张家口地区非饱和土土水特性曲线的影响因素研究

郑显春 吴 宝 孙思忠

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

张家口地区非饱和土土水特性曲线的影响因素研究

郑显春 吴 宝 孙思忠

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

针对张家口地区在建工程工地，选取有代表性的非饱和土试样，进行了一系列土水特征曲线试验，分析了试验结果，总结了土样状态、土质、土体孔隙比、土体埋深、土的初始含水量及初始干密度等因素对土水特征曲线的影响.希望对我国非饱和土土水特性研究起到一定借鉴作用.

非饱和土；土水特性曲线；影响因素

0 引 言

在地球表面，干旱和半干旱地区的土，其孔隙中为部分水和气所充填，而在地下水面附近的高饱和度土，其孔隙中也可能溶解了部分气体，所以，可以说，地球上严格意义的饱和土少而少之.所有的岩土工程都会遇到非饱和土问题，因此研究非饱和土是一个值得关注的迫切问题.非饱和土的研究早在上世纪30年代就已经开始了，然而，由于非饱和土的试验研究是一项费时、费钱的工作,而且许多试验操作困难，因此至今国内外非饱和土理论都不是很完善[1].

土水特性曲线(Soil Water Characteristic Curve，SWCC)是土体含水量与吸力的关系曲线，它反映了土壤的持水性能.根据土水特征曲线可以推导出非饱和土的抗剪强度、渗透系数等指标[2].因此近几年，土水特性曲线的研究颇多，但很少考虑不同因素对曲线的影响.

本文通过进行了一系列土水特征曲线试验，分析了试验结果，总结了土样状态、土质、土体孔隙比、土体埋深、土的初始含水量及初始干密度等因素对土水特征曲线的影响.

1 试验方案

试验土样取自河北省张家口地区在建工程工地，选取有代表性的非饱和土试样，试样土质主要为粉土及粉质粘土；取土深度4～7 m，最大取土深度地下7 m，如表1所示.

表1 试样土质及埋深

本次实验采用由加拿大工程院院士D.G Fredlund设计，美国生产的Fredlund SWCC土水特征曲线压力板仪.首先制备试样，试样的直径为61.8 mm，高度为10 mm.试样饱和完成后，迅速将试样安装于陶土板表面，盖好压力容器上盖，调节减压阀施加压力.根据轴平移技术可知，当试样排水稳定后，土样的基质吸力即等于压力容器内施加的气压值.通过双压力仪表和调节阀来控制试样顶部的孔隙气压力Ua，可以使用许多数据样点，从一个土体中得到完全的土水特征曲线[5].本次实验分别进行了不同土样状态、不同土质、不同孔隙比、不同埋深、不同初始含水量及不同初始干密度条件下的土水特征曲线试验.

2 试验结果分析

2.1 初始含水量的影响

本次研究取埋深相同，含水量分别为14.5%、17.5%(最优含水量)及20．5%、23.5%的四组试样进行试验，测出不同含水量条件下非饱和土体的土水特性曲线，如图1所示.

图1 不同含水量非饱和土体的土水特性曲线

由图1可以看出，相同基质吸力条件下，含水量越高的土体，其饱和度越高，因为含水量越高，土体中的水越难排出，则空气进入值增加，故其残余含水量增加，饱和度增高[4].

2.2 初始干密度的影响

本次研究取埋深相同，初始干密度分别为1.69、1.57、1.44 g/cm3的三组试样进行试验，测出不同初始干密度条件下非饱和土体的土水特性曲线，如图2所示.

图2 不同初始干密度非饱和土体的土水特性曲线

由图2中曲线可以看出，当基质吸力较低时，土的初始干密度越大，进气值愈高，其饱和度越低.但当基质吸力较高时，初始干密度低的土体水越容易排出，其脱水速率增大，含水量降低，则饱和度减小.

2.3 土体埋深的影响

取埋深分别为4、5、6、7 m的四组土样进行试验，测出不同埋深条件下非饱和土体的土水特性曲线，如图3所示.

图3 不同埋深非饱和土体的土水特性曲线

图3表示土样埋深对土水特征曲线的影响.由图3中曲线可以看出，埋藏深的曲线进气值大的特点，这是因为埋藏深的相对密实、干密度大，可以认为空隙直径小，所以需要的进气值大.另外从图中还可以看出随着基质吸力的增大土的饱和度降低，最后趋于稳定时埋藏深的饱和度更高一些，这表明埋藏深的持水能力更强一些.

2.4 土质的影响

本次试验选取两组试样，分别为粘土和粉土，其埋深相同，均为4 m，含水量也相差不多，测出不同土质的非饱和土体的土水特性曲线，如图4所示.

图4 不同土质非饱和土体的土水特性曲线

由图4可以看出，在各个基质吸力下粘土的饱和度均高于粉土，这是因为粘土的土颗粒的粒径小于粉土，其塑性高于粉土，则持水能力高于粉土，脱水速率小于粉土，故其进气值偏高，饱和度偏高.

2.5 土体孔隙比的影响

对孔隙比分别为0.86、0.74、0.65的三组土样，进行试验，测出不同孔隙比条件下非饱和土体的土水特性曲线，如图5所示.

图5 不同孔隙比非饱和土体的土水特性曲线

由图5中曲线可以看出，孔隙比越小的曲线饱和度越大的特点，这是因为孔隙比小的土相对越密实，可以认为空隙直径较小，所以需要的进气值较大.

2.6 土样状态的影响

本次试验进行了大量的原状土的土水特性曲线测试，为了探讨土样状态对土的土水特性曲线的影响程度，对张家口市内5 m深的粉土制备了重塑土样，分别测定了原状土样和重塑土样的土水特征曲线，如图6所示.

图6 不同土样状态非饱和土体的土水特性曲线

如图6所示，从曲线上看出，重塑土样的饱和度均高于原状土样，这可能是由于土样经过击实后，密实度增大，所以进气值均高于原状土.

3 结 论

本文进行了一系列土水特征曲线试验，根据试验结果分析了初始含水量、初始干密度、土体埋深、土质、土体孔隙比、土样状态等因素对土水特征曲线的影响.可以得到如下结论：

(1)含水量低的土体空气进入值低，土体中的水越容易排出，同样基质吸力下其饱和度也越高；

(2)当基质吸力较高时，初始干密度低的土体水越容易排出，其饱和度小于初始干密度高的土体；

(3)埋藏深的土体持水能力更强，同样基质吸力下其饱和度更高一些；

(4)粘土的持水能力均高于粉土，即土体越密实，持水能力越高，同样基质吸力下其饱和度也越高；

(5)孔隙比小的土体需要的进气值较大，其饱和度也越高；

(6)原状土样比重塑土样有较低的进气值和较高的持水性能，同样基质吸力下其饱和度均低于重塑土样.

希望本文的研究结果对我国非饱和土土水特性研究起到一定借鉴作用.

[1]卢靖，程彬.非饱和黄土土水特性曲线的研究[J].岩土工程学报，2007(10)

[2]刘翠然，李红帅，贺鹏程.非饱和土的土水特性曲线的试验研究及应用[J].云南水力发电，2005(1)

[3]栾茂田，李顺群，杨庆.非饱和土理论土-水特性曲线[J].岩土工程学报，2005(6)

[4]凌华，殷宗泽.非饱和土强度随含水量的变化[J].岩石力学与工程学报，2007(7)

[5]孙树国，陈正汉.压力板仪配套及试验的若干问题探讨[J].后勤工程学院学报，2006(4)

Research on the influence factors of unsaturated soil soil-water characteristic curve in Zhangjiakou area

ZHENGXian-chun，WUBao，SUNSi-zhong

(Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering，075000,Zhangjiakou，Hebei,China)

The author selects some typical unsaturated soil specimens in some construction sites aiming at Zhangjiakou area,and mades a series of soil water characteristic curve test.The author analyzes the test results,and summarizes the influence of the soil sample status,soil texture,soil interspace ratio,soil depth,the initial water content and initial dry density for soil-water characteristic curve.The author hopes that the conclusion can play a reference role to the unsaturated soil soil-water characteristic research to our country.

unsaturated soil；soil-water characteristic curve；influence factors

2015-06-23

住房和城乡建设部科研项目(2012-k3-7)

郑显春(1972-)，女，副教授，主要从事土木工程科研与教学工作.

TU 4

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