改性玄武巖殘積土土-水特征曲線試驗研究

程學磊 張瑞敏 李巖

摘要：為研究地下水對改性玄武巖殘積土的影響，采用經過石灰、粉煤灰和水泥改性處理的兩種不同配比及未處理土（對照組）進行土-水特征曲線試驗，并對試驗數據進行了數學模型擬合。研究結果表明：① 土-水特征曲線由下降段和平緩段組成，下降段基質吸力對非飽和土的性質影響顯著，平緩段影響不顯著;② 體積含水率隨基質吸力的增大而逐漸減小，同時改性玄武巖殘積土飽和度與基質吸力表現出相似變化特征，說明改性后的玄武巖殘積土持水性良好;③ Van Genuchten模型、Brooks-Corey 模型和Fredlund-Xing模型與試驗一致性較好，其中上述模型對改性土2來說模擬效果良好，改性土1次之，考慮到水穩性應優先選用改性土2。

關 鍵 詞：玄武巖殘積土;土-水特征曲線;基質吸力;含水率;飽和度

中圖法分類號：TU411

文獻標志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0203-06

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.033

0 引 言

玄武巖殘積土是由玄武巖完全風化后，殘留原地或經過短途搬運后堆積的特殊土。中國西南地區分布著大量玄武巖殘積土，由于受到冬干夏濕、多雨、亞熱帶高原氣候的影響，其風化物具有穩定性差、孔隙比大、液塑限高、強度低等特性，導致路堤與路基易發生工程事故和地質災害。因此，開展玄武巖殘積土的物理力學特性研究，并在此基礎上提出工程治理方案很有必要。

土-水特征曲線（SWCC，Soil-Water Characteristic Curves）是指吸力與土的含水率之間的關系曲線，它與非飽和滲透性緊密相關，同時也反映吸力作用下土體的持水能力[1-2]。在非飽和土力學中，土-水特征曲線主要用于估算土的滲透系數、強度、應力狀態以及土力學特征參數[3]。土力學中的土-水特征曲線試驗相對較晚，并且發展緩慢，困難在于土力學中進行土-水特征曲線試驗研究時，不僅需考慮土體成分和結構的影響，還要考慮應力狀態的影響[4]。國內外諸多學者雖然進行了大量的干濕循環試驗、崩解試驗、土-水特征曲線試驗研究，但是主要以傳統的黏性土、黃土以及膨脹土研究為主[5-10]。已有研究將理論、試驗測試與預測方法有機地聯系起來，解釋了非飽和土性狀的主要本構關系 [11-16]。

目前針對玄武巖殘積土的研究較少，對工程處理措施的研究更少，故本文基于已有成果和經驗對改性玄武巖殘積土進行土-水特征曲線展開試驗研究，并分析試驗結果;采用經驗模型模擬改性土土-水特征曲線的相關參數，對參數的擬合結果進行分析。

1 試驗儀器及試驗原理

1.1 試驗儀器

試驗采用美國SOILMOISTRUE綜合壓力板儀，如圖1所示。壓力板儀器是量測非飽和土土-水特征曲線的基本儀器之一，主要由供氣系統、調壓閥、壓力鍋及盛水容量瓶等組成。供氣系統由高壓氮氣瓶、減壓閥構成。減壓閥起粗調作用，將氮氣瓶里的高壓氣體變成低壓氣體;調壓閥起到細調作用，以精確控制給壓力鍋輸入的氣壓力值。根據改性土有關力學性質，選用進氣值分別為5 bar和15 bar的陶土板。

1.2 試驗原理

土樣放在透水不透氣的陶土板上，排水管與陶土板、通向大氣的鋼管相通。在壓力板儀器內施加不同的氮氣值，相當于施加不同的基質吸力。其本質是采用軸平移技術試驗，主要測定土樣在不同的基質吸力作用下的含水量，研究失水過程中的土-水特征曲線（SWCC）。由氮氣施加給土樣基質吸力，其大小采用傳感器測定，由壓力表讀取。含水量是由在每級平衡下試樣的質量與初始質量之差，通過換算得出體積含水率或飽和度。

參照GB-T50123-1999《土工試驗方法標準》中增加的水量公式和飽和度公式進行干密度代入換算得出飽和度，具體公式如下：

式中：ρd為制備試樣所需的干密度，g/cm3;Δm為制備擾動土樣應增加的水量，g;v為計算出所用環刀容積，cm3;Sr為飽和度，%;ρ為飽和后的密度，g/cm3;Gs為土粒比重;e為土的孔隙比;ω′為土樣所要求含水量，%;ω為飽和后的含水量，%。

2 試驗方案與步驟

2.1 試驗方案

試驗土樣取自貴州省赫章縣畢節高速路段代表性土樣。將取得的土樣混合后放置通風處風干，然后在橡皮板上碾碎，分別取一定量的土過5.0，2.0，0.5 mm的篩，為物理力學特性試驗做準備。試驗操作方法和制作工程嚴格按照GB/T 50123-2019《土工試驗規程》，展開對殘積土的物理試驗。玄武巖殘積土的物性指標如表1所列。

試驗土樣取800 g。由于土粒較細，首先把800 g土樣先用蒸餾水進行水洗，得到粒徑大于0.075 mm的土顆粒不到10%，故將粒徑小于0.075 mm的土顆粒進行烘干，取30 g用密度計法進行顆粒分析試驗，顆粒分布曲線如圖2所示。

該玄武巖殘積土的液限大于40，塑性指數在10～17范圍內，殘積土屬于粉質黏土。

根據改性試驗研究得出的最佳配比，制作未改性土、改性土1（填料占干土質量的百分比為8%石灰、8%粉煤灰、2%水泥[17]）、改性土2（8%石灰、6%粉煤灰、2%水泥）（在改性1的基礎上經過優化分析得出的）3種土料。對未改性土和兩種最佳配比土進行比較和分析，每組有3個平行處理試驗。

試驗中，石灰采用消石灰粉，粉煤灰取自青山熱電廠火電廠鍋爐燃燒后的排放物，屬于二級粉煤灰（2.0 g·cm-3），其化學成分主要是SiO2、Al2O3和Fe2O3，三者總和一般超過70%，稱為硅鋁玻璃體，含量越多，活性越大，另外還有少量的CaO、MgO和SO3等。水泥采用42.5的普通硅酸鹽水泥。

2.2 試驗步驟

對3種土樣進行土-水特征曲線試驗，為了避免引起誤差或試驗重復操作，應嚴格按照以下操作步驟進行。

（1）土樣的飽和。

采用直徑6.18 cm，高2 cm的環刀制作試樣，按標準進行養護。將養護好的試樣采用重疊式的飽和裝置進行飽和：首先，在飽和裝置夾板上依次放透水石、濾紙、試樣、濾紙、透水石;其次，重復放置，一般一個飽和裝置放置4～8個;擰緊螺母，將裝有試樣的飽和裝置放入真空罐中進行飽和，啟動抽氣機，當真空表達到一個大氣壓值左右后，繼續抽氣2 h;最后注水，待水淹沒飽和器后，停止抽氣，靜置24 h，以保證試樣充分飽和。

（2）飽和陶土板。

將選定好的陶土板浸潤，放入蒸餾水中24 h，然后把三角形支撐架擺放在提取壓力容器的底部，放入陶土板，目的是使較低位置的陶土板不接觸到提取容器底部。然后，將3個塑料墊片互成120°放在第一塊陶土板上，之后放入第二塊陶土板，按同樣方法放置第三塊陶土板。放置好陶土板，連接好外部水管配件，小心地向各壓力板表面添加少許蒸餾水。蓋上板蓋，擰緊螺絲，調節氣壓控制閥至10 kPa，使氮氣施加的壓力通過頂部依次向下進入壓力板中。由于壓力的作用，蒸餾水會慢慢地從鋼管流出，直至蒸餾水不再流出，達到平衡，此過程進行2 d。

（3）土樣放入壓力板儀器內及施加壓力。

陶土板和試樣均飽和后，將飽和的試樣依次從飽和裝置卸下來，打開壓力板儀，將稱取過的飽和土樣放在陶土板上。在放置試樣過程中，試樣一定要輕拿輕放，以免水分蒸發，同時注意避免土樣脫落或者破壞，從而影響試驗結果的可靠性。

蓋上板蓋，擰緊螺絲，調節氣壓力閥到10 kPa，使試樣在此氣壓下平衡。

（4）稱取平衡狀態下的土樣質量。

采用比重瓶測定從鋼管流出的水，當比重瓶和水的質量不變或者出現下降的趨勢時，則表明試樣在此壓力下平衡，其時間大約為8 d。然后對其進行放氣，將氣壓控制閥調至為0 kPa，取出試樣，稱取試樣質量。

稱取試樣質量后，依次把陶土板放入壓力板儀中，并依次放入試樣，按步驟（3）和（4）繼續加壓，本試驗測定10，30，50，76，130，260，300，465，730，960，1 200，1 370 kPa下達到平衡后的質量。

（5）計算并繪制土-水特征曲線圖。

根據在每級作用下試樣質量的變化，計算出相應的體積含水率或飽和度，然后以基質吸力為橫坐標，體積含水率或者飽和度為縱坐標，繪制土-水特征曲線。

3 試驗結果分析與討論

3.1 典型的非飽和土土-水特征曲線

典型非飽和土的SWCC分為3個階段，即邊界效應階段、轉化階段以及殘余階段[18]，如圖3所示。

圖中A點為進氣值，是土樣由飽和變成非飽和的分界點，當所給的吸力增大到一定值時，氣體開始進入土中，隨著基質吸力的增大，至進氣值時，氣體開始進入土體最大的孔隙中。B點為殘余含水率θr，當土體含水率低于該值時，基質吸力增大得比較迅速。

對于非飽和SWCC的研究，學者提出了很多實用的SWCC模型，但是由于土中水和土體之間的相互作用比較復雜，目前尚未有理想的理論模型，經常用的多為經驗模型。本文采用常見的Van Genuchten模型、Brooks-Corey模型和Fredlund-Xing模型，對所測的試驗數據進行擬合，并進行對比分析[19-20]。

3.2 試驗結果及分析

試驗基質吸力控制序列取12個等級，歷時86 d，這3種不同種類的土的體積含水率、飽和度與基質吸力的關系變化如圖4所示。

由圖4可見：體積含水率隨基質吸力的增大而逐漸減小，二者呈現負相關關系，同時其飽和度與基質吸力也是呈負相關關系;殘積土變化相對較大，改性土1和改性土2變化不太明顯;殘積土在開始下降得較快，但是隨著基質吸力的增大，趨于平衡，體積含水率整體下降了12.4%，飽和度下降了26%。改性土1和改性土2均在0～30 kPa曲線下降較快，但是之后也都趨于平緩變化，其體積含水率分別下降了2.1%，2.6%，飽和度下降了4.6%，6.0%。

試驗所得的土-水特征曲線與典型的非飽和土-水特征曲線有明顯的差別，說明改性殘積土的土-水特征曲線不完整，主要原因就是壓力過小，壓力板儀器的進氣值較小。曲線總體分為兩個階段，下降階段和平緩階段。工程中，大部分非飽和都處于土-水特征曲線的下降段，這是因為土體的基質吸力達到或者超過進氣值時，氣體就會處于內部孔隙連通狀態或者部分連通狀態，所以隨著基質吸力的增大，飽和度或者體積含水率均呈現下降的趨勢。由圖3可知，其基質吸力在較小時就達到了進氣值，幾乎整個階段都處于SWCC的下降區段。這是因為隨著基質吸力的增大，氮氣填充并占據了土體較大的孔隙通道，體積含水率或者飽和度也會快速下降，最終使非飽和土的性質產生很大的變化。隨著土體水分的減少，基質吸力增大，水分很難排出，從而土-水特征曲線逐漸變得比較平緩，這是因為此時的壓力作用下，處于全連通狀態，排出的水位于個別孔隙和孔隙死角中，并且此時的基質吸力對非飽和土的性質影響較小。

改性土1和改性土2初始的土樣的斜率相對較陡，但是隨著基質吸力的逐漸增加，當基質吸力大于空氣進入值時，曲線斜率下降的比較緩慢，曲線儲水系數變化不大，土體的持水能力并沒有受到很大的影響。這也說明改性殘積土的持水性相對較好，有較好的水穩性。未改性土相對于改性土1和改性土2變化幅度較大，這說明殘積土的持水性不好，水穩性較差。這是因為石灰、粉煤灰、水泥均是呈精細的粉末狀，從物理方面來講，它們充分填充了殘積土原來的孔隙并結合更細的殘積土，改變了殘積土的顆粒和孔徑分布;從化學方面分析，因為石灰、粉煤灰、水泥在適宜的條件下充分與殘積土發生物理化學變化，結合成整體。這樣導致氣體越來越難進入到土樣中，其進氣值相對于未改性土較大，則其曲線變化不是很明顯。

4 殘積土土-水特征曲線模型擬合

4.1 模型介紹

土-水特征曲線的模型參數式對非飽和土強度和本構關系的表達式是非常重要的，大部分是根據經驗、土體結構特征和曲線的形狀，建立土-水特征曲線的數學模型。為了更好反映SWCC的規律，采用式（3）Van Genuchten模型、式（4）Brooks-Corey模型[9]和式（5）Fredlund-Xing模型，擬合其相關參數，并進行對比分析。

（1）Van Genuchten方程：

式中：θ為土體的體積含水量，θs為飽和含水量;ψ為土體的基質吸力;θr為殘余體積含水量;a為與進氣值有關的參數，kPa;b、c既可作為獨立變量，也可作為約束變量，其中b為在基質吸力大于進氣值之后與土體脫水率有關的土參數，c為與殘余含水量有關的參數。

（2）Brooks-Corey方程：

式中：θ為土體的體積含水量，θs為飽和含水量;ψ為土體的基質吸力;θr為殘余體積含水量;a為與進氣值有關的參數，kPa;b為孔徑參數。

（3）Fredlund-Xing方程：

式中：θ為土體的體積含水量;θs為飽和含水量;ψ為土體的基質吸力;θr為殘余體積含水量;a為與進氣值有關的參數，kPa;b為在基質吸力大于進氣值之后與土體脫水率有關的土參數;c為與殘余含水量有關的參數。

采用Origin軟件對殘積土進行擬合，其步驟如下：

① 定義各個參數的代號;

② 定義因變量與自變量;

③ 輸入參數模型的函數表達式;

④ 根據自變量與因變量之間的關系，輸入待擬合的數據，畫出點圖;

⑤ 輸入各個參數的初始值，其中θs的初始值是始終不變的，進行迭代，當各個參數迭代不變時，擬合結束，得到各個參數的最優值。

4.2 未改性殘積土

未經過改性處理的殘積土參數如表2所列，擬合結果如圖5所示。采用3種模型對玄武巖殘積土進行了土-水特征曲線的擬合，由相關系數可知，Van Genuchten模型模擬的曲線相關系數較高，其次是Brooks-Corey模型，這說明采用Van Genuchten模型擬合殘積土土-水特征曲線的效果較好，同時也表明數據與模型之間有很好的相關性，不同模型所對應的參數不同。

4.3 改性土1

對改性土1進行模擬，得到經驗參數見表3和圖6。由圖表可見，模擬相關參數R2介于0.80～0.90，Van Genuchten、Brooks-Corey這兩種模型模擬結果接近相等，其相關性良好，但相比未改性土的擬合效果略差。Van Genuchten模型所得的殘余含水量低于未改性土的殘余含水量，而Brooks-Corey模型得到的殘余含水量則高于未改性土;與進氣值相關的參數a均高于未改性土的，而b均低于未改性土的，同時c隨著b的速化而降低。這說明改性土的進氣值大于殘積土的進氣值，并且脫水速率和殘余含水率較殘積土的低。因此，改性土具有很好的水穩性。

4.4 改性土2

對改性土2通過Origin軟件進行模擬得到經驗參數如表4和圖7所示。改性土2的相關參數R2介于0.94～0.95，其相關系數良好。Van Genuchten模型的相關系數高于其他兩種模型。根據模型參數的比較，同理證明了改性土2也具有良好的持水性。

由殘積土、改性土1、改性土2三種土樣進行的模擬表明，Van Genuchten模型較好，Brooks-Corey模型次之，Fredlund-Xing模型較差。并且參數隨著不同改性土而變化。由模擬結果顯示，采用Van Genuchten模型較好，Brooks-Corey模型次之。這三種數學模型模擬玄武巖殘積土良好，對改性土2模擬的參數良好，而對改性土1來說較差。

不同種類的土持水性表現出差異性，其中殘積土的持水性較差，改性土1和改性土2持水性較好，即改性土的水穩性較好。但是在用于路基填料時，水穩性方面的研究表明應優先考慮改性土2。

5 結 論

（1）土-水特征曲線的基本形狀有下降段和平緩段，下降段基質吸力對非飽和土的性質影響較大，平緩段影響較小。

（2）體積含水率隨著基質吸力的增大而逐漸減小，二者呈現負相關關系，同時其飽和度與基質吸力也呈負相關關系。通過對未改性土、改性土1和改性土2的對比，改性土持水性相對較好。

（3）對未改性土的模擬表明，VG模型、Brooks-Corey模型和Fredlund-Xing模型這3種模型效果較好，對于改性土2來說這3種模型模擬效果良好，而對改性土1卻是較差的。同時，未改性土的水穩性較差，從水穩性表現考慮應優先考慮選用改性土2。

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（編輯：鄭 毅）