非飽和土土水特性試驗研究

陳賢挺 閆綱麗

(1.廣西電力工業勘察設計研究院地質部，廣西南寧 530023;2.黃河水利職業技術學院土木系，河南開封 475004)

1 概述

存在于非飽和土中的吸力是其區別于飽和土的根本特征，基質吸力對非飽和土的力學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吸力的關系稱為土—水特征曲線(SWCC)，是非飽和土的主要本構關系之一[1]。

當前還不能根據非飽和土特性由理論分析得出SWCC，只能用試驗獲取數據并通過數學方法和模型統計來取得。數學擬合模型方法優勢在于誤差小、適用性好并考慮了土壤水分滯后作用。針對SWCC的數學模型研究，Hutson J L，Cass A用物理模型對土—水特性進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學模型進行了研究[3]。本文擬通過洛陽地區非飽和粉質黏土三軸試驗對非飽和土土水特性開展分析研究。

2 試驗方案

試驗儀器采用河南省巖土力學與結構工程重點實驗室的FSY30型非飽和三軸儀。采用軸平移技術來消除氣蝕問題，在試驗中選用高進氣值陶瓷板來實現軸平移。試件采自洛陽地區粉質黏土和粉土，采用分層壓實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。土樣的物理性質指標為粉質粘土干密度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。

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

3 非飽和土土水特性研究

圖1給出的是粉質黏土和粉土不同飽和度在不同圍壓下土水特性實測值及擬合曲線，從圖中可以發現同一圍壓下基質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吸力取值。在高飽和度下基質吸力隨含水量變化的變化幅度很小，在低飽和度下基質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受飽和度的影響很大。

利用多項式擬合方法對試驗中不同圍壓下的飽和度、基質吸力取值進行擬合，其擬合函數為:

式中:Sr——飽和度;

ψ——基質吸力;

a，b，c——擬合參數。

在試驗中的取值見表1，擬合曲線見圖1。

表1 洛陽地區非飽和土各圍壓土水特征曲線擬合參數

圖1 洛陽地區非飽和土不同圍壓土水特征曲線

從圖1中可看到擬合結果與實測數據相差極小，相關系數均能達到0.998以上，我們可得到飽和度同基質吸力之間的關系是連續的。參數a的值與自變量Sr值近似相等，其物理定義為在基質吸力為零的飽和狀態的飽和度;針對參數b，c及為提高精度而增加的多項式高次項的系數的物理意義定義進行了數據擬合統計和輔助試驗，發現這些參數并無具體物理意義，僅僅是受土體進氣值和飽和度影響的擬合參數，這也和多項式的展開形式中各項系數的表達式及可增加多項式的項數來更準確的擬合曲線相符，參數b反映曲線變化的陡緩，參數c及后續高次項系數反映曲線變化段的曲率(即可使擬合曲線更貼近實際)。

4 結語

通過對非飽和土開展三軸試驗，并據此對土水特性及試樣重塑對基質吸力的影響進行分析研究，得到以下結論:

1)飽和度與基質吸力的關系是連續的;同一圍壓下基質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吸力取值;

2)在高飽和度下基質吸力隨含水量變化的變化幅度很小，在低飽和度下基質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[M].陳仲頤，譯.北京:中國建筑工業出版社，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學模型研究[J].工程地質學報，2004，12(2):182-186.