南阳膨胀土冻融循环后的土水特征试验研究

，建磊， ，

(1. 河海大学 水利水电学院，南京 210098；2. 中国电建集团 中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410014； 3. 江苏省镇江市京口区农业委员会，江苏 镇江 212000)

1 研究背景

随着寒区工程的建设，季节性冻土区的膨胀土由于冻融循环作用产生的潜在危害逐渐引起了关注[1-2]。土水特征曲线(Soil-Water Characteristic Curve，以下简称SWCC)指的是吸力ψ与质量含水率、体积含水率或饱和度之间的关系，本质上反映了非饱和土与吸力相关的持水能力。膨胀土是一种典型的非饱和土，研究其SWCC对分析和预测膨胀土的水力性质、渗透系数以及抗剪强度等具有重要意义。

目前，对于膨胀土土水特征的研究已经取得了一系列的成果。例如，Puppala等[3]用压力板仪测试了Texas天然和改良膨胀土的SWCC，研究了稳定剂对土水特征曲线的影响。边加敏[4]以某边坡弱膨胀土及石灰改良膨胀土为试验对象，结合前人相关SWCC试验结果，对比发现石灰改良膨胀土的水稳定性更好。白福青等[5]完善了“双圈”No.203型滤纸的吸力率定曲线，测试了含水率介于16%～30%的南阳中膨胀土的SWCC。孙德安等[6]利用压力板法、滤纸法和蒸汽平衡法，测出了南阳膨胀土全吸力范围内的SWCC，分析了其滞回效应及脱、吸湿路径下含水率、吸力、孔隙比以及饱和度之间的关系。Miao等[7]测定了南阳膨胀土的土水特征曲线，发现3次干湿循环后，土体的脱、吸湿曲线存在明显的滞回现象，随着循环次数变大该效应逐渐减小。周葆春等[8]通过试验得出了吸力作用下膨胀土的体变方程，分别用重力含水率和饱和度表征的土水特征方程。黄志全等[9]利用滤纸法测得非饱和膨胀土的总吸力及基质吸力SWCC，并使用毛细滞回内变量模型进行计算拟合。由此可见，以往研究成果大多集中在探究干湿、体变、改性等条件对膨胀土土水特征曲线的影响，而考虑冻融条件下膨胀土土水特征曲线的研究还少见报道。

南水北调中线工程的膨胀土渠道容易遭受季节性冻融的影响。本文以南阳膨胀土为对象，采用滤纸法测定经历不同冻融次数的膨胀土吸力，研究冻融循环对膨胀土土水特征的影响规律，可供处在季节性冻土区的膨胀土工程建设及维护提供参考。

表1 膨胀土的基本物理指标Table 1 Basic physical properties of expansive soil

2 滤纸法工作原理

滤纸法最早由Gardner[10]于1937年提出。根据热力学平衡原理，当水气在土体、滤纸、空气之间稳定时，由滤纸含水率及其吸力间的关系(滤纸率定方程)，根据滤纸含水率即可确定被测土体的吸力。

滤纸法的工作原理如图1[5]所示，该方法通过测试从土体向滤纸迁移的水量，得到土体的吸力值，包括接触式和非接触式2种。由接触式滤纸确定基质吸力，由非接触式滤纸确定总吸力。非接触式滤纸放置在土样上部，以便其吸收水蒸气，达到平衡时，滤纸吸收的水分与土体孔隙气体的相对湿度、总吸力有关；当采用接触式滤纸法时，需把滤纸放置在土样内部，使其与土充分接触，此时由土体移动到滤纸中的水份和基质吸力有关(毛细作用和土颗粒表面吸附作用)。通常，为了避免测量滤纸受到污染，用2张保护滤纸把测量滤纸夹在中间，呈“三明治”状叠合在一起[11]。

图1 滤纸法工作原理示意图[5]Fig.1 Configuration of filter paper method[5]

3 试验概况

3.1 试验材料

3.1.1 膨胀土

试验土料为南水北调中线工程输水总干渠南阳段膨胀土，根据土工试验规程[12]相关要求，测试得到的南阳膨胀土基本物理性质见表1。

3.1.2 滤 纸

本次滤纸法试验所用滤纸为“双圈”牌203型定量滤纸，标号等同文献[5]。

本文采用的滤纸率定方程[5,13]为：

式中：ht为总吸力(kPa)；hm为基质吸力(kPa)；wfp为滤纸含水率(%)。

3.2 试验过程

3.2.1 试样制备

由现场试验段的膨胀土填筑料的压实度控制指标为90%，控制土样干密度为1.6 g/cm3。具体制样步骤为：①将膨胀土风干、捣碎，过2 mm筛，使用烘干法测其初始含水率；②按照20%的含水率计算风干土所需加水量，并用喷壶向风干土中均匀喷水，搅拌均匀后装袋密封一昼夜，使水分均匀；③采用击实法制样，试样直径6.18 cm，高5.0 cm，每个试样包括2个高2.5 cm的小样；④合计制备35个试样，编号分成5组，并通过风干脱水、装袋保水、加水浸泡等方法调节试样的含水率，使每组具有7个不同的含水率。

3.2.2 冻融试验

将制备好的试样包裹保鲜膜后放入河海大学水工结构研究所的试验装置[14]中进行冻融试验(精度为±1 ℃)。许雷等[15]的研究表明，冻融循环对南阳中膨胀土物理力学性质影响最大的冻结温度为-10 ℃，本次试验土样在-10 ℃放置12 h，接着在室温(20 ℃)下融化12 h，为一次冻融循环，取经过0,1,2,5,9次冻融的土样进行研究。

3.2.3 吸力量测

将经过不同冻融次数的试样取出，去除保鲜膜，放入事先编号的密封罐中(密封罐高8.5 cm，体积600 cm3)。每个试样中部铺放3张烘干滤纸(上下为保护滤纸，直径6 cm，中间为测试滤纸，直径5 cm)，并用绝缘胶带将土样中部粘贴好;土样上方放置2 cm高的镂空架，架子上放2张非接触滤纸(下面1张起保护作用，上面1张用于测试)，而后封闭密封罐，放入YH-40B型标准恒温恒湿养护箱静置10 d(保温箱温度控制为25～27 ℃，同文献[13]率定基质吸力时所需的条件)，如图2所示。

图2 滤纸法测试膨胀土吸力示意图Fig.2 Illustration of filter paper test to measure the suction of expansive soil

当滤纸含水率平衡后，用镊子将试样中的测试滤纸从密封罐中取出放入干铝盒，用电子天平(精度为0.000 1 g)测量湿滤纸+干铝盒的质量。然后将滤纸及干铝盒放在烘箱内烘烤24 h(温度设定为105 ℃)，称量烘干后的滤纸+铝盒重。将计算所得的滤纸平衡含水率代入滤纸率定方程可得试样的基质吸力hm和总吸力ht，渗透吸力则为总吸力与基质吸力之差(h0=ht-hm)。另外，由于滤纸质量轻、对水分较敏感，在取样及称量过程中应尽量避免手接触滤纸，快速称量，从而避免在此过程中由于滤纸含水率变化而产生的误差。

4 试验结果与分析

4.1 土水特征试验结果

对于每一组的7个试样，经过相同的冻融循环次数后，由试验测得滤纸的平衡含水率，按照式(1)和式(2)得到不同含水率土样的总吸力和基质吸力。土样的含水率由取自试样中心的土体经烘干法测量得到。将经历不同冻融次数(0，1，2，5，9)的土样测得的一系列吸力-含水率试验序列点分别描绘在同一坐标系下，如图3所示，其中wss为重力含水率。其中渗透吸力数值是通过总吸力与基质吸力试验点数值相减所得。

图3 不同冻融循环次数下膨胀土的土水特征曲线Fig.3 SWCCs of expansive soil at different freeze-thaw cycles

由试验数据点趋势可以看出，对于含水率介于14%～26%的南阳中膨胀土扰动样，经过不同冻融循环次数后，其总吸力、基质吸力及渗透吸力均随试样含水率的增加而减小；当土样含水率较大时，渗透吸力与总吸力相差不大；反之当土样含水率较低时，基质吸力与总吸力接近，此时渗透吸力相对较小。这与白福青等(2011)[5]测得的规律表现出较好的一致性。

4.2 土水特征曲线拟合及参数分析

SWCC是非饱和土力学研究中的一条重要曲线，其拟合参数可以反映和分析非饱和土的多种性质，在试验测定的基础上，对试验数据采用一定的SWCC拟合模型，即可将曲线拟合，得到SWCC拟合参数[16]。

描述土水特征的模型，常常由曲线形状和经验总结得到，其中基质吸力SWCC拟合模型中，常用的有Van Genuchten模型、Gardner模型、Fredlund-Xing模型[17]，3种模型的简化方程式如表2所示。为了选择较好的拟合模型，本文分别用以上3种模型对基质吸力-含水率的试验数据点进行曲线拟合，拟合参数及相关系数见表2。

表2 基质吸力与土体含水率的拟合模型表达式及其相关参数Table 2 Expressions and parameters of fitting curves between matric suction and water content of soil

注：hm为基质吸力，ws为饱和重力含水率，wss为重力含水率，其余均为拟合参数

从表2中可以看出，3种模型均可较好地拟合本次试验所得的数据点，但与Gardner模型和Fredlund-Xing模型相比，Van Genuchten模型(以下简称VG模型)相关性更好，因此本文选取VG模型拟合基质吸力随土体含水率的变化关系，得到的基质吸力SWCC，如图3中的粗实线所示。总吸力与土样含水率的关系参照文献[5]采用幂函数模型拟合，拟合公式为lg(ht)=bw-css，其中b，c为拟合参数，ht为总吸力值，wss为重力含水率，总吸力与土样重力含水率的拟合参数及相关系数见表3。

表3 总吸力与土体含水率的拟合模型相关参数Table 3 Parameters of fitting curves between total suction and water content of soil

由表3可见，用幂函数拟合总吸力与土样含水率的相关系数R均在0.99以上，且表达形式简单，拟合参数容易确定，在实际应用中，可以迅速确定土体的总吸力土水曲线，以预测和分析土体的水力性质、渗透性质、抗剪强度等。本试验拟合得到的总吸力SWCC如图3中的细实线所示。渗透吸力与土样含水率的关系采用虚线进行标识，如图3。

为了了解土水特征曲线拟合参数在冻融中变化的规律，将表2中 VG模型和表3幂函数模型中的拟合参数与冻融循环次数关系绘于图4。

图4 hm-wss和ht-wss曲线拟合参数与冻融循环次数关系 Fig.4 Relationship between the fitting parameters of hm-wss and ht-wss curves and the number of freeze-thaw cycles

由图4(a)可知，VG模型参数在冻融循环过程中均先增大后减小，并在第2次冻融后逐渐趋于稳定，稳定的参数取值分别为a≈175，n≈0.7，m≈0.74，即基质吸力与土体含水率经历多次冻融后趋于一个稳定的表达式，此表达式为

(3)

由图4(b)可知，总吸力土水特征曲线的幂函数模型拟合参数b随冻融循环次数增加逐渐减小并趋于稳定，稳定值在8.8左右；拟合参数c在冻融中变化幅度不大，基本稳定在为0.39左右。经历多次冻融循环后土水特征曲线各参数的稳定值可为深入了解季节性冻土区的膨胀土水力、力学特性以及模型建立提供一定的参考价值。

4.3 冻融循环对土水特征曲线的影响

分别采用VG模型和幂函数模型拟合本试验的基质吸力土水曲线和总吸力土水曲线，将不同冻融循环次数下的曲线绘制在同一坐标系下，分别如图5(a)和图5(b)所示。由于渗透吸力h0为计算值，并非实测值，不宜采用曲线拟合，故统计其标记散点，如图5(c) 所示。

图5 不同冻融次数下膨胀土土水特征比较Fig.5 Comparison of soil-water characteristics of expansive soil in different freeze-thaw cycles

从图5(a)的基质吸力土水特征曲线可知，随着冻融循环次数不断增大，曲线总体向左下方偏移，进气值逐渐减小，持水性能降低，其中前2次冻融循环后曲线向左下方偏移得最为明显。这个规律可以用毛细管的Young-Laplace方程来解释,即

(4)

式中：uwa为气泡压力；(ua-uw)b为进气时气压与水压之差，即气泡压力；Ts为水气交界面上的表面张力；Rs为进气材料孔隙的最大有效半径。

由公式(4)可知，孔隙半径越小，进气时压力值越大。由于未经冻融作用的土样孔隙未遭到损伤破坏，其孔隙较小，进气值较大；而经历了多次冻融作用后的土样孔隙在孔隙冰的反复冻结膨胀作用下，产生了较大的有效孔隙半径，使得进气值减小。以往的研究表明，初次冻融循环对土体结构损伤较大，显著改变土体内部的排列方式[18-19]。本试验中，前2次冻融对孔隙的改变作用最为强烈，从而图5(a)中表现出0,1,2次循环进气值差别较大，而后面的冻融作用对孔隙的影响趋于稳定，导致进气值减小趋势基本稳定。

从图5(b)的总吸力土水曲线可知，随着冻融循环次数的增加，总吸力曲线也逐渐向左下方偏移，且同样表现为第1、第2次冻融时，曲线变化最为明显。从图5(c)的渗透吸力统计散点图可知，渗透吸力均随着含水率的增大逐渐减小；经历不同冻融循环次数后，与基质吸力和总吸力土水特征曲线随冻融循环变化规律不同，渗透吸力数值并无太大差别。前期研究表明冻融过程中土样采用保鲜膜包裹能有效地防止水分的蒸发损失[20]，本次试验同样采用该办法防止水分损失，故在冻融中试样的含水率基本维持不变。而在非饱和土中，渗透吸力与溶液浓度有关[21]，不同冻融次数下土样中的溶质浓度基本保持不变，因此渗透吸力的数值基本保持稳定。

5 结 论

本文采用滤纸法测定了不同冻融循环次数下南阳膨胀土的土水特征，并对其基质吸力和总吸力与含水率的关系进行了曲线拟合，主要结论如下：

(1)经历冻融作用后，膨胀土试样的基质吸力、总吸力和渗透吸力均随着含水率的增大而减小，当含水率较大，渗透吸力与总吸力接近相等；当土样含水率较小时，基质吸力与总吸力距离接近，渗透吸力部分相对较小。

(2)在冻融循环中，由于孔隙冰的反复冻结膨胀作用，膨胀土试样有效孔隙半径变大，基质吸力和总吸力土水曲线总体向左下方偏移，进气值逐渐减小，持水性能降低；渗透吸力随着含水率的增加逐渐减小，但经历不同冻融次数的膨胀土试样，其渗透吸力数值并无显著差别。

(3)采用VG模型和幂函数模型分别拟合本试验中的基质吸力土水曲线和总吸力土水曲线，相关系数高，形式简单，便于实际应用。模型参数在冻融循环初始时，波动幅度较大，在冻融循环过程中，参数变化幅度逐渐变小并趋于不变，本试验中的稳定值为：a≈175,n≈0.7,m≈0.74,b≈8.8，c≈0.39，可为深入了解季节性冻土区膨胀土的水力、力学特性以及模型的建立提供参考。