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(fā)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(zhì)吸力與體積含水率的關(guān)系曲線。其在非飽和土力學(xué)的應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用，比如根據(jù)土水特征曲線，只需要測(cè)量土的含水率即可查得相應(yīng)的基質(zhì)吸力，土水特征曲線研究一直是非飽和土力學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，并取得了不少有意義的研究成果。吳國(guó)雄[1]等認(rèn)為土水特征曲線對(duì)考慮非飽和特性的土質(zhì)邊坡安全系數(shù)影響較大。詹良通[2]認(rèn)為非飽和膨脹土在等吸力剪切過(guò)程中土體發(fā)生剪縮。從事非飽和土的研究就不能不考慮基質(zhì)吸力作用帶來(lái)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(guī)律有著重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

基質(zhì)吸力為研究非飽和土特性的一個(gè)重要參數(shù)，基質(zhì)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(duì)晉南黃土土水特征曲線研究較少[3-8]，本文選取晉南地區(qū)某基坑非飽和黃土，進(jìn)行了非飽和原狀黃土與重塑黃土的固結(jié)試驗(yàn)，研究了基質(zhì)吸力與含水率的相關(guān)規(guī)律，揭示了豎向荷載對(duì)土水特征曲線的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)用土取自晉南地區(qū)某探井Q3黃土，土質(zhì)均勻，天然干密度為1.36 g/cm3。

土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 晉南某基坑黃土物理性質(zhì)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)儀器采用非飽和土固結(jié)儀，壓力室底座裝有高進(jìn)氣值陶土板，控制含水率為8%、10%、12%、14%、16%，分別制備5個(gè)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(jié)試驗(yàn)，測(cè)試土樣孔隙水壓力及孔隙氣壓力，計(jì)算穩(wěn)定時(shí)基質(zhì)吸力。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 豎向荷載對(duì)土水特征曲線的影響規(guī)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(guān)規(guī)律，見(jiàn)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(jiàn)，對(duì)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(shí)均勻，虹吸現(xiàn)象更顯著，基質(zhì)吸力略微增大。

3.2 土水特征曲線變化規(guī)律

原狀黃土與重塑黃土的土水特征曲線變化規(guī)律，詳見(jiàn)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(jiàn)，相同含水率條件下，重塑黃土基質(zhì)吸力較大。由于原狀黃土具有結(jié)構(gòu)性，水氣交界面分布不勻，而重塑黃土顆粒排列均勻，虹吸現(xiàn)象顯著，所以基質(zhì)吸力較大。

3.3 增濕條件下基質(zhì)吸力變化規(guī)律

基質(zhì)吸力隨豎向荷載變化規(guī)律見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 原狀黃土基質(zhì)吸力與荷載的變化曲線

圖8 重塑黃土基質(zhì)吸力與荷載的變化曲線

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

對(duì)該二次函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)，可以算出當(dāng)p=466 kPa時(shí)，Δψ有最大值，為98.9 kPa，存在一個(gè)臨界值，與實(shí)際情況相吻合。

重塑黃土基質(zhì)吸力增量與荷載的關(guān)系式可以表述為：

對(duì)該二次函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)，可以算出當(dāng)p=288.7 kPa時(shí)，Δψ有最大值，為95.5 kPa，存在一個(gè)臨界值，與實(shí)際情況相吻合。

由于原狀黃土具有結(jié)構(gòu)性，在較大豎向荷載下土體才被壓實(shí)得更均勻，基質(zhì)吸力增量才會(huì)達(dá)到最大值。

4 結(jié)論

a）對(duì)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(shí)均勻，虹吸現(xiàn)象更顯著，基質(zhì)吸力略微增大。

b）原狀黃土與重塑黃土基質(zhì)吸力增量并不會(huì)隨著荷載的增大而呈無(wú)限增大，而是存在一個(gè)臨界值，與實(shí)際情況相吻合；且由于原狀黃土具有結(jié)構(gòu)性，在較大豎向荷載下土體才被壓實(shí)得更均勻，基質(zhì)吸力增量才會(huì)達(dá)到最大值。