非飽和土土水特性試驗(yàn)研究

陳賢挺 閆綱麗

(1.廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院地質(zhì)部，廣西南寧 530023;2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木系，河南開封 475004)

1 概述

存在于非飽和土中的吸力是其區(qū)別于飽和土的根本特征，基質(zhì)吸力對非飽和土的力學(xué)特性有著重要的影響，它隨著含水率、飽和度的變化而變化。含水率或飽和度與基質(zhì)吸力的關(guān)系稱為土—水特征曲線(SWCC)，是非飽和土的主要本構(gòu)關(guān)系之一[1]。

當(dāng)前還不能根據(jù)非飽和土特性由理論分析得出SWCC，只能用試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)并通過數(shù)學(xué)方法和模型統(tǒng)計(jì)來取得。數(shù)學(xué)擬合模型方法優(yōu)勢在于誤差小、適用性好并考慮了土壤水分滯后作用。針對SWCC的數(shù)學(xué)模型研究，Hutson J L，Cass A用物理模型對土—水特性進(jìn)行模擬研究并提出了S形曲線模型[2]，戚國慶等對土水特征曲線的通用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究[3]。本文擬通過洛陽地區(qū)非飽和粉質(zhì)黏土三軸試驗(yàn)對非飽和土土水特性開展分析研究。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)儀器采用河南省巖土力學(xué)與結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的FSY30型非飽和三軸儀。采用軸平移技術(shù)來消除氣蝕問題，在試驗(yàn)中選用高進(jìn)氣值陶瓷板來實(shí)現(xiàn)軸平移。試件采自洛陽地區(qū)粉質(zhì)黏土和粉土，采用分層壓實(shí)法配置不同飽和度的重塑試件，為直徑6 cm、高12 cm的圓柱體。土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)為粉質(zhì)粘土干密度1.51 g/cm3、初始孔隙比 0.793、比重 2.71;粉土干密度1.48 g/cm3、初始孔隙比 0.824、比重 2.70。

試驗(yàn)采用四級圍壓試驗(yàn)法，即制作粉質(zhì)黏土和粉土的四種不同飽和度試樣各一組，每組四個(gè)試樣，試驗(yàn)中在各組的四個(gè)試樣上分別施加100 kPa，200 kPa，300 kPa和400 kPa圍壓，量測其基質(zhì)吸力，如此便可建立起不同圍壓下飽和度與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系。

3 非飽和土土水特性研究

圖1給出的是粉質(zhì)黏土和粉土不同飽和度在不同圍壓下土水特性實(shí)測值及擬合曲線，從圖中可以發(fā)現(xiàn)同一圍壓下基質(zhì)吸力隨飽和度的變化成反向變化，且變化幅度隨飽和度的升高而減緩;不同圍壓下的SWCC具有相似的形狀和走勢，更低圍壓下的SWCC具有更大的變化范圍、更平緩的變化趨勢及在同飽和度下更大的基質(zhì)吸力取值。在高飽和度下基質(zhì)吸力隨含水量變化的變化幅度很小，在低飽和度下基質(zhì)吸力隨飽和度的增大而緩慢減小，在中間段(天然飽和度)變化迅速，在實(shí)際工程中土的飽和度多處于中間段，可見在天然飽和度下非飽和土的工程性質(zhì)受飽和度的影響很大。

利用多項(xiàng)式擬合方法對試驗(yàn)中不同圍壓下的飽和度、基質(zhì)吸力取值進(jìn)行擬合，其擬合函數(shù)為:

式中:Sr——飽和度;

ψ——基質(zhì)吸力;

a，b，c——擬合參數(shù)。

在試驗(yàn)中的取值見表1，擬合曲線見圖1。

表1 洛陽地區(qū)非飽和土各圍壓土水特征曲線擬合參數(shù)

圖1 洛陽地區(qū)非飽和土不同圍壓土水特征曲線

從圖1中可看到擬合結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)相差極小，相關(guān)系數(shù)均能達(dá)到0.998以上，我們可得到飽和度同基質(zhì)吸力之間的關(guān)系是連續(xù)的。參數(shù)a的值與自變量Sr值近似相等，其物理定義為在基質(zhì)吸力為零的飽和狀態(tài)的飽和度;針對參數(shù)b，c及為提高精度而增加的多項(xiàng)式高次項(xiàng)的系數(shù)的物理意義定義進(jìn)行了數(shù)據(jù)擬合統(tǒng)計(jì)和輔助試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)并無具體物理意義，僅僅是受土體進(jìn)氣值和飽和度影響的擬合參數(shù)，這也和多項(xiàng)式的展開形式中各項(xiàng)系數(shù)的表達(dá)式及可增加多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)來更準(zhǔn)確的擬合曲線相符，參數(shù)b反映曲線變化的陡緩，參數(shù)c及后續(xù)高次項(xiàng)系數(shù)反映曲線變化段的曲率(即可使擬合曲線更貼近實(shí)際)。

4 結(jié)語

通過對非飽和土開展三軸試驗(yàn)，并據(jù)此對土水特性及試樣重塑對基質(zhì)吸力的影響進(jìn)行分析研究，得到以下結(jié)論:

1)飽和度與基質(zhì)吸力的關(guān)系是連續(xù)的;同一圍壓下基質(zhì)吸力隨飽和度的變化成反向變化，且變化幅度隨飽和度的升高而減緩;不同圍壓下的SWCC具有相似的形狀和走勢，更低圍壓下的SWCC具有更大的變化范圍、更平緩的變化趨勢及在同飽和度下更大的基質(zhì)吸力取值;

2)在高飽和度下基質(zhì)吸力隨含水量變化的變化幅度很小，在低飽和度下基質(zhì)吸力隨飽和度的增大而緩慢減小，在中間段變化迅速。

[1]D G弗雷德隆德，H拉哈爾佐.非飽和土土力學(xué)[M].陳仲頤，譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[2]Hutson J L，Cass A.A retentivity function for use in soil water simulation models[J].Journal of Soil cience，1987，38(5):157-166.

[3]戚國慶，黃潤秋.土水特征曲線的通用數(shù)學(xué)模型研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2004，12(2):182-186.