新疆伊犁地區(qū)低液限粉質(zhì)黏土土水特征曲線試驗研究

葉 濤

(新疆維吾爾自治區(qū)交通建設管理局, 烏魯木齊 830000)

新疆伊犁地區(qū)地處歐亞大陸內(nèi)部,隨著近年來“一帶一路”倡議的持續(xù)推進,該地區(qū)工程建設地位逐漸凸顯。然而,由于特殊的氣候環(huán)境,區(qū)域內(nèi)低液限粉土大多處于非飽和狀態(tài),遇水后物理力學性質(zhì)會發(fā)生較大變化,導致在該區(qū)域進行工程建設較為困難。

土的類型、物理力學特征是反映其工程特性的重要指標。在不同的地理位置、氣候條件、水文環(huán)境、地質(zhì)因素等的影響下,土的性質(zhì)會有較大差異。因此,在進行土體穩(wěn)定性分析前,需要充分了解土的物理力學性質(zhì)。

粉質(zhì)黏土是一種具有特殊工程性質(zhì)的土,既不同于黏性土,又與砂土有所區(qū)別。粉質(zhì)黏土中的粉黏粒含量較多,而粗粒和黏粒的含量極少[1]。粉質(zhì)黏土屬于低塑性土,一般70%以上的粒組為粉粒和細砂粒,含少許黏粒土,比表面積不大、毛細現(xiàn)象突出。低液限粉質(zhì)黏土是粉性土的一種,它具有粉性土的一部分特性,也具有黏性土的一部分特性,因此具有雙重性[2]。在動荷載作用下,粉質(zhì)黏土易發(fā)生液化現(xiàn)象。為了探索粉質(zhì)黏土的性質(zhì)及其處理技術,許多學者從不同角度開展試驗研究,主要集中在粉質(zhì)黏土的一般工程特性、動力特性、試驗技術、壓實穩(wěn)定技術和工藝改良研究等方面[3]。武建民等發(fā)現(xiàn),對于黃土路基填料來說,通過2d的浸水時長來研究浸水時間對黃土路基填料的回彈模量、路基彎沉值更具科學意義[4];劉連喜等通過對武漢地區(qū)粉土的研究,得到其承載力與孔隙和含水率之間的關系[5];陳佳玫研究伊犁重塑黃土在增濕條件下的變形特性,發(fā)現(xiàn)其壓縮性隨干密度提高而減小,隨含水率的提高而增大,含水率較高時,壓縮變形的敏感性會下降[6];汪恩良等研究齊齊哈爾地區(qū)粉土的凍脹特性,考慮了含水率、干密度、冷端溫度的影響,通過線性回歸得到三因素影響下的多元模型[7];阮永芳等以昆明地區(qū)粉土為研究對象,結合實體工程對其物理力學性質(zhì)進行分析[8];王國強等通過地基載荷試驗和原位測試資料對粉土地基的承載力進行評價,并給出不同條件下粉土地基承載力的參考指標[9];袁燦勤等分析統(tǒng)計南京地區(qū)粉土試驗指標與承載力的關系[10];曹右生研究了粉土地基容許承載力與塑性指數(shù)之間的相關性[11];董清華從實際工程出發(fā),對比不同方法下取得的可塑粉質(zhì)黏土的承載力,分析不同方法的適用性和優(yōu)劣[12];黃博等研究粉土的動力特性,通過預振和控制剪切速率的方法來恢復重塑土樣的原狀結構,并與重塑土樣對比,分析試驗過程中孔壓的增長規(guī)律[13];葉銀燦等研究了杭州灣粉土的動強度特性,發(fā)現(xiàn)動強度與固結比和振動頻率密切相關,固結比較低時,動強度低于靜強度,而隨著固結比的增大其動強度也會增大[14];王也等研究南陽地區(qū)膨脹土在凍融作用下土水特性,利用濾紙法測定不同凍融循環(huán)次數(shù)下總吸力和基質(zhì)吸力之間的關系[15];崔宏環(huán)等凍融循環(huán)作用對非飽和粉質(zhì)黏土土水特征曲線的影響,非飽和狀態(tài)下曲線按照Gardner模型進行擬合效果良好,同時凍融作用會導致基質(zhì)吸力發(fā)生變化,進而影響土體的黏聚力[16];盧靖等研究黃土在非飽和狀態(tài)下的土水特性,推導出綜合考慮多因素影響下非飽和黃土土水特征曲線的擬合公式;張愛軍等研究考慮含鹽量下的伊犁黃土試樣的總吸力與鹽溶液濃度呈線性關系[18];蔡國慶等研究砂質(zhì)黃土的土水特性,發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增大,其基質(zhì)吸力逐漸減小,隨著干密度增大,試樣內(nèi)部孔隙減小,結構變得密實,進氣值增大[19];崔凱等研究川西地區(qū)混合土在非飽和狀態(tài)下的土水特性,發(fā)現(xiàn)礦物成分對土體土水特性影響顯著,得到礦物成分以及干密度對土體土水特性的影響機理。親水性礦物含量越高,基質(zhì)吸力越大[20]。

綜上可知,新疆伊犁地區(qū)的低液限粉質(zhì)黏土屬于工程不良土質(zhì),本身具有強度低、水穩(wěn)定性差、凍融敏感等特點。土體穩(wěn)定性分析的傳統(tǒng)方法基于飽和土體強度理論,而土質(zhì)大部分為非飽和區(qū),不能忽略基質(zhì)吸力的作用。因此,土水特征曲線在低液限粉質(zhì)黏土力學性質(zhì)的研究中至關重要。

1 土樣基本物理性質(zhì)參數(shù)測定

土的粒徑大小與顆粒級配是土體重要工程性質(zhì)之一。根據(jù)JTG3034—2020《公路土工試驗規(guī)程》,采用篩分法和試驗密度計法對土樣進行級配分析。圖1為新疆伊犁G578線土樣級配曲線。

圖1 新疆伊犁黃土級配曲線

根據(jù)曲線可知,粒徑小于0.075mm的顆粒質(zhì)量約占62.7%,小于0.02mm的顆粒質(zhì)量約占5.7%。

采用液塑限聯(lián)合測定儀來測定現(xiàn)場試樣的液塑限(見圖2)。制備不同含水率的土樣并分別放入盛土杯中。進行試驗時,將液塑限儀的錐體落入試樣中,并記錄每次錐入深度。試驗得到的土樣錐入深度與含水率的關系見圖3。

圖2 液塑限聯(lián)合測定儀

圖3 錐入深度與含水率關系

根據(jù)規(guī)范,將錐入深度作為土樣的塑限及液限的判定標準,2mm錐入深度對應的含水率即為塑限含水率;17mm錐入深度對應的含水率即為液限含水率。本試驗中,試樣液限為28.6%,塑限為17.7%。由此可得,該土的塑性指數(shù)為10.9,塑性指數(shù)在10～17之間,液限小于50%,故該土屬于低液限粉質(zhì)黏土。

2 土水特征試驗儀器及原理

土水特征曲線指土壤基質(zhì)吸力與含水率的關系曲線,是研究非飽和土性質(zhì)必不可少的參數(shù)。本試驗中,采用壓力膜儀進行土水特征曲線的測定,壓力膜儀見圖4。

圖4 壓力膜儀

壓力膜儀的組成部分包括:壓力室、壓力控制系統(tǒng)(見圖5)、集水管、空氣壓縮機(見圖6)。

圖5 壓力控制系統(tǒng)

圖6 空氣壓縮機

試驗前,首先需將壓力膜儀內(nèi)的陶土板進行飽和。飽和后的陶土板表面孔隙會形成一層收縮覆蓋膜,阻止外部空氣進入陶土板內(nèi)。此時對壓力膜儀進行加壓,會使收縮膜上方和下方產(chǎn)生一個氣壓力差,該氣壓之差為吸力值。在測量過程中,需保持增壓值不大于陶瓷板進氣值。

3 試驗過程

試驗測試前,需要用環(huán)刀制作土樣,環(huán)刀直徑為6.18cm,高度為2cm。對于重塑低液限粉質(zhì)黏土土樣,采用擊實筒來制作。在制備好環(huán)刀試樣之后,需要對其進行飽和。由于土樣滲透性較好,故采用浸水飽和,選用南京儀器廠生產(chǎn)的GDB-1型疊式飽和儀。將環(huán)刀試樣裝入飽和器中,每個環(huán)刀試樣用濾紙及透水石分隔開,并保證上下對齊放置,最后擰緊螺絲,放入水盆中,見圖7。靜置4d即可認為達到飽和狀態(tài)。將飽和土樣稱重,以求得其飽和含水率。

圖7 試樣飽和

陶土板飽和完成后,放入環(huán)刀試樣,將其放置于陶土板上,蓋上壓力室的蓋子并用螺絲將其密封,最后打開空氣增壓泵。在進行壓力控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)前,需檢查排氣閥門是否全部關閉,并仔細查看各閥門位置處有無漏氣現(xiàn)象。檢查完畢后,緩慢調(diào)節(jié)壓力控制系統(tǒng)以達到指定壓力;每次施加一級壓力后,應保證土體排水穩(wěn)定;穩(wěn)定后,在打開壓力室前需將氣體完全排放。隨后取出試樣,并對其進行稱重,以測定當前壓力環(huán)境下土樣的含水率。環(huán)刀質(zhì)量稱量完畢后,重新放入壓力室中,并施加下一級壓力。本次試驗一共采用10級壓力,分別為:20,40,60,80,100,150,200,300,400,500kPa。

4 試驗結果分析

計算每級壓力下的土體質(zhì)量含水率(分別采用Gardner模型、Van Genuchten模型),再對實驗數(shù)據(jù)進行擬合。

Gardner模型為

式中,θ土體質(zhì)量含水率;θs飽和含水率;θr殘余含水率;a為擬合參數(shù),n為擬合參數(shù)。

Van Genuchten模型為

式中,θ土體質(zhì)量含水率;θs飽和含水率;θr殘余含水率;a為擬合參數(shù),n為擬合參數(shù)。

Gardner模型擬合的土水特征曲線見圖8,Gardner模型參數(shù)見表1。Gardner模型擬合公式為

圖8 Gardner模型擬合土水特征曲線

表1 Gardner模型擬合結果

V-G模型擬合的土水特征曲線見圖9,V-G模型參數(shù)見表2。故V-G模型擬合公式為

表2 V-G模型擬合結果

圖9 V-G模型擬合土水特征曲線

由圖8、圖9可以看出,質(zhì)量含水率隨基質(zhì)吸力的增大而逐漸減小,二者呈現(xiàn)負相關關系。土水特征曲線總體分為兩個階段:平緩階段與下降階段。初始土樣的斜率相對平緩,說明其持水性相對較好。而隨著基質(zhì)吸力的增加,土樣處于土水特征曲線的陡降段。這是因為基質(zhì)吸力達到或者超過空氣進入值時,氣體將處于內(nèi)部孔隙連通狀態(tài)或者部分連通狀態(tài)。隨著基質(zhì)吸力的增大,飽和度或者體積含水率均呈現(xiàn)下降的趨勢。

此外,由于Van Genuchten模型擬合曲線中R2值較大,即擬合精確度較高,且該模型應用較廣,故推薦后續(xù)研究選用V-G模型擬合的土水特征曲線。

5 結語

(1)新疆伊犁地區(qū)低液限粉質(zhì)黏土土水特征曲線的基本形狀可劃分為平緩段與下降段。其中,平緩段基質(zhì)吸力對非飽和土的性質(zhì)影響較小,下降段影響較大。

(2)質(zhì)量含水率隨著基質(zhì)吸力的增大而逐漸減小,二者呈現(xiàn)負相關關系。

(3)對土水特征曲線的模擬表明,V-G模型較Gardner模型擬合效果更好。采用V-G模型擬合出的公式,利用質(zhì)量含水率即可快速求出基質(zhì)吸力。