非飽和高液限土土-水特性試驗研究

陳永輝，李秉宜，孔慶東，趙澤濤，夏 波

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室， 江蘇 南京 210098； 2.河海大學 巖土工程科學研究所， 江蘇 南京 210098；3.金華市金義市新區管委會， 浙江 金義 321037)

非飽和高液限土土-水特性試驗研究

陳永輝1,2，李秉宜1,2，孔慶東1,2，趙澤濤1,2，夏 波3

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室， 江蘇 南京 210098； 2.河海大學 巖土工程科學研究所， 江蘇 南京 210098；3.金華市金義市新區管委會， 浙江 金義 321037)

為研究非飽和高液限土土-水特性及其不同條件下土-水特性試驗的適用性，分別采用濾紙法、非飽和土固結儀法和現場試驗法對公路邊坡工程中非飽和高液限土進行測量土-水特征曲線的試驗研究。結果表明：濾紙法測得的土-水特征曲線與室內方法存在差距，大部分在室內測得土-水特征曲線的回滯圈內，對曲線進行擬合得到含水率與基質吸力對數呈線性關系；室內非飽和土固結儀法試驗得到的土-水特征曲線出現滯回效應，曲線利用VG模型可較好地擬合；現場監測得到的土-水特征曲線(SWCC)與室內試驗方法的結果存在差距，但大部分在吸濕曲線和脫濕曲線之間，更接近吸濕曲線，曲線受土體上覆應力影響，上覆應力越大曲線越陡，且基質吸力與含水率成負相關，二者不存在滯后現象，曲線可利用線性函數較好地擬合。

高液限土；非飽和土；土-水特征曲線；基質吸力；含水率

公路建設中不可避免地會遇到大量的高液限土，高液限土吸濕、持水能力強，土體結構遇水后易破壞，工程性質差，如果在利用和治理上處理不當，將引起路基不均勻沉降、邊坡滑坡和滑塌等事故。目前土體強度理論大多將非飽和土簡化為飽和狀態計算，而對于高液限土邊坡處于非飽和狀態時，土體基質吸力對土體強度有影響，研究高液限土的土-水特征對高液限土邊坡治理具有重要意義。土中基質吸力反映了處于非飽和狀態下土的持水能力、土中水氣運移規律及非飽和土強度等工程特性，是研究非飽和土性質的關鍵。土-水特征曲線是表征土體基質吸力與含水率變化之間的關系[1]，由土-水特征曲線的特征值可以推導非飽和土的滲透性、抗剪強度、持水系數等參數[2-4]，是非飽和土研究的重要內容。

目前對膨脹土土-水特征研究較多，但對無膨脹性高液限土的土-水特征及土-水特征曲線試驗研究較少。室內試驗獲得SWCC的方法主要有軸平移技術、電位計法、濾紙法等[5-8]，現場獲得SWCC主要通過張力計進行試驗。孫德安等[9]采用壓力板法、濾紙法和飽和鹽溶液法對桂林紅黏土進行了土-水特征曲線試驗研究。孫志杰[10]給予土水特征曲線試驗分析降雨對土質邊坡含水率的影響，結果表明降雨入滲深度與土體滲透性有關。褚進晶等[11]對揚州地區黏性土進行了土-水特征曲線試驗研究，試驗表明土的初始干密度越大，進氣值越大，脫水速率越小。宋亞亞等[12]給予非飽和土固結儀研究了應力作用下非飽和重塑黏土土-水特征曲線研究，結果表明豎向應力越大，試樣的空氣進入值越大，曲線越平緩。基質吸力與含水率緊密聯系，通過土-水特征曲線表達。基于這種關系，不少學者研究了利用土-水特征曲線來預測抗剪強度中基質吸力的貢獻[1,13-15]。

本文分別采用濾紙法、非飽和土固結儀法和現場測試法獲得高液限土的土-水特征曲線，并比較三種方法的適用性，為在不同條件下獲得高液限土的土-水特征曲線提供參考；對濾紙法和非飽和土固結儀法得到的土-水特征曲線進行函數擬合，分析現場張力計法得到的土-水特征曲線的影響因素及基質吸力與含水率變化規律。

1 試驗材料

試驗土樣取自浙江龍浦高速公路K15+650附近，其基本物理性質指標見表1，級配曲線見圖1。土樣初始含水率約為36.8%，初始干密度約為1.3 g/cm3，將土樣不同程度風干至含水率范圍在6%～36%之間，密封儲存備用。

表1 原土物理力學性質指標

圖1高液限土粒徑分布曲線

2 試驗方法

2.1 濾紙法

試驗步驟：利用所取土樣取環刀2個，進行稱量，計算土樣的密度，并取土樣進行含水率的量測。然后，用鑷子取3張經過烘箱烘烤的“雙圈”牌No.203型濾紙，利用高精度電子天平量取中間的濾紙重量，用鑷子把3張濾紙夾到兩個環刀的中間，并用膠紙將兩個環刀纏緊，放到密封罐中進行靜置10 d，確保濾紙的吸水率達到穩定。10 d后取出試樣，將膠帶紙去掉，并用鑷子取中間的濾紙進行量測，為盡量減少濾紙與周圍空氣接觸而發生水分變化，要求整個時間必需在30 s內完成。得到試驗完成后中間濾紙的質量，利用標定曲線，計算得到基質吸力值，同時利用烘干法測得土的含水率。分別在土中加入不同量的水，配成不同含水率的試驗，重復上述步驟，得到不同含水率與吸力的關系。

2.2 非飽和土固結儀法

土水特征曲線試驗儀器采用河海大學與江蘇永昌科教儀器制造有限公司聯合研制的FGJ-20型非飽和土固結儀。該儀器由臺架、氣壓室、壓縮容器、豎向加載裝置、排水及體積量測系統、位移量測系統等部分組成，采用軸平移技術來控制試樣的吸力。試樣尺寸為直徑Φ61.8 mm×高H20 mm，水平面積A=30 cm2。

試驗前先將陶土板飽和，排除管道內積聚的氣泡后完成裝樣,待穩定后，逐級施加0.1 kPa、20 kPa、40 kPa、60 kPa、80 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、300 kPa、150 kPa、80 kPa、50 kPa、10 kPa、0.1 kPa的基質吸力。通過軸平移技術，保持孔隙水壓力為零，改變孔隙氣壓力來控制基質吸力。每一級吸力達到平衡后，通過體變管中水體積的變化測量土樣含水率的變化。由于非飽和固結儀兼有吸力控制、水體積量測的功能，故本文研究吸力控制、水體積量測在同一臺儀器中進行。

土樣制備、實驗儀器準備等工作完成之后，即可進行裝樣，開始試驗。具體步驟如下：

(1) 設置對比管，分別記錄百分表、體變管、對比管的初始讀數。

(2) 將非飽和土固結儀的管線連接好后，把飽和的陶土板和飽和土樣依次放入的壓力室內。

(3) 往體變管中加水，觀察管線內有無明顯氣泡，直至底盤和軟管中都沒有氣泡即完成加水排氣過程，關閉止水閥門。

(4) 調節體變管中液面至試樣的1/2處，保持24 h。

(5) 使體變管中液面下降1 cm，即相當于施加了0.1 kPa的基質吸力，觀察并記錄每臺儀器體變管內的液面變化以及對比管中的示數，直至24 h內變化小于0.1 ml，可認為土樣達到吸力平衡，同時記錄百分表的讀數。

(6) 使體變管中液面相對于初始狀態下降10 cm，即相當于施加了1 kPa的基質吸力，觀察并記錄每臺儀器體變管內的液面變化以及對比管中德示數至平衡狀態，同時記錄百分表的讀數。

(7) 將體變管液面加回初始狀態，打開空氣壓縮機和各臺儀器的進氣閥門，通過調節旋鈕依次施加10 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、300 kPa、200 kPa、100 kPa的氣壓，即相當于施加了同等大小的基質吸力，觀察并記錄每臺儀器體變管的液面變化以及對比管中的示數至平衡狀態，同時記錄百分表的讀數。

(8) 將氣壓減為0，關閉空氣壓縮機和各臺儀器的進氣閥門，先后重復操作第7步和第5步。

(9) 打開壓力室，分別取一定量的土樣置于稱量過空盒質量的鋁盒中，稱量盒加濕土的質量。

(10) 將盒置于烘箱內，設定在105℃～110℃的恒溫下烘至恒重。

(11) 將鋁盒從烘箱中取出，蓋上盒蓋，冷卻至室溫后稱量盒加干土的質量，并計算含水率。

2.3 現場試驗法

為了研究非飽和高液限土邊坡由于降雨影響造成邊坡失穩的機理及不同深度下基質吸力與含水率變化規律，在邊坡表面進行降雨監測和降雨時基質吸力數據收集。本試驗選取龍浦高速公路K16+560—K16+600路段護坡作為試驗邊坡。現場量測主要通過張力計聯合TDR法。

工作原理：張力計可通過傳感器和土中水的直接交換，可以測量出孔隙壓力。負壓力可通過高進氣值陶瓷材料的飽和孔隙傳送，因此，水可以在張力計中自由運動，直至傳感器中的內壓與土孔隙水的基質勢相等為止。如果土體被吸濕，水流將朝相反方向(即從土向測量系統)流動，直至新壓力達到一個新的平衡。因為傳感器頂端可以讓溶液滲透通過，孔隙水的滲透勢能對壓力測量結果不產生任何影響。如果考慮了重力勢能作用(即對傳感器探頭和壓力計兩者之間的高程差進行修正)，該方法可以直接用來測量基質吸力。TDR儀通過測量土壤含水率變化引起電磁信號在TDR探頭上傳遞速度的變化來量測土壤水分。兩者聯合可測定現場邊坡基質吸力與含水率變化。

在邊坡設置翻斗式雨量計，每天收集一次降雨量，監測當地雨水情況。在邊坡表面分別埋設3根張力計(監測基質吸力)，張力計的埋設深度分別為30 cm，每天采集一次數據，繪制基質吸力曲線；埋設含水率探頭，埋設3個，埋設深度也保持30 cm，使得基質吸力和體積含水率保持在同一個深度。

3 試驗結果

3.1 濾紙法

每組試驗，測得濾紙含水率。國內學者對“雙圈”牌No.203型濾紙的含水率與吸力關系進行標定[16]，得到No.203型濾紙率定方程即式(1)，利用試驗所得濾紙含水率，根據下式進行計算得到濾紙法得到的吸力。

(1)

得到6組不同體積含水率下土樣的基質吸力(見表2)。

表2 濾紙法計算結果

3.2 非飽和土固結儀法

在0～400 kPa范圍內進行了高液限土的非飽和土固結試驗，獲得脫濕和吸濕兩條曲線，見圖2。在脫濕曲線上求得該種高液限土進氣值約為50 kPa。吸濕與脫濕曲線有較大差距，產生了滯回效應，曲線存在較大滯回環。

圖2室內土-水特征曲線參數擬合

3.3 現場試驗法

2014年11月對試驗邊坡進行監測，觀測期間降雨量如圖3所示。經過21 d觀測得到基質吸力與含水率隨時間變化圖，選取邊坡30 cm與60 cm深處分析，分析結果如圖4和圖5所示。

圖3 觀測期間降雨量

圖4 30 cm處含水率與基質吸力變化

本觀測期降雨量較大，持續時間短，相應地，基質吸力與含水率都在較小范圍變化。觀測發現，現場測得的基質吸力與含水率變化保持一致，二者沒有存在滯后現象。

圖5 60 cm處含水率與基質吸力變化

4 試驗結果分析

4.1 濾紙法

繪制土-水特征曲線如圖6所示。

圖6濾紙法高液限土土-水特征曲線

隨著含水率的增加，基質吸力逐漸減小，用對數函數進行擬合，得θ=-3.80ln(S)+49.95，R2=0.960。

濾紙法在量測土基質吸力的試驗時，較為方便，在準備充分的條件下，可同時進行多組試驗，得到土-水特征曲線上的各個點，繪制完整的曲線，大約需要10 d的試驗周期。

4.2 非飽和土固結儀法

為了建立土-水特征曲線的數學模型，引入一個無量綱的含水率變化量[5]，由

(2)

其中，θ為對應體積含水率；θr為殘余含水率；θs為飽和含水率。

Van Genuchten(1980)提出了一個平滑的、封閉的參數數學模型，用于擬合土-水特征曲線，其表達式如下：

(3)

式中，α，m與n均為擬合參數。該模型的數學表達式包含了曲線中轉折點的信息。將上式帶入，得：

(4)

為了更好的擬合此曲線，將θs與θr也作為待定系數。通過SPSS軟件進行參數擬合，得到各參數，見表3。

表3 VG模型參數擬合土-水特征曲線結果

4.3 現場試驗法

將20 d觀測數據整理得到三個邊坡深度的土-水特征曲線(見圖7)，并對曲線利用函數擬合，分析結果如下：

圖7邊坡現場試驗得到土-水特征曲線

現場試驗三個不同深度處得到的土-水特征曲線有明顯不同。30 cm處的曲線較陡，并且在基質吸力20 kPa與38 kPa之間時，曲線較陡，即隨著在較小的范圍內，對應體積含水率的變化較大；60 cm與90 cm深度處的曲線則比30 cm處的更平緩；而60 cm處的曲線比90 cm處的更陡。這是由于土-水特征曲線的陡緩與土體承受的上覆應力有關。由圖4和圖5可以發現上覆應力越小，曲線越平緩，而上覆應力較大的土體，則變化較陡，即在進氣值后的曲線斜率越大。

現場得到SWCC與室內存在差距，但大部分在吸濕曲線和脫濕曲線之間，更接近吸濕曲線，這是因為現場土在天然環境中經歷過許多干濕循環，并且曲線的形態與上覆應力有關。

經分析，兩側邊坡的土-水曲線可較好地用線性函數擬合，擬合結果見圖7。在現場試驗時，可考慮利用線性函數進行土-水特征曲線的預測與取值。

為對比濾紙法、室內非飽和土固結儀法以及現場測試法，將三種方法的土-水特征曲線結果繪制在同一圖中，如圖8所示。

圖8不同方法得到的土-水特征曲線

由圖8對比發現，濾紙法及現場試驗法的土-水特征曲線大部分都在室內非飽和土固結儀所得的土-水特征曲線的吸濕曲線與脫濕曲線之間，即滯回圈內。濾紙法由于人為操作及不可控因素多，與室內試驗結果存在差距。現場試驗由于受到場地及氣候因素，所測試范圍較小，曲線形態受土體上覆土壓力所影響。三種方法中濾紙法和現場張力計法最為簡便，張力計法更為直觀，適合用于現場及時監測。非飽和土固結儀法更準確，通過對曲線擬合可以得到曲線參數也更為準確。

5 結 論

(1) 經分析，濾紙法測得的土-水特征曲線含水率與基質吸力對數成線性關系；非飽和土固結儀法得到的土-水特征曲線可利用VG模型擬合，吸濕曲線與脫濕曲線存在滯回效應。

(2) 濾紙法由于受到溫度和人為操作的因素，和非飽和土固結儀得到的曲線存在偏差，但總體趨勢一致，在條件不允許的情況下，可以考慮這種方法測得曲線參數。

(3) 現場張力計試驗測得的土-水特征曲線(SWCC)與室內張力計試驗方法的結果存在差距，土-水特征曲線與土體上覆應力有關，上覆應力越大，曲線越陡。現場土-水特征曲線可用線性函數較好地擬合，在現場條件有限時可考慮用線性函數進行土-水曲線預測與取值。

[1] Oh S, Lu N, Yun K K, et al. Relationship between the soil-water characteristic curve and the suction stress characteristic curve: experimental evidence from residual soils[J]. Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering, 2012,138(1):47-57.

[2] 董 倩,侯 龍,趙寶云.基質吸力對非飽和粉質砂土抗剪強度的影響[J].中南大學學報(自然科學版),2012,43(10):4017-4021.

[3] 梅 嶺,姜朋明,李 鵬,等.非飽和土的土水特征曲線試驗研究[J].巖土工程學報,2013,35(S1):124-128.

[4] 倪曉雯,李春良.土水特征曲線在邊坡穩定分析中的應用[J].建筑技術,2015(S2):154-159.

[5] 谷 琪,王家鼎,仝云莉,等.濾紙法測非飽和黃土土水特征曲線試驗及擬合研究[J].土壤通報,2016,47(3):588-593.

[6] 陳高峰,楊帥東,蘇 濤,等.基于非飽和土固結儀的土水特征曲線試驗研究[J].人民珠江,2016,37(11):51-54.

[7] 賀建清,羅 婉,蔣 鑫,等.非飽和高液限紅粘土土-水特征試驗研究[J].自然災害學報,2014,23(6):249-255.

[8] 秦鴻飛.非飽和膨脹土土水特征曲線試驗研究[J].河南水利與南水北調,2013(18):81-82.

[9] 孫德安,高 游,劉文捷,等.紅黏土的土水特性及其孔隙分布[J].巖土工程學報,2015,37(2):351-356.

[10] 孫志杰.降雨對非飽和土質邊坡含水率的影響分析[J].水利與建筑工程學報,2015,13(6):75-78.

[11] 褚進晶,田 飛,聞 瑋.揚州地區黏性土土水特征曲線試驗研究及應用[J].水利與建筑工程學報,2015,13(2):73-77.

[12] 宋亞亞,盧廷浩,季李通.應力作用下非飽和重塑黏土土水特征曲線研究[J].水利與建筑工程學報,2016,14(2):147-150.

[13] 方慶軍,崔 猛.干濕循環作用下高液限土抗剪性能試驗研究[J].施工技術,2015(1):84-88.

[14] 陳正漢.非飽和土與特殊土力學的基本理論研究[J].巖土工程學報,2014,36(2):201-272.

[15] 李 哲,司高華,劉東旭.黏土土水特征曲線的實驗研究及理論分析[J].環境科學與技術,2013,36(S2):109-112.

[16] 白福青,劉斯宏,袁 驕.濾紙總吸力吸濕曲線的率定試驗[J].巖土力學,2011,32(8):2336-2340.

ExperimentsonSoilWaterCharacteristicsofUnsaturatedHighLiquidLimitSoil

CHEN Yonghui1,2, LI Bingyi1,2, KONG Qingdong1,2, ZHAO Zetao1,2, XIA Bo3

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforGeomechanicsandEmbankmentEngineering,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu210098,China; 2.GeotechniacalResearchInstitute,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu210098,China;3.JinyiNewDistrictManagementCommitteeofJinhuaCity,Jinyi,Zhejiang321037,China)

To acquire the unsaturated soil water characteristics of high liquid limit and its applicability of soil water characteristic test under different conditions, the soil water characteristic curve of unsaturated high liquid limit soil in highway slope engineering was tested by filter paper method, unsaturated soil consolidation method and field test method. The results show that there is a gap between the soil water characteristic curve measured by filter paper method and interior method, most in hysteresis circle of water characteristic curve of soil measured indoor and the fitting curves showed a linear relationship with the water content and matrix suction in logarithm; Soil water characteristic curve obtained from indoor unsaturated soil consolidation test instrument appeared hysteresis effect, which can be better fitting by using the VG curve model; Soil water characteristic curve (SWCC) monitoring data from outdoor exists a gap with the experiment results, but most are between the moisture absorption curve and desorption curves, and closer to the moisture absorption curve, which can be influenced by soil overburden stress, the greater overburden stress, the steeper the curve, and the matrix suction and water content was negatively correlated, there is not hysteresis between the curves, also the curves can be fitted well by a linear function.

highliquidlimitsoil;unsaturatedsoil;soilwatercharacteristics;matricsuction;moisturecontent

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.001

2017-05-14

2017-06-16

中央高校基本費項目(2016B43314)；浙江省交通運輸廳科技計劃項目(2015J06)

陳永輝(1972—)，男，浙江杭州人，教授，博士生導師，主要從事地基處理與環境巖土等方面的教學和科研工作。

E-mail:yonghuich@163.com

李秉宜(1990—)，男，江蘇蘇州人，博士研究生，研究方向為地基加固、軟基處理。E-mail:bylee17@163.com

TU43

A

1672—1144(2017)05—0001—05