 不同干密度土樣的土-水特征曲線對(duì)比圖

由圖4可以看出，當(dāng)土-水特征曲線用飽和度和基質(zhì)吸力的關(guān)系表示時(shí)，干密度有著顯著的影響。具體表現(xiàn)為：土樣的干密度越小，對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣值越低。其原因是，土樣內(nèi)部孔隙較大，水流路徑較多，施加較小的吸力可使土樣中的水分迅速排出；隨著吸力的逐級(jí)增大，土樣的脫濕速率隨干密度的增加而降低。對(duì)于同一飽和度而言，干密度越大對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力越大，即干密度效應(yīng)開始顯現(xiàn)；在殘余含水率階段，干密度和殘余含水率表現(xiàn)出正相關(guān)性，干密度越大，殘余含水率越高，認(rèn)為試樣的持水特性隨干密度的增大而增強(qiáng)。雖然不同干密度土樣的土-水特征曲線存在差異，但無(wú)論干密度如何變化，其形態(tài)趨勢(shì)基本一致，遵循基質(zhì)吸力越大含水率越小的規(guī)律。

土-水特征曲線的兩個(gè)重要特征點(diǎn)為進(jìn)氣值與殘余含水率，二者將曲線分為3個(gè)區(qū)域：完全飽和區(qū)、過(guò)渡區(qū)和殘余狀態(tài)區(qū)[16]，如圖5所示。在完全飽和區(qū)，土的孔隙中充滿水，土顆粒間及接觸點(diǎn)處的水膜是連續(xù)的；當(dāng)吸力值達(dá)到進(jìn)氣值后，進(jìn)入過(guò)渡區(qū)，此時(shí)孔隙內(nèi)的水由于受到進(jìn)入氣體的擠壓開始向外排出，孔隙中原本均勻連續(xù)分布的水分開始變得離散且不穩(wěn)定，飽和度隨著基質(zhì)吸力的增大出現(xiàn)驟減現(xiàn)象；當(dāng)施加的吸力不斷增大時(shí)，達(dá)到殘余狀態(tài)區(qū)，孔隙中的水分大部分是吸附水，吸力的增加不會(huì)使土體飽和度發(fā)生明顯變化。

圖5 土-水特征曲線分區(qū)示意圖

基質(zhì)吸力與彎液面的曲率半徑成反比。干密度越大，土體內(nèi)部孔隙相對(duì)較小，彎液面半徑也隨之變小，致使進(jìn)氣值變大。由此可知，孔隙的大小會(huì)直接影響土-水特征曲線的形態(tài)和變化趨勢(shì)，而干密度的變化會(huì)導(dǎo)致孔隙性狀發(fā)生改變，最終對(duì)非飽和土的持水性能產(chǎn)生影響。

4 土-水特征曲線與擊實(shí)曲線

以含水率為橫坐標(biāo)，基質(zhì)吸力和干密度為縱坐標(biāo)，將土-水特征曲線與擊實(shí)曲線結(jié)合起來(lái)得到圖6。

圖6 土-水特征曲線與擊實(shí)曲線關(guān)系圖

由圖6可知，3種不同干密度土樣的土-水特征曲線相交于一點(diǎn)，且該交點(diǎn)橫坐標(biāo)與擊實(shí)曲線最高點(diǎn)橫坐標(biāo)基本相同，認(rèn)為該交點(diǎn)的含水率等于最優(yōu)含水率15.8%，此時(shí)的基質(zhì)吸力約為40 kPa，最大干密度為1.66 g/cm3。將此交點(diǎn)稱作臨界點(diǎn)，其橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的含水率稱作臨界含水率，縱坐標(biāo)稱作臨界基質(zhì)吸力。由此可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同干密度的非飽和黃土，總存在一狀態(tài)對(duì)應(yīng)相同的含水率和基質(zhì)吸力，認(rèn)為處于該狀態(tài)下的土體的持水特性與微觀結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。

5 結(jié)語(yǔ)

1)在改進(jìn)的壓力板儀系統(tǒng)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)多步流動(dòng)法試驗(yàn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)溢出水的質(zhì)量，用精確測(cè)量的氣泡體積來(lái)修正溢出水質(zhì)量，減小試驗(yàn)誤差，節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間。

2)不同干密度非飽和黃土的土-水特征曲線有很大差異。隨著干密度增大，土體內(nèi)部孔隙變小，試驗(yàn)中的排水速率也隨之變小，其進(jìn)氣值和殘余含水率就越大，持水特性也隨干密度的增大而變強(qiáng)。

3)試驗(yàn)結(jié)果表明，不同干密度非飽和黃土的土-水特征曲線存在一交點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的含水率為最優(yōu)含水率15.8%，基質(zhì)吸力約為40 kPa。其意義在于：對(duì)于不同干密度的非飽和黃土，總存在一種具有相同含水率和基質(zhì)吸力的狀態(tài)，且該狀態(tài)下的土體持水特性與微觀結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。