桂林红黏土的土-水特征曲线

孙德安，刘文捷，吕海波

（1.上海大学 土木工程系，上海 200072；2.桂林理工大学 广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林 541004）

1 引 言

红黏土作为一种典型特殊土，是碳酸盐岩风化残坡积，并经过红土化作用而形成的棕红、褐黄等色的高塑性黏土。我国红黏土主要分布在南方热带和亚热带地区，如广西、贵州、云南、广东以及湖南等省份。由于风化和红土化的环境和程度不同，红黏土的地质与工程特性随地域不同而具有明显的差异性。

红黏土具有较差的物理性质和较好的力学性质，这种特殊性质主要是由于红黏土中游离氧化物形成的胶结作用和颗粒间特殊的连接方式造成的。我国学者对红黏土的成因和微观结构做了不少的研究[1－4]，并取得了很好的成果，但关于红黏土的水力-力学特性的研究还较少。本文围绕红黏土的土-水特性展开了研究。

土-水特征曲线（SWCC）是指土中的水分与土中吸力的关系曲线。土中水分可以用重力含水率w、体积含水率θ 或饱和度Sr等参数表示，通过土-水特征曲线可以预测非饱和土的强度和渗透性等，对评估许多岩土工程问题如基坑工程、道路路基及边坡稳定性等都具有重要意义。

刘小文等[5]采用滤纸法对红黏土进行吸力量测，探讨了基质吸力与含水率及干密度的关系；唐军等[6]应用压力板测得了不同干密度下红土的体积含水率与吸力的关系，并用3 种模型对玄武岩风化红土的土-水特征曲线进行了拟合；谈云志等[7]利用压力板仪研究了4 种干密度压实试样脱湿路径下的土-水特征曲线，并从微观结构角度分析了压实土体不同持水性能的原因。压力板法和滤纸法可较好地量测吸力较低情况下的土-水特性，但有些干燥气候下红黏土的含水率很低，并产生开裂。因此，需要研究较高吸力条件下的土-水特性。

本文采用压力板法（吸力范围为0～1.5 MPa）、滤纸法（吸力范围为0～40 MPa）和饱和盐溶液法（吸力范围为3～367 MPa）3 种方法，量测不同吸力范围内桂林红黏土的土-水特性，最终得到了全程吸力范围内的土-水特征曲线，为进一步探究桂林红黏土的水力-力学特性提供有价值的试验数据。

2 试验材料

试验中用红黏土取自桂林市南部的桂林理工大学雁山校区，取土深度为2.4～3.6 m，土样呈红褐色、稍湿、硬塑状态、裂隙不发育、黏性较强。经X 衍射分析法知其矿物成分主要为高岭石(56.59%)、三水铝石(11.44%)、针铁矿(15.61%)，还含有一定量的石英(12.45%)[8]。试验前，将土样风干、碾碎、过2 mm 筛，并烘干后使用，颗粒组成见图1[8]，由图可知红黏土中小于2 μm 的颗粒含量较高，占总量的52.7%。桂林红黏土物理和力学性质指标分别如表1、2 所示[8]，由表1、2 可看出该红黏土的液塑限都较高，属于高液限黏土。

图1 桂林红黏土的颗粒分布Fig.1 Particle size distribution of Guilin lateritic clay

表1 桂林红黏土的物理性质指标Table 1 Physical indices of Guilin lateritic clay

表2 桂林红黏土的力学性质指标Table 2 Mechanical indices of Guilin lateritic clay

3 试验方法

3.1 压力板试验

压力板试验采用美国GCTS 非饱和土固结仪，如图2 所示。试验采用轴平移技术控制试样吸力，试样底面与陶土板相连，陶土板将土样中的孔隙水压和孔隙气压分开，通过控制气压就可以达到控制吸力的目的。

图2 GCTS 非饱和土固结仪Fig.2 GCTS oedometer for unsaturated soils

制样时，首先配制含水率为28%的湿土，充分混合均匀后装入保鲜袋，静置24 h 待水分均匀后取用。试验采用油压式千斤顶配合模具制样，环刀直径为61.8 mm，高度为20 mm。将压实样抽气饱和后，用游标卡尺量测试样直径和高度，并称其质量。然后放入GCTS 非饱和土固结仪中，施加预定的气压，吸力路径为5→10→20→40→80→160→300→500→800→1 200 kPa。

通过观察记录与陶土板下方相连接的水管液面的变化，判定每级吸力下试样的水分是否达到平衡状态。每级吸力作用下稳定后，将土样取出，测量其体积和质量。为了使陶土板处于饱和状态，且陶土板下方无气泡，因此，试验过程中每隔一段时间进行气泡冲刷。试验中每级吸力平衡至少需要4 d，故完成整个吸力路径的试验需要一个半月左右。

吸力小于500 kPa 时，采用进气值为500 kPa的陶土板，吸力大于500 kPa 时，更换进气值为1.5 MPa 的陶土板。气压小于700 kPa 时，直接使用空压机的气源，气压大于700 kPa 时，使用经增压器增压后的气源。

3.2 滤纸法试验

在进行滤纸法试验时，用千斤顶压制干密度相同的10个环刀样，控制含水率范围为7%～34%，即含水率每隔3%左右配制一个土样。

如图3(a)所示，在乐扣盒底部放置3 张滤纸，然后紧贴滤纸放置土样（见图3(b)），土样上方用滤网隔开后再放一张滤纸（见图3(c)），最后将密闭的乐扣盒（见图3(d)）放入恒温室内。放置两周后滤纸与土样中水分达到平衡，测量土样的体积、含水率及滤纸含水率。滤纸的重量用精度为1/104g 天平测量，且在打开乐扣盒后立刻称重量，以免滤纸与空气接触后水分发生变化。

图3 滤纸法试验过程图Fig.3 Sketch of filter paper method

试验采用Whatman No.42号滤纸，率定曲线方程采用Leong 等[9]根据试验结果给出的双线性率定曲线方程。

基质吸力为

式中：ψ为吸力；wf为平衡后滤纸含水率。总吸力为

3.3 饱和盐溶液法试验

饱和盐溶液法是目前最常用的高吸力控制技术之一，通过不同的盐溶液控制环境湿度，从而达到控制土样吸力的目的。本文试验中采用的饱和盐溶液和对应吸力值，是根据全国物理化学计量技术委员会给出的饱和盐溶液标准相对湿度值RH[10]，饱和盐溶液和对应的吸力值如表3 所示。

表3 饱和盐溶液及对应吸力值（20℃）Table 3 Saturated salt solution and corresponding suction

试验分为脱湿和吸湿试验。制备相同初始干密度的环刀样，将其中一部分环刀样抽气饱和后切成小块，放入过饱和的盐溶液上方，进行脱湿试验；另一部分环刀样切成小块放入烘箱烘干后，再放入盐溶液上方，进行吸湿试验。每个环刀样切成8个小块（见图4），每种溶液上方放置两小块饱和样、两小块烘干样，其中一块用于测量吸力平衡后的含水率，另一块用于根据阿基米德原理测量其体积。

土样含水率和体积量测方法是在唐朝生等[11]所用的方法基础上改进的。如图5 所示，先将土块在液体石蜡中预先浸润15 min，使石蜡充满土体表面的孔隙，取出后拭去土块表面多余的石蜡。然后将其放入不规则土样体积量测装置的铝盒内，并浸没于液体石蜡中。天平显示的变化量即为被土块排开的液体石蜡的质量，由试验所用液体石蜡的密度可得到土块的体积。平衡时土样的含水率、孔隙比和饱和度即可计算得到。

图4 供饱和盐溶液法用的试样Fig.4 Samples for saturated salt solution method

图5 土样体积测量示意图Fig.5 Sketch of volume measurement for soil sample

4 试验结果及分析

典型的土-水特征曲线可分为3 段，即为边界效应段、过渡段和非饱和残余段，如图6 所示。在脱湿和吸湿两种过程中，测得的土-水特征曲线是不同的，脱湿曲线总是高于吸湿曲线，这种现象称为土-水特征曲线的滞回特性。对粗粒土而言，滞回区间较小；而对红黏土这种滞回现象更加明显。土体的滞回现象可以用瓶颈效应等进行解释。

图6 典型的土-水特征曲线Fig.6 Typical soil-water characteristic curves

4.1 压力板试验结果

图7为用压力板法测得的桂林红黏土在初始干密度为1.36 g/cm3时压实试样经饱和后的脱湿土-水特征曲线，分别用吸力与含水率、体积含水率和饱和度关系表示。

图7 红黏土的脱湿土-水特征曲线（压力板法）Fig.7 Soil-water characteristic curves of lateritic clay during drying by pressure plate method

根据进气值的定义，在图7(c)中作土-水特征曲线（s-Sr曲线）中下降段的切线，得知红黏土的进气值约为20 kPa。即当吸力大于20 kPa 时土体变为非饱和状态。

试验过程中随着吸力不断增大，试样失水干缩，体积、孔隙比减小，试验结束时，干密度为1.39 g/cm3，比初始干密度大。

4.2 滤纸法试验结果

图8为用滤纸法测得的桂林红黏土的土-水特征曲线。滤纸法可以同时测得总吸力和基质吸力。由于制样存在误差，10个试样中有8个干密度在1.36～1.39 g/cm3范围内，含水率最高的两个试样干密度为1.42 g/cm3。由图可以看出，由于红黏土中并不含有大量的盐分，所以测得的总吸力与基质吸力几乎相等，两条土-水特征曲线几乎重合。

图8 红黏土的土-水特征曲线（滤纸法）Fig.8 Soil-water characteristic curves of lateritic clay by filter paper method

4.3 饱和盐溶液法试验结果

为了研究不同干密度对于土-水特征曲线的影响，试验共制备了4 种干密度的试样，初始干密度分别为1.0、1.2、1.4、1.6 g/cm3。

图9为初始干密度为1.4 g/cm3压实红黏土的土-水特征曲线。饱和盐溶液法测量的是高吸力范围内的土-水特征曲线，只有在吸力较小时脱湿曲线略高于吸湿曲线，而当吸力大于100 MPa 时，滞回现象消失，脱湿曲线与吸湿曲线重合。吸力增大至367 MPa 时，压实桂林红黏土的含水率仅为0.74%，饱和度几乎为0，与Fredlund 等[12]的结论相一致。

图9 红黏土的土-水特征曲线（饱和盐溶液法）Fig.9 Soil-water characteristic curves of lateritic clay by saturated salt solution method

4.4 3 种方法试验结果比较

图10为3 种不同方法得到的红黏土土-水特征曲线。

图10 全程吸力范围内红黏土的土-水特征曲线Fig.10 Soil-water characteristic curves of lateritic clay in full suction range

从图10(a)可以看出，3 种方法在吸力范围重合的区域内，测得的土-水特征曲线能较好地重合，表明3 种方法能够较好地结合起来，测得红黏土全程吸力范围内的土-水特征曲线。

将图10(c)与典型的土-水特征曲线（见图6）进行对比，可发现红黏土的土-水特征曲线的过渡段不是一直线，而是出现3 条不同斜率的线段，中间一段最平缓。

根据谭罗荣等[4]提出的红黏土微观结构模型，红黏土土体内部由黏土矿物颗粒经胶结作用黏聚成较大的粒团，大小不等的粒团再通过胶结物聚集构成更大的聚集体。压实红黏土中的孔隙形式就分为聚集体内孔隙和聚集体之间孔隙两类，两类孔隙的孔径大小差别很大。由于聚集体之间的孔径较大，施加一个很小的气压（20 kPa），红黏土内部聚集体之间水分就会排出；当吸力在100～1 000 kPa 之间时，聚集体之间水分已完全排出，而聚集体内部孔隙较小，土体处于不排水状态，就出现了水平阶段。谈云志等[8]用压力板仪研究压实红黏土持水特性时，得到了类似的试验结果，并用孔隙累积分布曲线解释了土-水特征曲线出现平缓段的原因。

对于图10(c)中，由于滤纸法在制样过程中含水率最大试样的干密度较大，从而计算所得的饱和度与同组数据相比偏高，因此，与压力板法所测数据重合不是很好。

4.5 干密度对于土-水特征曲线的影响

为了研究干密度对红黏土的土-水特征曲线的影响，用饱和盐溶液法进行了4 种干密度试样的试验。

图11为4 种不同干密度的土-水特征曲线。由于干密度为1.0 g/cm3的饱和样非常松散，不易切割成型，故只进行了烘干样的吸湿试验，因此，4 种干密度的比较也以吸湿过程为例。

图11 不同干密度下红黏土的吸湿土-水特征曲线Fig.11 Soil-water characteristic curves of lateritic clay with different dry densities in wetting

由图11(a)可以看出，用含水率与吸力关系表示土-水特征曲线时，吸力在6～367 MPa 范围内，不同初始干密度试样在吸力平衡后，相同吸力下含水率几乎相同，4 条曲线基本重合。因此，可以认为，在高吸力段试样干密度对用吸力与含水率关系表示的土-水特征曲线没有影响。

从图11(b)可以发现，用饱和度与吸力关系表示土-水特征曲线时，当吸力小于50 MPa 时，不同干密度的土-水特征曲线相差较大，干密度越大，土-水特征曲线越高。当吸力大于50 MPa 时，不同干密度试样平衡后的饱和度几乎相同，干密度对土-水特征曲线无影响。

5 结 论

（1）用压力板法、滤纸法和饱和盐溶液法量测了桂林红黏土在全程吸力范围内的土-水特征曲线，试验结果表明，3 种方法得到的结果有较好的一致性，这为量测全程吸力范围内的土-水特征曲线提供了一种较为实用的方法。

（2）红黏土的土-水特征曲线与典型的土-水特征曲线相比，其过渡段不是一直线，而是出现3 条不同斜率的线。这是由于红黏土颗粒是以由粒团聚集而成的聚集体的形式存在的缘故。

（3）当吸力增大到367 MPa 时，压实红黏土的含水率仅为0.74%。从测得土-水特征曲线的趋势看，若吸力继续增大至106kPa，含水率和饱和度应大致为0，与Fredlund 等的结论相一致。

（4）用含水率与吸力关系表示土-水特征曲线时，吸力在6～367 MPa 范围内，不同干密度的土-水特征曲线几乎重合；用饱和度与吸力关系表示时，吸力小于50 MPa，不同干密度的土-水特征曲线相差较大，干密度越大，土-水特征曲线越高。

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