高含水率黏土表层基质吸力的滤纸法测试

姜世新，闫澍旺，纪玉诚

（天津大学建筑工程学院岩土工程系，天津　300072）

高含水率黏土表层基质吸力的滤纸法测试

姜世新，闫澍旺，纪玉诚

（天津大学建筑工程学院岩土工程系，天津300072）

在围海造陆工程中，由于施工成本等原因需要改进密封模式，用淤泥代替泥沙。但由于泥土的开裂性质，易出现密封失效结果，因而需要对淤泥（高含水率土）的开裂性质进行研究。滤纸法测定土中吸力是一种简单有效的试验方法，用接触法可以间接得出土中的基质吸力，而土中的基质吸力是引发土体开裂的重要因素，对于研究无砂真空预压和土中的开裂有着重要帮助，文中在以往滤纸法的基础上对其进行了改进，使其更为简便。试验结果对该方法的准确性、不同厚度土表层的基质吸力、不同厚度土中导致开裂的基质吸力分别进行了推算，很好地印证了较厚土层对于开裂的迟缓反应。

滤纸法；基质吸力；开裂；含水率；土水特征曲线

0　引言

在积多年科研理论研究成果和重大工程施工经验的基础上，对吹填土软土地基的加固，提出了吹填完毕后在吹填土层上直接打设排水板，采用吹填泥自密封的方法进行加固，一次密封加固一段时间后吹填泥表面会干裂漏气，当充分干裂后进行二次吹填泥进行二次自密封，从而可以达到永久密封的目的。但是由于干燥蒸发等作用，土体会发生干燥开裂，因此有必要对土体开裂的主导因素——基质吸力进行研究。

土中吸力的量测有多种方法，按照测量的结果可以分为总吸力的量测和基质吸力的量测。总吸力是表示的土中水的自由能——它是通过与土中水平衡时的部分蒸汽压力得出，而基质吸力为水的自由能中毛细部分，是总吸力的一部分，同另一部分渗透吸力共同构成总吸力[1]。其中总吸力的量测方法与基质吸力的测量方法均有多种，不同的方法所能量测的吸力范围也是不同的，方法之一接触式滤纸法为全范围量测。滤纸法不但可以量测总吸力而且可以量测基质吸力：当干燥的滤纸与土体接触时，土中水分迁移到滤纸上与滤纸达到平衡，此为接触法试验，量测的是基质吸力；当滤纸悬于土样上方时，土中的水分蒸发，水蒸气迁移到滤纸上达到平衡，此为非接触法试验，量测的是总吸力。在得到滤纸的质量含水率后，通过对该型号滤纸的率定曲线可以间接的得出土中吸力。对于滤纸的率定曲线的得出，国外学 者 Fawcett 和 Collis-George 在 1967 年 对Whatman No.42 特 定滤 纸进 行了 率 定[2]， 国 内学 者在此方面的研究不多，蒋刚[3]首 次系统的对其进行了研究，其所使用的为国产双圈牌滤纸，率定结果与文献[2]中基本符合一致，具有良好的一致性，为国内基质吸力方面的研究打下良好的基础。

对于基质吸力的量测，目前国内的研究成果并不多。叶为民、白云[4]等人使 用滤纸法获取了上海地区的软土水土特征曲线 SWCC，唐东旗[5]对陕西地区非饱和黄土的基质吸力做了初步研究，王钊[6]等人对滤纸法的现场量测中的应用做了论证，有进步意义的是王桂尧[7]创新性 地研制了新型基质吸力测量仪，这在国内尚属首例且极具进步意义。

然而，以上文献研究中对基质吸力的研究大多从土壤学理论中入手，从土壤开裂方面开展研究的寥寥无几。并且文献中的试验土样大多为低含水率粉土、黏土，所使用的环刀仪器在试验步骤方面并不适合本文所需解决的高含水率下土体开裂的情况。为了满足高含水率、表层吸力等所需试验条件和结果，本文特此采用了新的吸力量测仪器和方法。

1　土的物理性质

本次所选试验用土为天津大港区工程用土，塑限 26.46%，液限 44.72%，塑性 指数 18.26，土体初始含水率为 80%，由三轴试验得有效内聚力 c＇=0，内摩擦角 φ＇=30°，泊松比 µ =0.35。

2　接触滤纸法

2.1试验原理

如前所述接触式滤纸法是采用在一定吸力土中水分在土体和滤纸重达到平衡，间接通过滤纸率定曲线所得基质吸力见图1。

图1　基质吸力试验示意图Fig.1　Configuration ofmatrix suction test

2.2试验仪器

恒温箱、高精度电子秤 （0.001 g）、玻璃槽（由5块玻璃片构成）、“双圈”牌滤纸、凡士林。

2.3试验方法

以往的接触滤纸法采用环刀取土，两环刀土样夹置3张滤纸来测定土中的基质吸力。但对于含水率较高的土样，环刀无法固定土样阻止其流动，并且环刀的高度数值较大不宜模拟表层土处的厚度，不宜测量表层基质吸力，因此本文提出一种新的试验容器。

选取 11 cm × 11 cm 的主玻璃片，以及 4 小片宽度为 1 cm 的不同厚度的副玻璃片 （1.8mm/2.86 mm/4.52mm） 贴附于主玻璃片上，使其形成一个凹槽，见图2。

图2　玻璃槽Fig.2　Theglass-groove

取3张干燥滤纸叠放，对中间滤纸要事先进行称量。然后取图2中相同厚度的试件两个构成一组，在其凹槽内均匀涂抹土样使其填满，将3张滤纸叠放后置于土样上，用凡士林在4条副玻璃片上均匀涂抹（作用为保持试件内的水分恒定），随后将两试件扣置，将其静置于恒温箱中7~10 d 后即可达到水分的平衡 （见图 3）。

图3　试件组Fig.3　The test piece

待滤纸水分平衡后，取出中间的滤纸并迅速放置于天平上称量，为减少水分的流失，称量过程应在 30 s内完成。然后将滤纸放置于烘干箱内烘干，并测量其质量，得出滤纸的质量含水率。整个过程要细心，取纸时要利用镊子小心地取出，避免与土体接触。所选滤纸为杭州新华造纸厂“双圈”牌滤纸，该滤纸的基本物理指标为：直径7 cm，中速定性，灰分 0.15%，灰分的质量分数0.01%。

利用滤纸率定曲线得出土体表层的基质吸力：lg S=5.493-0.076wf，wf≤ 47%（1）lg S=2.470-0.012wf，wf＞ 47%（2）式中：wf为滤纸质量含水率；S 为基质吸力。率定曲线采用王钊等人文献 [6]中的分析结果。

3　结果分析

3.1滤纸法测试的稳定性

通过对相同厚度的试件表层基质吸力的量测，可以得出用滤纸法测试基质吸力的准确性。表1为6个试件基质吸力的取值。

表1　基质吸力标准偏差Table 1　The standard deviation of thematrix suction

从标准偏差看，3组数据所得的基质吸力误差很小，所测值可以看做是表层的真实基质吸力，表明了此种试验方法的可靠性。在基于此的基础上，本文对基质吸力与厚度和开裂间的关系进行定量分析。

3.2土层厚度与表层基质吸力的关系

因环境保护等原因，近年来砂源地的开采不断遭到当地政府禁止，造价不断提高，对天津等沿海城市软基处理等用砂量较大的工程造成极大影响；急需开发一种没有砂垫层的、适合于大面积吹填土地基加固的新型真空预压技术。在可查的文献或实例中，普遍采用将排水板与真空抽水管道相连接[8-9]，但该方法密封效果方面欠缺。为此，提出将排水板插入土层下一定厚度，用上覆土来替代砂垫层密封。

但是这里涉及到本文考虑的内容，即黏土的开裂和覆土的厚度。土体的开裂会导致密封性的降低，因而需要知道覆土厚度和土层开裂间的关系。而土体的开裂根据线弹性理论和 LEFM 理论，与土层的基质吸力密切相关[10]。因此有必要知道土层厚度与所产生的基质吸力的关系。在相同含水率（未开裂前）的情况下，对不同厚度的土产生的基质吸力做出如图4曲线。

从图4中可以看出在土体未开裂前曲线呈现随着厚度的增加，其表层的基质吸力的数值减小的趋势，两者间关系成反比。这也预示较厚的土层更适合密封真空预压，对于土体的开裂也有着延缓作用。

3.3开裂时土体表层的基质吸力

图4　厚度-基质吸力曲线Fig.4　Curvesof relationship between the thickness andmatrix

初级裂缝的产生可以认为是由于表层处的基质吸力大于土体的抗拉强度而导致的，对于裂缝发展模型，国外学者已做过大量工作[11-13]，而国内在此方面的研究并不多见。

Fredlund[1]（1979）认为非饱 和土体剪切 强 度可以用以下公式表示：

式中：τf为剪切强度；c＇为有效内聚力；σ 为总应力；ua为孔隙气压力；uw为孔隙水压力；φ＇为有效摩擦角；φb为剪切强度随基质吸力增加的因子。

Morris[10]由公式 （3） 推导得出了非饱和土中抗拉强度的公式：

式中：t为抗拉强度；αT为系数，取值为 0.5~0.7，取 0.5。

因此可以看出土体开裂过程中基质吸力的直接影响，并 Morris 根据线弹性理论认为当表层水平拉应力大于土体的抗拉强度时，土体即产生初级裂缝。基于这样的理论基础，本文对开裂时的基质吸力做了初步测定。

试验同样采用3种不同厚度的试件，对于每种厚度的试件在同一时间制备，但搁置晾晒不同的时间段已达到不同含水率后再进行滤纸法的量测。试验结果如图5、图6所示。

图5　含水率随时间的变化曲线Fig.5　Curvesof the relationship between the water contentand time

图6　土水特征曲线Fig.6　The soil-water characteristic curve

从图 5、图 6看出，含水率随时间降低，土层越厚斜率越小，水分丧失越慢；基质吸力则是随着含水率的降低逐渐增大，且在高含水率处增加缓慢，而在低含水率处增势陡增。且在3种土样中未开裂前 （即最大含水率 56%之前），基质吸力与厚度成反比，而开裂后的情况从图5和表2看缺乏规律性，仍待研究。

表2　开裂时基质吸力Table 2　Thematrix suction of the cracking

初始开裂时的情形见图7。

很明显开裂时候的基质吸力在土层厚度较薄时数值更大，越薄的土层导致越大的基质吸力从而引起越早的土体开裂，这也印证了 3.2 节中较厚土层对于密封性更好的结论。

图7　初始开裂情况Fig.7　The picturesof the initial cracks

从数值理论上，可以通过一些假设得到所需的结果：对于淤泥质黏土，c＇可以取为 0，又根据Morris 认为 αT=0.5 tan φ＇，所以式（4）变为：

其中 φb按照 φb= φ＇-5°=25°来取值。

Fredlund 在非饱和土中提出土中水平应力为：

式中：σx为水平方向的总法向应力；σh为竖直方向的总法向应力，σh= γz。

地表开始出现开裂现象时，一般裂隙规模延伸很短，开裂深度较浅。在不考虑孔隙气压力ua情况下，σh-ua≈ 0，式 （6） 变为：

以 1.8mm 为例，即将开裂前的基质吸力值约为 68 kPa，则由式（5）、式（7）可得出：

以上两式可以看出水平应力大于土中的抗拉强度， σx>t，土体会发生开裂，这也与试验观察（图4）所得相同，同理可以得出另两种厚度下的σx、t比较值，均符合以上规律。由此可知表层的基质吸力是预测土中开裂时需要掌握的重要因素。

4　结语

1） 滤纸法对表层的基质吸力量测方法更为简单、实用，但对操作过程要求比较严格，传统滤纸法量测低含水率的土较为适用，对于高含水率的土传统法取土比较困难。本文所用的玻璃槽法很好地满足了所需的试验要求，对于今后的基质吸力量测方法做出了微薄贡献。

2） 本文从理论和试验相结合的角度，阐明了土中的基质吸力为预测土中开裂的重要因素，当土中的水平应力大于抗拉强度时，土中的裂缝开始发展，而这两项均与基质吸力密切相关。不足的是，本文所用理论不应用于普遍情况。

3） 根据所得的测量结果表明，基质吸力与土层的厚度有线性关系，由于仪器的限制无法得出详细的情况，但其规律呈现反比关系，即土层越薄产生的基质吸力越大。

4） 基质吸力在含水率较高时数值很小，且随含水率增加趋近于0，土水特征曲线斜率较小变化缓慢，随着干燥的进行斜率增加曲线变陡；且在开裂时，较薄土层的基质吸力数值很大，容易引起裂缝。

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Surfacematrix suction test based on the filer paper m ethod for the high water content clay

JIANG Shi-xin，YANShu-wang，JIYu-cheng
（SchoolofCivilEngineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

It is necessary to replace the sand with the slurry because of the economic cost in the coastal reclamation project. However， the cracking of the slurry （the high water content clay） should be studied， because the cracking easily lead to seal failure.It is convenientand effective to test the suction using the filer papermethod in the soil and the contactingmethod can gain thematrix suction indirectly，while thematrix suction is important for the crack in the soil so thatwe can study the cracking soil in-depth and no-sand cushion vacuum preloading，and the paper improve themethod to adjust this test.The resultof test isabout the error，the surfacematrix suctions for the varies thickness of the clay，the surfacematrix suctions for the varies thicknessof the claywhen the clay crack，andwe prove that themore thickerabout the soil，the smaller the cracking.

filer papermethod；matrix suction；crack soil；water content；SWCC

U652.2

A

1003-3688（2014）01-0045-05

10.7640/zggw js201401008

2013-06-05

2013-09-09

姜世新 （1990 —），男，山东济宁市人，硕士研究生。主要从事高含水率黏土开裂的研究。E-mail：muyuanshan90@126.com