涇陽(yáng)南塬非飽和土的土—水特征曲線試驗(yàn)研究

郭 媛 媛

(山西省建筑科學(xué)研究院有限公司，山西 太原 030001)

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

當(dāng)前研究中常見的測(cè)量基質(zhì)吸力的方法很多，其中濾紙法與其他試驗(yàn)相比具有以下優(yōu)勢(shì)：1)測(cè)量范圍較大，一般可得到0 kPa～3×105kPa范圍內(nèi)的基質(zhì)吸力；2)原理簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，對(duì)土樣結(jié)構(gòu)影響較小；3)可清楚反映基質(zhì)吸力與土樣含水率的關(guān)系及變化趨勢(shì)。克服了其他多數(shù)方法存在的測(cè)量條件難以實(shí)現(xiàn)、試驗(yàn)過(guò)程時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者試驗(yàn)精度較低等問(wèn)題。

根據(jù)濾紙與土樣的接觸狀態(tài)通常可將濾紙法分為兩類：接觸型和非接觸型[4]，分別如圖1a)，圖1b)所示。為更加準(zhǔn)確可靠測(cè)得土樣中的基質(zhì)吸力，本次試驗(yàn)采用接觸型濾紙法。

由于濾紙材質(zhì)具有空隙大、吸水速度快的特點(diǎn)，封閉條件下的干燥濾紙?jiān)谕耆佑|土樣時(shí)不斷吸收土體內(nèi)部的液態(tài)或者氣態(tài)水分子。從能量守恒角度分析，在水分達(dá)到平衡時(shí)，二者的水分交換停止，此時(shí)土體與濾紙具有相同水平的吸力，由此可通過(guò)替代的方式間接測(cè)得土樣中的基質(zhì)吸力。接觸型方法的具體原理示意圖如圖2所示。

1 涇陽(yáng)南塬區(qū)域概況

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

試驗(yàn)區(qū)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(qiáng)的特點(diǎn)。本次試驗(yàn)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(zhì)黃土，密實(shí)性比Q3和Q2黃土更好，透水性較低，顆粒較粗，是塬區(qū)含水層，厚度約為4 m～6 m。

2 基本物理指標(biāo)

室內(nèi)試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50123—1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，得到L9黃土原狀試樣基本物理指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 L9地層的基本物理指標(biāo)表

3 試驗(yàn)流程及操作要點(diǎn)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1.1率定方程的選取

為了更加準(zhǔn)確測(cè)得土樣基質(zhì)吸力，結(jié)合已有相關(guān)理論和實(shí)踐研究結(jié)果，本次試驗(yàn)采用ASTM D5298—10[5]中給出的雙線性基質(zhì)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(zhì)吸力；wf為濾紙質(zhì)量含水率的百分?jǐn)?shù)。

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(lái)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(wú)氣水、2%福爾馬林溶液；8)醫(yī)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(zhǔn)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(nèi)，烘干時(shí)間不小于16 h，置于干燥器內(nèi)備用。2)烘干鋁盒。試驗(yàn)所需鋁盒均采用無(wú)氣水清洗干凈，放入溫度為110 ℃烘箱內(nèi)，烘干時(shí)間不小于8 h，結(jié)束后將全部鋁盒冷卻至室溫，用分析天平稱量干燥鋁盒質(zhì)量并記錄(精確至0.000 1 g)備用。3)用電子秤稱量已標(biāo)記的干凈環(huán)刀的質(zhì)量并記錄，制作一定數(shù)量的原狀環(huán)刀土樣(增濕和減濕試驗(yàn)分別若干組)，每?jī)蓚€(gè)環(huán)刀土樣為一組，對(duì)應(yīng)一組預(yù)定含水率，再次用電子秤稱量每個(gè)環(huán)刀土樣的質(zhì)量并記錄備用。

3.2 增濕試驗(yàn)步驟

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

2)每?jī)蓚€(gè)環(huán)刀試樣對(duì)應(yīng)一組預(yù)定含水率，用膠頭滴管將無(wú)氣水均勻滴入環(huán)刀樣，使每組土樣均達(dá)到預(yù)定的含水率。為保證土樣中的水分均勻擴(kuò)散，將土樣裝入保鮮袋密封并放入保濕器中，靜置時(shí)間不小于72 h。

3)待土樣水分?jǐn)U散均勻后，先迅速用略大的保護(hù)濾紙夾住備好的小濾紙，并快速置于每組環(huán)刀試樣中間，保證二者緊密貼合。如圖4所示，在環(huán)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(guò)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(biāo)簽紙記錄標(biāo)記并置于恒溫箱中靜置15 d以上，如圖6所示。

5)測(cè)濕濾紙質(zhì)量。將靜置足夠長(zhǎng)的時(shí)間(保證換刀土樣和濾紙之間的水分交換達(dá)到平衡)拆封在3 s～5 s內(nèi)迅速取出每組環(huán)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(zhì)量稱量過(guò)程，另外稱量平衡后的環(huán)刀試樣質(zhì)量并記錄。

6)測(cè)干濾紙質(zhì)量。將裝有濕濾紙的鋁盒蓋子保持半開狀態(tài)放入110 ℃烘箱內(nèi)，烘干時(shí)間不小于2 h，結(jié)束后先將烘箱所有氣孔封閉，再迅速將烘箱內(nèi)鋁盒蓋子完全蓋上以免濾紙重新吸收水分。保持當(dāng)前狀態(tài)繼續(xù)在不加溫的烘箱內(nèi)靜置15 min以上，用分析天平迅速測(cè)量干濾紙+熱鋁盒的質(zhì)量，并在取出干濾紙后單獨(dú)稱量此時(shí)的熱鋁盒質(zhì)量，以此完成干濾紙的質(zhì)量測(cè)量工作。

7)計(jì)算土樣基質(zhì)吸力。通過(guò)以上步驟可分別測(cè)得濾紙含水率、土樣含水率，根據(jù)ASTM D5298-10中給出的雙線性基質(zhì)吸力率定方程式(1)，計(jì)算得到各個(gè)預(yù)定含水率下的土樣基質(zhì)吸力。

3.3 減濕試驗(yàn)步驟

1)固定土樣。將用于減濕試驗(yàn)的環(huán)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(guān)閉壓力條件，循環(huán)操作3次以上。然后在真空狀態(tài)下打開進(jìn)水閥門，讓無(wú)氣水完全沒過(guò)飽和器后靜置8 h以上。

3)制作若干組預(yù)定含水率的環(huán)刀土樣。將飽和的環(huán)刀土樣取出，分別經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干至預(yù)估含水率，剩余步驟與增濕過(guò)程步驟3)～7)相同。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)質(zhì)量含水率由式(2)計(jì)算可得土樣的體積含水率，結(jié)合增濕和減濕試驗(yàn)所得基質(zhì)吸力，可得涇陽(yáng)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(zhì)量含水率；ρw為無(wú)氣水的密度；ρd為干密度；θ為體積含水率。

圖8基本可展現(xiàn)出本次試驗(yàn)的涇陽(yáng)南塬L9土層較為完整的土—水特征曲線形態(tài)，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(cè)得大范圍基質(zhì)吸力的優(yōu)越性；

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

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

4)在整個(gè)體積含水率的變化范圍內(nèi)，減濕曲線均位于增濕曲線上方，結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程可知在孔隙水排出或吸收相對(duì)迅速的區(qū)域里最明顯，較準(zhǔn)確地驗(yàn)證了SWCC的滯后特性。

3.5 試驗(yàn)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(zhì)吸力范圍較廣泛。本文采用該模型并結(jié)合Origin軟件分別對(duì)涇陽(yáng)南塬L9土層增濕、減濕路徑下的土—水特征曲線進(jìn)行擬合，擬合圖形及擬合參數(shù)分別如圖9,表2所示。

表2 擬合參數(shù)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(xiàn)的形狀有關(guān)，m=1-1/n;a,n,m均為土—水特征曲線擬合時(shí)采用的參數(shù)；θ為體積含水率；θs為飽和體積含水率。

通過(guò)表2分析可知，兩種路徑下的擬合點(diǎn)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)操作計(jì)算所得實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)均超過(guò)98%，表明采用VG模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線擬合程度較好，精度較高。

4 非飽和滲透系數(shù)的估算

首先，本次試驗(yàn)通過(guò)飽和滲透系數(shù)與Van Genuchten模型的結(jié)合，可獲得非飽和滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式如式(4)所示：

(4)

其中，kw為非飽和滲透系數(shù)；ks為飽和滲透系數(shù)；Se為有效飽和度；a，n，m均為優(yōu)化參數(shù)，m=1-1/n；ψ為土體基質(zhì)吸力；將試驗(yàn)所得相關(guān)數(shù)據(jù)與已有研究資料中的飽和滲透系數(shù)ks相結(jié)合，采用上述非飽和滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，可估算得出涇陽(yáng)南塬L9土樣增濕和減濕路徑下的非飽和滲透系數(shù)，具體可見圖10。

5 結(jié)語(yǔ)

1)基質(zhì)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(nèi)變化速度最快，在曲線開始和結(jié)尾階段變化較平緩，由此可見非飽和土的工程性質(zhì)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(zhì)吸力差異較大，在中間階段差異更加明顯；3)本次試驗(yàn)較準(zhǔn)確地驗(yàn)證了SWCC的滯后特性及接觸型濾紙法測(cè)量大范圍基質(zhì)吸力的優(yōu)越性；4)非飽和滲透系數(shù)難以直接測(cè)定，本文通過(guò)濾紙法得到?jīng)荜?yáng)南塬研究區(qū)內(nèi)的L9土層的增濕和減濕路徑的SWCC，再結(jié)合非飽和滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式得出非飽和滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線，為相關(guān)工程應(yīng)用和實(shí)踐操作提供部分?jǐn)?shù)據(jù)支持。