应力状态对土-水特征曲线的影响规律

胡孝彭，赵仲辉，倪晓雯

(河海大学岩土工程研究所，江苏南京 210098)

土-水特征曲线(SWCC)用于描述非饱和土体中基质吸力与含水率之间的关系，这种关系在干燥和增湿过程所呈现的曲线不同。SWCC反映了非饱和土的持水能力，借助它可以间接估计非饱和土的强度［1-2］和渗透特性［3-4］。

前人已经针对土的矿物成分、孔隙结构、应力情况等因素对SWCC的影响进行了深入的研究［5-7］。在岩土工程中，土体总是承受某一水平的应力，会表现出相应的压缩变形，导致土体组构改变，这无疑会影响土体的持水性能，同时非饱和土的力学性状也会随着基质吸力的变化而变化，可见，土体所处的应力状态与其持水特性之间存在很强的耦合作用，因此不能忽视应力状态对SWCC的影响。

传统的SWCC测试装置(如压力板仪)无法施加外部应力和量测体变，Ng等［8］利用改进的体积压力板装置量测了香港地区残积土在K0状态下的SWCC，指出轴向应力越大，土体的进气值越高，体积含水率的变化范围越小。龚壁卫等［9］利用研制的应力式体积压力板仪探讨了应力对膨胀土SWCC的影响，初步研究表明一维固结和各向等压应力状态下膨胀土的SWCC呈线性变化趋势，干燥与增湿过程几乎没有滞后现象。陈正汉［10］通过重塑非饱和黄土的三轴收缩试验，指出不同的净平均应力对应着不同的SWCC，对于相同饱和度的土，作用的净平均应力越大，则对应的吸力越小。实际上土体所受的应力状态相当复杂，不同应力状态下土体的持水特性究竟有何种异同?造成这些差别的根本原因是什么?针对这些问题，笔者采用非饱和土固结仪和双室三轴仪量测不同竖向应力和等向应力作用下的SWCC，以期深入研究应力状态对SWCC的影响规律。

1 试验材料与方法

1.1 试验土样

试验土样取自河南新乡地区，土粒密度为2.68 g/cm3，液限为34%，塑限为16%，砂粒含量(质量分数，下同)为20.7%，粉粒含量为76.3%，黏粒含量为3.0%，最大干密度为1.81 g/cm3，最优质量含水率为16%。根据土的分类方法［11］，该土样属于低液限黏土。

1.2 试验仪器与试样制备

试验仪器主要有2种:非饱和土固结仪(图1)和双室三轴仪(图2)，它们均基于轴平移技术控制试样的基质吸力。非饱和固结仪的主要装备为台架、底座、压力室、加载系统、排水系统、百分表等部件，其中加载系统与常规固结仪相同，杠杆比为1∶12。试验过程中为了减少气压力变化对竖向变形量测的影响，将通往压力室的气压管分为2支，一支经进气孔通向压力室，另一支连接到图1所示的活塞上，由支架将该活塞固定于压力室活塞的正上方，使压力室活塞两端的气压相同。

图1 非饱和土固结仪Fig.1 Unsaturated soil oedometer

图2 双室三轴仪Fig.2 Double-cell triaxial apparatus

双室三轴仪由常规三轴仪改进而来，在分别控制试样基质吸力和净平均应力条件下，通过安装在体变管和排水管上的传感器来测量体变，试样的体变反映为内室水的体积改变，试验加压时内外压力室的压力相等，可以大幅度减小内室体积量测误差。由于压力变化、蠕变、温度变化等会引起体变量测误差，因此采用文献［12］的方法对试验量测结果进行误差修正。

试样的初始干密度为1.65g/cm3，初始质量含水率为14%。对于固结仪试样，采用压样器以静压力制备压实环刀样(直径61.8 mm，高度20 mm);对于三轴仪试样(直径39.l mm，高度32 mm)的制备，采用与试样直径相同的击样筒，分2层击实，制备方法见文献［13］。制备好的试样视为初始状态相同的土样，将其装入饱和器进行抽气饱和，以备使用。

1.3 试验方法

为获得不同应力状态下的SWCC，试验分为固结、干燥和增湿3个过程。将饱和试样分别在25 kPa，50 kPa与100 kPa下固结(分为K0固结、等向固结)，待固结完成后，在控制净应力不变的条件下逐级增加吸力至最大吸力值(300 kPa)，之后将吸力逐级减小至零。应力路径如图3所示。

图3 试验应力路径Fig.3 Stress paths of testing program

2 试验结果和分析

2.1 竖向应力对SWCC的影响

图4为不同竖向应力对SWCC的影响关系。从图4(a)可以看出曲线的性状基本一致，竖向应力越大，初始饱和体积含水率θs越低。Fredlund等［14］提供了一种通过作图来确定进气值的方法:过干燥曲线的下降段作斜线与θ=θs的交点即为土的进气值(uauw)b，如图4(a)所示，该线斜率的绝对值定义为干燥率。半对数坐标系中，对SWCC下降段进行拟合，求得空气进入值和干燥率，见表1。

图4 竖向应力对SWCC的影响Fig.4 Effects of vertical stress on SWCC

从表1可以清楚地看到随着竖向应力的增加，空气进入值增大，这与 V anapalli等［15］的结论有相同之处;另外，干燥率呈现逐渐减小的趋势，亦即干燥曲线越趋于平缓。这是因为试样在竖向应力作用下发生固结，孔隙体积会减小，竖向应力越大，则土颗粒间的胶结越紧密、孔隙比越小且存在一定数量的微孔隙，导致相应的空气进入值越大，SWCC越平缓。

表1 SWCC的进气值与干燥率Table 1 Air-entry value and gradient of drying curve of SWCC

从图4(b)可以看出，随着竖向应力的增加，曲线斜率的绝对值也逐渐变小，即竖向应力越大，增湿曲线越平缓，土体向内吸水越困难。试样在干湿循环后土体的体积含水率均无法回到初始的饱和体积含水率，主要原因在于增湿过程中水无法将土样中存在的气泡完全赶出。

综合干燥与增湿过程考虑，针对某一竖向应力下的SWCC，干燥率明显大于增湿率，同一吸力值对应2个不同的体积含水率θ，主要原因如下:一方面是土中孔隙尺寸大小不均匀，根据Fredlund等［14］的“瓶颈效应”模型，增湿过程中较粗的孔径起控制作用，大孔隙较易进出水分，而干燥过程中吸力大于细孔隙对应的毛管力时粗孔隙保持的水分才能被排出，显然细孔径需要的吸力值大，水分进出较难，这样干燥过程中小孔隙中残余的水分使含水率高于增湿过程吸水时的含水率;另一方面是干燥和增湿过程中水-气分界面接触角大小不同，干燥时小、增湿时大。

2.2 等向应力对SWCC的影响

图5为不同等向应力条件下量测的SWCC，在半对数坐标系中求得空气进入值、干燥率，结果见表1。

2.3 不同应力状态下SWCC的对比

对比不同应力状态下得到的SWCC，可以发现，虽然SWCC形状基本相似，但存在一些明显的差异。等向固结作用下土体的初始饱和体积含水率较相应K0固结小些，SWCC的空气进入值较大，干燥率和增湿率略小。

图5 等向应力对SWCC的影响Fig.5 Effects of isotropic stress on SWCC

固结后的孔隙比与SWCC的空气进入值、干燥率与增湿率之间的关系如图6、图7所示。由图6、图7可以看出，不同应力状态下试样固结完成后的孔隙比与SWCC的空气进入值、干燥率存在良好的线性关系，孔隙比与空气进入值成反比，与干燥(增湿)率成正比。等向固结对土体的挤密变形作用比相应的K0固结强，固结完成后土样的孔隙比更小，空气进入值、干燥率反映土体中毛细力的大小，而毛细力与孔隙体积成反比［15］，因而孔隙比越小，空气进入值越大，干燥速率越小。孔隙比变化的不同导致含水量随吸力的变化也不尽相同，随着基质吸力的增加，试样发生收缩，孔隙比不断减小，干燥率明显大于增湿率。

图6 孔隙比与空气进入值的关系Fig.6 Relationship between void ratio and air-entry value

图7 孔隙比与干燥(增湿)率的关系Fig.7 Relationship between void ratio and gradient of drying(or wetting)curve

图8为不同应力状态下Fredlund等［16］的三参数模型拟合曲线，采用他们的三参数SWCC模型［16］对固结应力为50 kPa，100 kPa下量测的试验数据，用最小二乘法进行拟合:

图8 不同应力状态下的滞回特性Fig.8 Hydraulic hysteresis under different stress states

式中:ψ——基质吸力;a，n，m—— 拟合参数。

由图8可以发现，干湿循环后试样的θ没有回到初始值，且比初始体积含水率低;从吸力在1～300 kPa范围内形成的滞回圈看，应力值越大，土体的滞回特性越不明显，与K0固结相比，相应等向固结应力下土体的滞回特性更弱。固结完成后的孔隙比与滞回圈面积之间的关系如图9所示。由图9可知，孔隙比与滞回圈面积线性相关程度较高，不同固结应力作用下土体的孔隙比不同，孔隙比越大则滞回圈面积越大、持水能力越弱，固结后的孔隙比反映了不同应力状态对SWCC的影响差异。值得注意的是，本试验的孔隙比变化范围不大，其他应力比条件下，孔隙比变化范围较大时该结论的适用性还有待于验证。另外，土体经过干湿循环后会生成新的封闭气泡，它是导致滞回现象的一个重要原因，而孔隙比是土体中孔隙(连通孔隙与封闭孔隙)分布的平均指标，因此，下一步的研究工作应对干湿循环过程中生成的封闭气泡所占的比重加以考虑。

图9 孔隙比与滞回圈面积关系Fig.9 Relationship between void ratio and area of hysteresis loop

3 结 语

采用非饱和土固结仪和双室三轴仪量测在竖向应力和等向应力作用下压实黏土的SWCC，较深入地研究不同应力状态对SWCC的影响规律，试验结果表明:

a.随着固结应力增大，SWCC的空气进入值逐渐增大，土体进气后干燥与增湿曲线的斜率随着应力增加而减小。

b.SWCC的滞回特性随着应力水平的提高而逐渐减弱。

c.与K0固结相比，同一净应力值下等向固结作用下的土体孔隙比更小，对应SWCC空气进入值较大，干燥和增湿曲线的斜率较小，滞回特性也较弱。可见，低应力(＜100 kPa)主要是通过改变土体的孔隙结构来影响SWCC，固结后的孔隙比可以反映不同应力状态对SWCC的影响差异。

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