干密度对非饱和黄土土水特征曲线影响

2018-08-27王秀林

山西交通科技 2018年3期

王秀林

（山西省交通职业技术学院，山西太原 030031）

黄土是一种特殊的非饱和土，在外界环境变化作用（如降雨、蒸发等）下，黄土中的液相和气相会随之发生改变，宏观上表现为黄土湿软程度的变化。而在这个变化中黄土中的基质吸力也在发生着变化，基质吸力是非饱和土中特有的一种水势，在一定程度上反映非饱和土基质对水分的吸持能力。基质吸力大小与土体含水率或饱和度密切相关，土体越干燥，基质吸力越大；随着含水率的提高，基质吸力逐渐减小，当土体达到饱和状态时，基质吸力消失。因此，研究非饱和土基质吸力与含水率变化关系是非饱和土研究的重点。

目前，国内外学者在土水特征曲线方面已经进行了一系列的研究，伊盼盼等[1]通过流动试验，对非饱和土土水特征曲线的测试方法进行了研究。宋俊涛[2]基于非饱和黄土的土水特征曲线，对路基内部毛细水分布及其变化规律进行了研究。孙德安等[3]采用室内基质吸力测试试验，对桂林红黏土的土水特性进行了研究，并得出若干有益结论。

可以看出，目前对非饱和黄土土水特征曲线的研究相对较少，土体干密度对非饱和黄土土水特征曲线影响的研究更是鲜有报道。基于此，本文通过结合实际工程，现场取土，在室内制作成不同干密度的黄土试样，并进行基质吸力测试试验，研究不同干密度下黄土土水特征曲线变化规律。

1 土水特征曲线理论

土水特征曲线作为非饱和土的一个重要概念，具有研究意义和价值。其中，非饱和土中基质吸力的存在对非饱和土的抗剪强度有一定影响，在Fredlund[4]提出的经典非饱和土抗剪强度计算公式（式1所示）中将基质吸力作为广义黏聚力的一部分，可以提高土体抗剪强度。因此确定非饱和土土水特征变化曲线，对确定非饱和土在干湿情况下抗剪强度的变化具有重要的意义。

式中：σ为正应力；μa为孔隙气压力；μw为孔隙水压力；(μa-μw)为基质吸力；tanφb为基质吸力系数。

目前，土水特征曲线主要以Van Genuchten[5]提出的S形曲线模型最为典型，如图1所示。从图中可看出，土水特征曲线变化大致可分为3个阶段，其中在阶段I（边界效应区），曲线平缓，土体含水率接近饱和含水率；在阶段Ⅱ（过渡区），曲线变化明显，随着含水率的减小，基质吸力增大，阶段I和阶段Ⅱ临界处（A点）为空气进气点，表示当基质吸力增大到pa时，空气开始进入土体，土体进入非饱和状态；在阶段Ⅲ（残余区），曲线又逐渐趋于平缓，土体含水率最终趋于残余含水率。V-G模型表达式如式（2）：

图1 典型非饱和土土水特征曲线

式中：θ为含水率；θs为饱和含水率；θr为残余含水率；ψ为基质吸力；a、m、n为拟合参数。

2 试验基本情况

2.1 试验土样选取

室内试验黄土取自山西朔州某在建高速公路边坡工程现场，取土现场及土样情况如图2所示。通过室内基本物理力学指标试验，测得所取土样天然含水率为17.6%，天然密度1.8 g/cm3，土颗粒相对密度2.36。通过室内击实试验，测得其最优含水量为18.9%，最大干密度为1.69 g/cm3。

图2 现场取土场地及土样情况

2.2 试验方案

本文室内基质吸力测试采用传统的滤纸法，滤纸法测基质吸力的方法和原理如图3所示。通过将土样和滤纸按一定次序放置于密闭的密封罐中，并将密封罐静置在恒温水槽中，当滤纸与土样之间进行充分的水分交换并稳定后，测其基质吸力。

图3 滤纸法测基质吸力原理

其中夹在土样之间的滤纸测得的是非饱和土中的基质吸力，放置于支架上的非接触滤纸测得的是总吸力。基质吸力的测定通常采用王钊[6]提出的计算公式：

式中：wfp为滤纸含水率。

为研究不同干密度下非饱和黄土土水特征曲线变化规律，分别制备干密度为1.4 g/cm3、1.5 g/cm3和1.6 g/cm3的土样，每个干密度制备4～5种不同含水率，进行基质吸力测试。并采用V-G模型对试验数据进行最小二乘拟合，绘制土水特征曲线。

3 试验结果分析

不同干密度下非饱和黄土土水特征曲线如图4所示，从图中可看出，当干密度一定时，基质吸力随体积含水率的降低而减小；随着干密度的增大，相同基质吸力下对应的体积含水率越小。分析其原因：当干密度较大时，土体较密实，孔隙较小，水分之间的黏结吸附作用较强，同时需要较大的空气进气值才能将水分从土中排出；随着干密度的减小，土体孔隙体积逐渐变大，自由水含量增加导致土中水的吸附潜能降低。