Q3原狀黃土與重塑黃土的土水特性研究

張玉偉，宋戰(zhàn)平， 翁效林

(1.西安建筑科技大學 土木工程學院， 陜西 西安710055； 2.長安大學 公路學院， 陜西 西安 710064)

1 研究背景

土水特征曲線SWCC(soil-water characteristic curve)是研究黃土力學特性的基礎[1-2]。土體的滲透性、強度、變形等均與土水特征曲線密切相關，土體本構模型建立也常常用到土水特征曲線模型。目前土水特征曲線方面研究已取得了豐碩的成果，理論方面國外學者通過試驗提出了多個經(jīng)典的經(jīng)驗公式[3-8]，得到了廣泛的認同與應用，試驗方面，王鐵行等[9]開展了重塑砂土土水特征試驗，研究了砂土密度對吸力變化的影響；王世梅等[10]開展了某滑坡重塑紅黏土的土水特征試驗，研究了土體應力狀態(tài)對吸力變化的影響；陶高梁等[11-12]基于分形理論，探討了黏粒含量和土體壓縮變形對土水特征曲線的影響，并利用已有試驗數(shù)據(jù)進行了對比驗證；張昭等[13]利用GCTS土水特征曲線儀，測定了無壓和固結(jié)壓力下Q3黃土土水特征曲線，引入“水土體積比”對不同土體進行分析；褚峰等[14]分析了天然干密度和豎向應力對原狀黃土土水特性的影響；周葆春等[15]系統(tǒng)分析了土體含水率改變導致其孔隙體積變化，進而研究了孔隙變化下土體的土水特征曲線變化規(guī)律；譚曉慧等[16]采用滲析法及濾紙法測定了膨脹土的土-水特性，以Van Genuchten模型為基礎對試驗結(jié)果進行了曲線擬合。可以看出學者們已對土體材料的土水特性開展了較多的研究，并逐漸認識到孔隙變化對土水特性具有重要影響，但目前關于Q3黃土土水特性的研究相對較少，而且Q3黃土具有明顯的孔隙結(jié)構，孔隙變化對其土水特性的影響非常明顯，因此本文系統(tǒng)研究Q3黃土的土水特性，著重考慮Q3黃土的孔隙變化對土水特征曲線的影響，分別制備原狀試樣和不同孔隙比重塑黃土試樣，采用15bar壓力膜儀進行Q3原狀試樣和不同孔隙比重塑試樣的試驗，系統(tǒng)分析Q3黃土的土水特性，進而采用經(jīng)典模型對原狀黃土和重塑黃土試驗數(shù)據(jù)進行擬合驗證，分析現(xiàn)有經(jīng)典模型對Q3黃土土水特性預測的適用性，并探討孔隙變化對SWCC的影響規(guī)律。

2 Q3原狀黃土與重塑黃土的土水特性試驗

2.1 SWCC測試方法

采用1500F1型壓力膜儀(圖1)開展測試[17]，壓力膜儀測試裝置包括增壓泵、保壓閥門、密閉壓力室和集水管，增壓泵提供持續(xù)性壓力，通過閥門調(diào)節(jié)試驗所需的壓力值，壓力室提供保壓空間，壓力室下方陶瓷板浸水飽和時可使室內(nèi)外壓力保持平衡，平衡條件下，土體吸力值與外加壓力值相等，土樣脫水過程的吸力值變化可通過加壓系統(tǒng)實時監(jiān)測，土體排水量進入集水管，通過排水量可計算出任何試驗階段土體的體積含水率。

圖1 1500F1壓力膜儀

壓力膜儀壓力室中的陶瓷板分布有細密的小孔，浸濕時由于受到表面張力作用，小孔表面會形成收縮膜，阻止空氣進入內(nèi)部，壓力室內(nèi)部壓力較大，達到土體脫濕的目的，陶瓷板小孔收縮膜內(nèi)外壓差即為基質(zhì)吸力(見圖2)，陶瓷板保壓極限值可通過下式計算：

sd=(ua-uw)d=2Ts/Rs

(1)

式中：sd為進氣值；Ts為水膜表面張力；Rs為水膜曲率半徑。

壓力室內(nèi)土樣內(nèi)部水分受到壓差作用逐漸排出，通過實時監(jiān)測各階段閥門壓力值和集水管排水量，即可得到土體體積含水率和吸力之間的變化關系，最終得到土樣的土水特征曲線。

圖2 土顆粒與陶瓷板的接觸示意圖

2.2 試驗方案及過程

本文考慮Q3黃土孔隙變化對SWCC的影響，此外還關注現(xiàn)有經(jīng)典模型對黃土土水特性預測的準確性，分別制備Q3黃土原狀試樣和重塑試樣開展試驗，重塑試驗考慮了孔隙變化影響。原狀試樣和重塑試樣均由施工現(xiàn)場取土制得，同時進行現(xiàn)場土樣的基本參數(shù)測試，結(jié)果見表1所示。試驗過程增壓值設置為10、20、40、60、80、100、150、200、250、300、350、400、450、500 kPa。

表1 現(xiàn)場黃土土樣基本參數(shù)

原狀土樣采用環(huán)刀削樣，環(huán)刀為直徑61.8 mm、高度20 mm的標準小環(huán)刀，原狀土樣如圖3所示。擬制備的重塑土樣孔隙比分別為0.85、0.8、0.75、0.7、0.65、0.6，不同孔隙比重塑土樣由壓樣器(如圖4)來制備，制樣原理如下：小環(huán)刀體積為V=πr2h=59.99 cm3，根據(jù)干密度的定義ρd=ms/V，得到不同干密度ρd所需要一個小環(huán)刀樣的干土量ms，含水率設定為原狀土含水率，可得到小環(huán)刀樣所需水量，稱取干土量ms和所需水量，通過壓樣筒可依次制備不同孔隙比的重塑黃土試樣。

圖3 原狀土樣制備

圖4 重塑土樣制備

按照《公路土工試驗規(guī)程》中要求，試樣飽和采用毛細管飽和法，土樣飽和度大于95%認為符合要求。每級加壓平衡后記錄集水管讀數(shù)，每級壓力對應的排水量為：

mwj=α·Δh

(2)

式中：α為標定參數(shù)，g/mm；Δh為兩級壓力下集水管讀數(shù)差，mm。

最大壓力穩(wěn)定時的含水量記作mwf，每級壓力下含水率為：

(3)

重力含水率為：

wi=mwi/ms

(4)

可得：

θi=ωiρd/ρw

(5)

式中：mwf為最大壓力對應的水重量，g；mwi為加壓過程不同壓力對應的含水量重量,g；n為加壓等級；ωi為加壓過程不同壓力對應的重量含水率；θ為加壓過程不同壓力對應的體積含水率；ρd為試樣干密度，g/cm3；ρw為4℃水的密度,g/cm3。由上述公式計算得到不同壓力等級下土樣的體積含水率，結(jié)合讀取的增壓值得到不同試樣的土水特征曲線。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 原狀黃土SWCC

圖5為Q3黃土原狀試樣的試驗結(jié)果，由圖5(a)可看出原狀黃土SWCC經(jīng)歷了快速減小、緩慢減小、穩(wěn)定3個階段，初始段體積含水率隨吸力變化敏感，隨著排水的進行，吸力逐漸增大，最終基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，圖5(b) 可看出Q3原狀黃土進氣值為20 kPa左右，當初始段基質(zhì)吸力低于100 kPa時，土體內(nèi)部自由水較多，飽和度較大，自由水排出一部分對吸力大小影響不明顯，土體飽和度仍然較高，對于黃土來說，此階段可認為土體處于飽和階段(飽和度Sr處于85%～100%)，土體處于飽和濕陷狀態(tài)，體積含水率的變化對吸力影響很小，土體性質(zhì)改變也很小；當吸力超過100 kPa而小于400 kPa時，土體進一步排水逐漸進入不飽和狀態(tài)，土體吸力明顯增大，此時土體含水率變化常常引起吸力值的敏感變化，吸力改變也會引起土體性質(zhì)急劇變化，對于濕陷性黃土而言，此階段對應著土體強烈濕陷階段，土體處于不飽和狀態(tài)(飽和度Sr小于85%，大于殘余飽和度)，土體浸水導致含水率變化，引起吸力的明顯變化，內(nèi)部土顆粒粘聚力急劇降低，土顆粒排列更為緊密，宏觀上表現(xiàn)為浸水濕陷變形；當吸力超過400 kPa時，土體內(nèi)部自由水較少，剩余難以排出的結(jié)合水，土顆粒之間的吸力作用較大，土體具有明顯的結(jié)構強度。

3.2 不同孔隙比重塑黃土SWCC

圖6給出不同孔隙比重塑試樣的土水特征試驗結(jié)果，圖6(a)顯示重塑黃土的土水特征曲線與原狀黃土整體變化趨勢一致，同樣可分為3個變化階段，初始段土體含水改變對吸力影響較小，隨著排水的進行，土體吸力變化逐漸增大，最終達到穩(wěn)定，但可看出孔隙比對SWCC的影響非常顯著，孔隙比較大時，相比于孔隙比較小時初始段體積含水率變化對吸力影響更小，說明土體孔隙大時的持水能力更強，隨著排水過程，孔隙較大時達到的參與體積含水率較小，孔隙較小時殘余體積含水率較大，說明土體孔隙大時的自由水較多，排水量更大；圖6(b)顯示土體孔隙比對其進氣值影響也較為明顯，土體孔隙比大時的進氣值較小，土體孔隙比小時的進氣值較大，說明土體孔隙較大時飽和狀態(tài)排水更容易，土體孔隙較小時排水困難，這是因為孔隙比較大時，土樣內(nèi)部排水通道更加通暢，自由水遷移阻力相對小，隨著吸力增大，自由水逐漸排出，孔隙較小時，土體內(nèi)部連通性相比大孔隙土體有所減弱，迂曲度增大，自由水在土體內(nèi)部遷移阻力更大，隨著吸力增加土體內(nèi)部自由水排水相對困難。因此，整體來看孔隙比對Q3黃土土水特性的影響明顯，孔隙變化對土水特征曲線的影響不可忽視。

圖5 原狀黃土土水特征曲線

圖6 不同孔隙比重塑黃土土水特征曲線

3.3 理論模型擬合分析

國內(nèi)外學者根據(jù)試驗結(jié)果及某些假定提出了許多經(jīng)典的土水特征曲線模型，其中包括Brooks and Corey 模型[3]、Van Genuchten 模型[4]、Gardner 模型[5]、Fredlund & Xing 模型[6]，這些模型多針對于黏土提出，并且上述模型均沒有考慮孔隙變化的影響，是否適用于Q3黃土不得而知，因此分別采用Brooks and Corey 模型(簡稱B-C模型)和Van Genuchten 模型(簡稱V-G模型)對試驗結(jié)果進行擬合對比，分析兩個模型對Q3黃土的適用性。

Brooks and Corey 模型：

(6)

式中：Se為有效飽和度；Ψa為進氣吸力值；Ψ為吸力；λ為土性參數(shù)。

又由：

(7)

則B-C模型以體積含水率可表示為：

(8)

Van Genuchten模型：

(9)

以體積含水率來表示：

(10)

式中:a、m、n均為土體參數(shù);m、n的關系一般假定為m=1-1/n或m=1-2/n。

首先對B-C模型和V-G模型參數(shù)進行確定，由式(8)可知，B-C模型包括進氣值Ψa、孔隙分布指數(shù)λ、飽和體積含水率θs和殘余體積含水率θr4個參數(shù)，其中飽和體積含水率θs可由飽和度換算得到，換算關系為θs=(e/(1+e))Srs；殘余體積含水率θr為吸力無窮大時的體積含水率，本文采用Mualem提出確定殘余狀態(tài)體積含水率θr的方法確定[18]。另外進氣值Ψa和土體參數(shù)λ可以通過試驗擬合得到，最終確定B-C模型的4個參數(shù)如表2所示。

表2 原狀黃土B-C模型參數(shù)

V-G模型需要確定θs、θr、a、m、n，其中取m=1-1/n，θs、θr的確定方法與B-C模型一致，參數(shù)a、n則由試驗數(shù)據(jù)擬合確定，最終得到V-G模型參數(shù)見表3所示：

表3 原狀黃土V-G模型參數(shù)

圖7 兩個模型對原狀黃土土水特征曲線的擬合結(jié)果

圖7給出了B-C模型和V-G模型對原狀黃土土水特征曲線的擬合結(jié)果，由圖7可知V-G模型整體擬合效果較好，尤其在初始吸力段，V-G模型擬合效果明顯優(yōu)于B-C模型，高吸力段兩者擬合效果均較好。分析認為B-C模型假定吸力小于進氣值時，體積含水率保持為初始值，事實上即使吸力較小時，其微小改變也會引起體積含水率的微小改變，因此在初始吸力段存在偏差，此外模型的參數(shù)確定也存在一定誤差，導致擬合結(jié)果存在偏差；V-G模型給出了體積含水率和吸力關系曲線，尤其初始段精確描述了兩者的關系，因此整體擬合效果較好。對于常規(guī)土體，孔隙變化不明顯，初始吸力段可近似認為體積含水率隨吸力的變化不大，可能B-C模型和V-G模型誤差不大，但對于具有大孔隙性的非飽和黃土，初始段體積含水率與吸力變化明顯，B-C模型預測效果較差，因此對于Q3原狀黃土的土水特征曲線可用V-G模型進行預測。

3.4 討論

由3.3節(jié)可看出，V-G模型可描述原狀黃土的土水特性，但原模型中沒有引入孔隙比，無法描述孔隙比對土水特性的影響。本試驗中同時測得不同孔隙比重塑土樣的土水特征曲線，試驗結(jié)果表明孔隙比對重塑黃土土水特征曲線的影響非常明顯，引起進氣值和初始吸力段明顯不同，孔隙變形不得不考慮，但上述兩種模型均無法合理考慮孔隙比對土水特征曲線的影響，如果采用上述模型進行預測則需要分別開展不同孔隙比土水特征曲線模型的參數(shù)擬合試驗，工作量較大，因此采用上述模型進行不同孔隙比的重塑黃土的土水特性預測較為困難，而黃土具有明顯的結(jié)構性，浸水誘發(fā)土體內(nèi)部孔隙改變非常顯著，必然對其土水特性造成更加顯著的影響，因此建立考慮孔隙影響的SWCC來預測黃土的土水特性變化具有重要意義，這方面很多學者已經(jīng)開始了研究，但針對于Q3黃土的研究還比較少見。本文研究表明，對于具有大孔隙的Q3黃土，V-G模型可用于原狀黃土土水特征曲線的預測，但對比孔隙比對土水特征曲線的影響模擬無能為力，試驗結(jié)果表明孔隙變化對土水特征曲線的影響不可忽略，因此后續(xù)從孔隙變形入手，建立具有實用性的SWCC模型是一個需要深入研究的方向。

4 結(jié) 論

(1)Q3黃土土水特征曲線分為快速減小、緩慢減小和穩(wěn)定3個階段，快速減小階段土體飽和度較高，吸力較小，土體孔隙排水容易，緩慢減小階段空氣進入土體內(nèi)部孔隙，進氣吸力值為20 kPa左右，吸力增大，土體孔隙排水變的困難，穩(wěn)定階段土體飽和度很低，土體進入大吸力段，土體孔隙排水不明顯。

(2)孔隙比對重塑黃土SWCC有顯著影響，孔隙比較大時，初始段體積含水率變化對吸力影響更小，土體持水能力更強，隨著排水過程，孔隙較大時達到的殘余體積含水率較小，孔隙較小時殘余體積含水率較大，孔隙比對進氣值影響明顯，土體孔隙比大時的進氣值較小，孔隙比小時的進氣值較大。

(3)分別采用B-C模型和V-G模型與原狀黃土試驗結(jié)果進行了擬合對比，V-G模型擬合效果明顯優(yōu)于B-C模型。但兩者均無法預測孔隙變形對土水特征曲線的影響，如何引入孔隙指標描述孔隙變形對土水特征曲線的影響尚需進一步研究。