涇陽南塬非飽和土的土—水特征曲線試驗研究

郭 媛 媛

(山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030001)

土—水特征曲線(SWCC)是用來表示非飽和土體中基質吸力與含水率關系的曲線，也是非飽和土抗剪強度方面的重要研究工具。因此，為更加準確地獲得土—水特征曲線，首先需要更加精準地測出土樣中的基質吸力。

當前研究中常見的測量基質吸力的方法很多，其中濾紙法與其他試驗相比具有以下優勢：1)測量范圍較大，一般可得到0 kPa～3×105kPa范圍內的基質吸力；2)原理簡單、造價低廉，對土樣結構影響較??；3)可清楚反映基質吸力與土樣含水率的關系及變化趨勢。克服了其他多數方法存在的測量條件難以實現、試驗過程時間過長或者試驗精度較低等問題。

根據濾紙與土樣的接觸狀態通?？蓪V紙法分為兩類：接觸型和非接觸型[4]，分別如圖1a)，圖1b)所示。為更加準確可靠測得土樣中的基質吸力，本次試驗采用接觸型濾紙法。

由于濾紙材質具有空隙大、吸水速度快的特點，封閉條件下的干燥濾紙在完全接觸土樣時不斷吸收土體內部的液態或者氣態水分子。從能量守恒角度分析，在水分達到平衡時，二者的水分交換停止，此時土體與濾紙具有相同水平的吸力，由此可通過替代的方式間接測得土樣中的基質吸力。接觸型方法的具體原理示意圖如圖2所示。

1 涇陽南塬區域概況

本次研究區域涇河位于陜西省涇陽縣城，河流走向由西北至東南。取樣地點位于涇河右岸，處于渭河地塹的北緣斷裂帶中段，為咸陽北塬的四、五級階地斜坡帶，是渭北黃土臺塬的組成部分。

試驗區域從底層出露情況分析，屬于典型的黃土—古土壤序列，即分布有L1～L9全部地層，從上到下依次為Q3馬蘭黃土、Q2離石黃土、Q1午城黃土，典型剖面如圖3所示，具有地層清晰、代表性強的特點。本次試驗選取的土樣是位于坡腳處的早更新世上部Q1黃土L9，一般在塬邊局部坡腳部位有出露，深度距地表70 m～72 m。 L9土層為淡灰黃色粉砂質黃土，密實性比Q3和Q2黃土更好，透水性較低，顆粒較粗，是塬區含水層，厚度約為4 m～6 m。

2 基本物理指標

室內試驗依據GB/T 50123—1999土工試驗方法標準進行，得到L9黃土原狀試樣基本物理指標參數見表1。

表1 L9地層的基本物理指標表

3 試驗流程及操作要點

3.1 試驗準備

3.1.1率定方程的選取

為了更加準確測得土樣基質吸力，結合已有相關理論和實踐研究結果，本次試驗采用ASTM D5298—10[5]中給出的雙線性基質吸力率定方程和Whatman’s No.42型濾紙，率定方程如式(1)所示。

(1)

其中，ψ為基質吸力；wf為濾紙質量含水率的百分數。

3.1.2所需材料與工具

1)大小濾紙若干、鋁盒；2)烘箱，控制溫度(105±5)℃；3)恒溫箱，控制溫度(20±1)℃；4)分析天平(精度0.000 1 g)、電子秤；5)錫紙，代替ASTM推薦方法用的密封罐來密封試樣；6)保濕器和干燥器，干燥劑使用變色硅膠即可，凡士林；7)無氣水、2%福爾馬林溶液；8)醫用膠皮手套、防水膠帶、石蠟、保鮮袋、鑷子、刷子、剪刀、滴管等。

3.1.3前期準備工作

1)處理濾紙。采用濃度為2%福爾馬林溶液將備好的濾紙浸泡后，放入溫度為110 ℃烘箱內，烘干時間不小于16 h，置于干燥器內備用。2)烘干鋁盒。試驗所需鋁盒均采用無氣水清洗干凈，放入溫度為110 ℃烘箱內，烘干時間不小于8 h，結束后將全部鋁盒冷卻至室溫，用分析天平稱量干燥鋁盒質量并記錄(精確至0.000 1 g)備用。3)用電子秤稱量已標記的干凈環刀的質量并記錄，制作一定數量的原狀環刀土樣(增濕和減濕試驗分別若干組)，每兩個環刀土樣為一組，對應一組預定含水率，再次用電子秤稱量每個環刀土樣的質量并記錄備用。

3.2 增濕試驗步驟

1)將環刀試樣放入溫度105 ℃烘箱內，烘干時間不小于12 h，烘干結束后稱重并迅速放入保鮮袋中密封保存，將保鮮袋編號記錄后置于干燥器內，為防止水分吸收影響試驗結果，將變色硅膠一同放入干燥器內。

2)每兩個環刀試樣對應一組預定含水率，用膠頭滴管將無氣水均勻滴入環刀樣，使每組土樣均達到預定的含水率。為保證土樣中的水分均勻擴散，將土樣裝入保鮮袋密封并放入保濕器中，靜置時間不小于72 h。

3)待土樣水分擴散均勻后，先迅速用略大的保護濾紙夾住備好的小濾紙，并快速置于每組環刀試樣中間，保證二者緊密貼合。如圖4所示，在環刀接縫處用防水膠帶纏繞兩圈，密封接口后用錫紙將土樣完全包裹好，如圖5所示。該過程要保證迅速且避免剮蹭土樣。

4)將石蠟融化后，用刷子蘸取適量將錫箔紙周圍涂抹均勻，冷卻凝固后用標簽紙記錄標記并置于恒溫箱中靜置15 d以上，如圖6所示。

5)測濕濾紙質量。將靜置足夠長的時間(保證換刀土樣和濾紙之間的水分交換達到平衡)拆封在3 s～5 s內迅速取出每組環刀土樣中的小濾紙放入備好的鋁盒中，并完成濕濾紙+鋁盒的質量稱量過程，另外稱量平衡后的環刀試樣質量并記錄。

6)測干濾紙質量。將裝有濕濾紙的鋁盒蓋子保持半開狀態放入110 ℃烘箱內，烘干時間不小于2 h，結束后先將烘箱所有氣孔封閉，再迅速將烘箱內鋁盒蓋子完全蓋上以免濾紙重新吸收水分。保持當前狀態繼續在不加溫的烘箱內靜置15 min以上，用分析天平迅速測量干濾紙+熱鋁盒的質量，并在取出干濾紙后單獨稱量此時的熱鋁盒質量，以此完成干濾紙的質量測量工作。

7)計算土樣基質吸力。通過以上步驟可分別測得濾紙含水率、土樣含水率，根據ASTM D5298-10中給出的雙線性基質吸力率定方程式(1)，計算得到各個預定含水率下的土樣基質吸力。

3.3 減濕試驗步驟

1)固定土樣。將用于減濕試驗的環刀土樣的上下兩端依次放置濾紙和透水石，置于疊式飽和器中垂直疊加至上端夾板并擰緊螺絲，如圖7所示。

2)飽和土樣。將疊式飽和器置于壓力條件為-100 kPa的真空泵中，每次抽真空20 min以上后關閉壓力條件，循環操作3次以上。然后在真空狀態下打開進水閥門，讓無氣水完全沒過飽和器后靜置8 h以上。

3)制作若干組預定含水率的環刀土樣。將飽和的環刀土樣取出，分別經過自然風干至預估含水率，剩余步驟與增濕過程步驟3)～7)相同。

3.4 試驗結果及分析

根據質量含水率由式(2)計算可得土樣的體積含水率，結合增濕和減濕試驗所得基質吸力，可得涇陽南塬L9土層增濕和減濕路徑下的土—水特征曲線，如圖8所示。

(2)

其中，w為質量含水率；ρw為無氣水的密度；ρd為干密度；θ為體積含水率。

圖8基本可展現出本次試驗的涇陽南塬L9土層較為完整的土—水特征曲線形態，由此可知：

1)本次采用的接觸型濾紙法具有一定的適用性，并且具有可測得大范圍基質吸力的優越性；

2)兩條曲線整體呈現一致趨勢：隨土樣體積含水率的增加，基質吸力逐漸減小，且在體積含水率的中間值范圍內變化速度最快，在曲線開始和結尾階段變化較平緩；

3)相同體積含水率對應的兩種路徑下的基質吸力差異較大，在中間階段差異更加明顯；

4)在整個體積含水率的變化范圍內，減濕曲線均位于增濕曲線上方，結合試驗過程可知在孔隙水排出或吸收相對迅速的區域里最明顯，較準確地驗證了SWCC的滯后特性。

3.5 試驗曲線的擬合

VG模型是非飽和土的研究中常用的擬合模型，由Van Genuchten于1980年提出。該模型物理意義較明確，適用的基質吸力范圍較廣泛。本文采用該模型并結合Origin軟件分別對涇陽南塬L9土層增濕、減濕路徑下的土—水特征曲線進行擬合，擬合圖形及擬合參數分別如圖9,表2所示。

表2 擬合參數表

(3)

其中，θr為殘余體積含水率；ψ為孔隙水壓力；n與SWCC曲線的整體所呈現的形狀有關，m=1-1/n;a,n,m均為土—水特征曲線擬合時采用的參數；θ為體積含水率；θs為飽和體積含水率。

通過表2分析可知，兩種路徑下的擬合點數據與試驗操作計算所得實測值的相關系數均超過98%，表明采用VG模型與實測數據曲線擬合程度較好，精度較高。

4 非飽和滲透系數的估算

首先，本次試驗通過飽和滲透系數與Van Genuchten模型的結合，可獲得非飽和滲透系數的經驗公式如式(4)所示：

(4)

其中，kw為非飽和滲透系數；ks為飽和滲透系數；Se為有效飽和度；a，n，m均為優化參數，m=1-1/n；ψ為土體基質吸力；將試驗所得相關數據與已有研究資料中的飽和滲透系數ks相結合，采用上述非飽和滲透系數的經驗公式，可估算得出涇陽南塬L9土樣增濕和減濕路徑下的非飽和滲透系數，具體可見圖10。

5 結語

1)基質吸力隨土樣體積含水率的增大逐漸減小，且在體積含水率的中間值范圍內變化速度最快，在曲線開始和結尾階段變化較平緩，由此可見非飽和土的工程性質受含水率的影響很大；2)不同路徑下，相同體積含水率的基質吸力差異較大，在中間階段差異更加明顯；3)本次試驗較準確地驗證了SWCC的滯后特性及接觸型濾紙法測量大范圍基質吸力的優越性；4)非飽和滲透系數難以直接測定，本文通過濾紙法得到涇陽南塬研究區內的L9土層的增濕和減濕路徑的SWCC，再結合非飽和滲透系數經驗公式得出非飽和滲透系數與基質吸力的關系曲線，為相關工程應用和實踐操作提供部分數據支持。