晉南非飽和土土水特征曲線研究

員康鋒

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

非飽和土是指土孔隙由水和空氣填充，即飽和度小于100%但大于0%的土，土水特征曲線描述了基質吸力與體積含水率的關系曲線。其在非飽和土力學的應用中發揮著重要的作用，比如根據土水特征曲線，只需要測量土的含水率即可查得相應的基質吸力，土水特征曲線研究一直是非飽和土力學領域的一個重要課題，許多學者對此進行了大量的研究，并取得了不少有意義的研究成果。吳國雄[1]等認為土水特征曲線對考慮非飽和特性的土質邊坡安全系數影響較大。詹良通[2]認為非飽和膨脹土在等吸力剪切過程中土體發生剪縮。從事非飽和土的研究就不能不考慮基質吸力作用帶來的影響，研究黃土土水特征曲線特性在水及荷載作用下的變化規律有著重要的理論意義和應用價值。

基質吸力為研究非飽和土特性的一個重要參數，基質吸力多用于描述土體雨水入滲的能力，在以往的研究工作中，針對晉南黃土土水特征曲線研究較少[3-8]，本文選取晉南地區某基坑非飽和黃土，進行了非飽和原狀黃土與重塑黃土的固結試驗，研究了基質吸力與含水率的相關規律，揭示了豎向荷載對土水特征曲線的影響規律。

1 試驗用土

試驗用土取自晉南地區某探井Q3黃土，土質均勻，天然干密度為1.36 g/cm3。

土樣的基本物理性質指標見表1。

表1 晉南某基坑黃土物理性質指標

2 試驗方法

試驗儀器采用非飽和土固結儀，壓力室底座裝有高進氣值陶土板，控制含水率為8%、10%、12%、14%、16%，分別制備5個原狀壓縮土樣和重塑壓縮土樣（直徑為6.03 cm，高度為2 cm）。采用固結試驗，測試土樣孔隙水壓力及孔隙氣壓力，計算穩定時基質吸力。

3 試驗結果與分析

3.1 豎向荷載對土水特征曲線的影響規律研究

原狀黃土與重塑黃土的土水特征曲線與豎向荷載的相關規律，見圖1、圖2。

圖1 原狀黃土土水特征曲線

圖2 重塑黃土土水特征曲線

由圖1、圖2可見，對于原狀黃土及重塑黃土，隨著豎向荷載的增大，土體更加密實均勻，虹吸現象更顯著，基質吸力略微增大。

3.2 土水特征曲線變化規律

原狀黃土與重塑黃土的土水特征曲線變化規律，詳見圖3～圖6。

圖3 荷載為50 kPa的土水特征曲線

圖4 荷載為100 kPa的土水特征曲線

圖5 荷載為200 kPa的土水特征曲線

圖6 荷載為400 kPa的土水特征曲線

由圖3～圖6可見，相同含水率條件下，重塑黃土基質吸力較大。由于原狀黃土具有結構性，水氣交界面分布不勻，而重塑黃土顆粒排列均勻，虹吸現象顯著，所以基質吸力較大。

3.3 增濕條件下基質吸力變化規律

基質吸力隨豎向荷載變化規律見圖7、圖8。

圖7 原狀黃土基質吸力與荷載的變化曲線

圖8 重塑黃土基質吸力與荷載的變化曲線

根據圖7及圖8得原狀黃土與重塑黃土基質吸力增量隨豎向荷載的變化曲線，并擬合成二次函數，相關系數均為0.98以上，相關性較好，其中原狀黃土基質吸力增量與荷載的關系式可以表述為：

對該二次函數進行求導，可以算出當p=466 kPa時，Δψ有最大值，為98.9 kPa，存在一個臨界值，與實際情況相吻合。

重塑黃土基質吸力增量與荷載的關系式可以表述為：

對該二次函數進行求導，可以算出當p=288.7 kPa時，Δψ有最大值，為95.5 kPa，存在一個臨界值，與實際情況相吻合。

由于原狀黃土具有結構性，在較大豎向荷載下土體才被壓實得更均勻，基質吸力增量才會達到最大值。

4 結論

a）對于原狀黃土及重塑黃土，隨著豎向荷載的增大，土體更加密實均勻，虹吸現象更顯著，基質吸力略微增大。

b）原狀黃土與重塑黃土基質吸力增量并不會隨著荷載的增大而呈無限增大，而是存在一個臨界值，與實際情況相吻合；且由于原狀黃土具有結構性，在較大豎向荷載下土體才被壓實得更均勻，基質吸力增量才會達到最大值。