水的形态对土体收缩性及贯入强度的影响

罗 稳,曾召田,刘华贵,莫红艳,肖 锋

(1.广西路桥工程集团有限公司,南宁 530011;2.桂林理工大学 土木与建筑工程学院,广西 桂林 541004;3.广西大学 土木建筑工程学院,南宁 530004;4.广西工程防震研究院,南宁 530004；5.国网湖北省电力有限公司随州供电公司，湖北 随州 441300)

0 引 言

自然界中, 水是土体重要的物质组成部分。 根据水与土颗粒的相互作用,水在土体中赋存的形态一般可分为三类:强结合水、 弱结合水和自由水[1-2]。 不同形态的土中水, 与土颗粒产生不同的相互作用, 从而影响着土体的物理力学性质。 Λ·И·库里契茨基[3]认为粘土矿物的强结合水与粘土表面发生了化学连结, 其实质属于矿物的表面亲水化合物的结晶水, 属固相范围; 弱结合水按其实质属于粘土胶粒扩散层的水。 王平全等[4-6]运用红外光谱法、 离子交换法、 热失重法等方法测定了蒙脱土中结合水的类型、界限及其相对含量;王玉英等[7]对土体的物理力学性质、矿物成分和土中水分做了试验分析;文献[8-10]研究土体热导率随含水量的变化规律,认为含水量变化对土体热导率影响显著;文献[11-13]通过试验研究了土中水形态对土体渗透性质的影响。

尽管国内外对土中水的形态以及对各种物理力学性质的影响做了不少的研究工作,但是很少对土体力学性质的两个常用指标——强度和变形与土中水的形态结合起来研究。本文通过不同含水率的土体收缩和强度试验,试图揭示土中水与土颗粒的结合形态对土体力学性质的影响规律,为工程应用和灾害防治提供理论数据和技术支持。

1 试验土样及物理性质指标

试验土样为广西地区两类典型的特殊土:膨胀土和红粘土。膨胀土取自中国农业科学院水牛研究所试验观测场地(图1a),取土深度为2.0 m,所取土样呈灰白色,裂隙较发育,天然含水量高,裂隙面蜡状光滑,具有典型膨胀土的特征。红粘土取自武鸣县里建华侨农场(图1b),取土深度为3.0 m,所取土样呈黄色、黄褐色,稍湿,硬塑状态,含铁锰质结核及未风化物较多,粘性较强,属碳酸盐岩形成的典型残坡积红粘土。

图1 现场取土Fig.1 Sampling on-site

由于室内试验的试样尺寸相对较小,为保证其均匀性,实验前将两种土样分别风干、过筛,取小于0.5 mm的土颗粒进行研究。处理后两种土的基本物理性质见表1。

2 收缩试验

2.1 试验原理

粘性土收缩是由于土样边界处水-气间弯液面两侧的压力差,这部分压力差不仅与土中水的含量有关,而且与土中水与土颗粒的结合形态有关。本试验通过将相同干密度、不同初始含水量的粘土试样在相同环境下(恒温恒湿箱)风干脱水,测定试样失水前后的体积变化,获得土中水含量对土体收缩性质的影响规律。

2.2 试验过程

采用静压法分别制作两组膨胀土试样(干密度分别为1.1和1.3 g/cm3)和一组红粘土试样(干密度1.1 g/cm3), 试样尺寸: 直径D=61.8 mm, 高h=10 mm。 将制备的试样放在恒温恒湿箱(温度为22 ℃, 湿度为40%)内风干脱水,当试样质量恒定时,土体收缩结束。用游标卡尺测量试样收缩结束后的直径与高度,将试样置于烘箱105 ℃烘干,计算试样的风干含水量ωf。

2.3 试验结果及分析

各组试样的收缩试验结果见表2,体积收缩率与其初始体积含水量的关系如图2所示。两种土3组试样呈现类似的变化规律:干密度相同时,试样的初始含水量越高,失水后体积收缩变化越大;试样的体积收缩率在某临界体积含水量位置出现了突变,当试样初始含水量小于该临界值时,试样的体积变化较小,而大于该临界值时,试样的体积收缩率随初始含水量增大而快速增大。膨胀土试样临界体积含水量位于0.20 cm3/cm3附近,红粘土的临界体积含水量大约位于0.30 cm3/cm3附近。

图2 体积收缩率与初始含水量关系曲线Fig.2 Curves of volume shrinkage and initial water content

3 袖珍贯入试验

3.1 试验原理

袖珍贯入法能快速评定粘性土强度, 它是在被测土样的表面将袖珍贯入仪的测头压入至规定深度, 从而测出测头单位面积的贯入阻力(pt)。贯入阻力包括了测头的底部及周围的土体抵抗贯入的能力。本试验通过此法用于评价粘性土中含水量的变化对土体强度的影响。

表1 土的基本物理性质指标

注: 液限、塑限的测定采取76 g锥分别入土10 mm与2 mm作为标准。

表2 收缩试验结果

3.2 试验过程

采用静压法分别制作两组膨胀土试样(干密度分别为1.1和1.3 g/cm3)和一组红粘土试样(干密度1.1 g/cm3), 试样尺寸: 直径D=10.4 cm, 高h=10 cm。根据制备试样的软硬程度选取合适的测头, 按照《袖珍贯入仪试验规程》测定试样的贯入强度(图3),每个试样的平行贯入测试不少于3次,将平行试验中偏差大的结果剔除,取其余读数的平均值作为试验结果。

3.3 试验结果及分析

仪器的A测头为标准测头, 测杆上滑标靠近零位的一面所示位置即为贯入阻力0t值,使用B、 C测头需根据贯入阻力计算式(1)换算为标准贯入值后再作比较。

pt=K×R/A,

(1)

式中:pt—贯入阻力, 102kPa;A—测头底面积或投影面积;R—贯入读数;K—贯入仪率定系数。

3组试样的贯入试验结果见表3,贯入阻力结果与初始体积含水量的关系如图4所示。 3组试样的贯入阻力随体积含水量增加均呈现出先增加后减小的变化规律。两组膨胀土试样在体积含水量为0.22 cm3/cm3附近出现了最大贯入值,红粘土试样在体积含水量为0.312 cm3/cm3时出现了最大贯入值。相同含水量时,膨胀土干密度为1.3 g/cm3的试样贯入阻力值均比干密度1.1 g/cm3的试样贯入阻力值大,在接近塑限含水量(约为0.40 cm3/cm3)时, 随含水量增加,两者的相对差值已明显减小。 超过塑限对应的体积含水量(0.54 cm3/cm3)时,红粘土试样的贯入强度已经衰减趋于稳定。

图3 袖珍贯入试验Fig.3 Penetration test

表3 贯入试验结果

图4 贯入强度与体积含水量关系曲线Fig.4 Curves of penetration intensity and initial water content

4 试验结果讨论

收缩性与贯入强度分属于土体力学性能不同的两方面,但从以上试验结果可知,两者与含水量的关系曲线均出现了显著的分段性特征,且特征点含水量一致,这表明宏观的土性指标应由深层次的微观机理决定。在前述试验中,含水量是控制土性变化的指标中唯一的变化因素,而随着含水量的变化,土中水的形态必然发生转换,因此可推断出土中水的形态转换是土力学指标变化的关键影响因素。

文献[14]认为,土中水的形态和含水量指标之间可细分为:吸着水含量ωΓ(平衡蒸汽压为p/ps=0.4～0.5时的风干土样), 最大吸着水含量ωMΓ(p/ps≈1); 最大分子容水度ωMMΓ; 塑限ωP, 液限ωL, 这种划分中吸着水相当于结合水。 在含水量逐渐增加的过程中, 结合水的类型转换可分为3个阶段: 第一阶段从干土ωΓ到ωMΓ, 主要形成岛状和多层性质的结合水(主要为强结合水); 第二阶段从ωMΓ到ωP, 发展成毛细管水与多层吸着水(弱结合水); 第三阶段从ωP到ωL, 土中自由水快速形成。

另外,谭罗荣等[15]根据大量试验结果提出了利用风干含水量来计算膨胀土比表面积的方法

(2)

Sb=44.129ω65-10.148,

(3)

式中：ω65为相对湿度为65%时的平衡风干质量含水量;ωf为在相对湿度为Hu时的平衡风干质量含水量;Sb为比表面积。 根据这一公式, 本次试验的膨胀土试样在相对湿度为40%时的平均平衡风干质量含水率为3.12%, 按式(2)、 (3)可计算其比表面积为Sb=180.05 m2/g。

而土中结合水与体积含水量θbw有如下关系[16]

θbw=lδρbS,

(4)

式中：l为结合水层数,δ=3×10-10m表示每层结合水的厚度;ρb为土壤干密度;S为土壤的比表面积。

根据式(4)计算得ρd为1.1 g/cm3膨胀土试样每层结合水的体积为0.059 4 cm3/cm3,而1.3 g/cm3的膨胀土每层结合水的体积为0.070 2 cm3/cm3,因此当临界含水量为0.20 cm3/cm3时结合水的层数约为2.5～3.5层,此时可认为临界含水量对应为最大吸着水含量wMΓ。

可见，在土体发生收缩过程中,含水量从高到低变化时,将受到毛细力及吸附力的共同作用,当试样的初始含水量越高,相邻粘土颗粒的结合水膜越厚,相互间的接触增多,一旦失水收缩时,水膜厚度减小,土-水体系的三相交界面上之弯液面形成毛细吸力增加,导致体积发生显著变化,收缩过程经历的含水量范围越大,体缩率越大,本次试验土样初始最大含水量接近液限,体缩率接近20%。而当初始含水量较低,接近wMΓ时,土-水体系的弯液面消失,失去了毛细吸力的作用,收缩仅由水膜缩小,因此收缩速度大大降低,在收缩曲线上出现明显的转折点。

对于贯入强度,当含水量较低时,少量的水主要以较薄的强结合水膜形态分布在颗粒表面,相邻颗粒间的结合水膜重叠较少,土粒与水膜间未形成粘聚力,此时强度相对较小；随含水量的增加,水膜重叠厚度增加,土水间形成多层强结合水,这种特征在达到含水量wMΓ时最大,根据前文理论估算,此时膨胀土水膜厚度约为(7.5～10.5)×10-10m;当含水量进一步增大,颗粒间水的形态过渡到弱结合水并产生毛细吸力,毛细吸力有助于增加粒间连结,提高贯入强度,但结合水从强结合水转换成弱结合水后,由于弱结合水能从水膜较厚的地方向邻近较薄的地方转移,对颗粒间起到了“润滑”的作用,因此使得土体抵抗贯入的能力降低,这种作用要大于毛细吸力引起的强度增长,因此当w>wMΓ后,贯入强度总体出现下降;当含水量超过塑限,土中自由水增加并连通,能够传递水压力,因此进行贯入的时候,在贯入位置孔隙水压力迅速增长,强度下降到最低值。

5 结 论

(1)通过收缩试验发现,干密度相同的土体,随相邻粘土颗粒间的接触增多,土-水体系的三相交界面上弯液面形成的毛细吸力增加,收缩过程经历的含水量范围越大,体缩率越大。初始含水量较低接近最大吸着水含量wMΓ时,土-水体系的弯液面消失,失去了毛细吸力的作用,收缩仅由水膜缩小,收缩速度大大降低,在收缩曲线上出现明显的转折点。

(2)通过袖珍贯入试验发现,当wwMT后,弱结合水膜厚度的增大在颗粒间起到了“润滑”的作用,这种作用大于毛细吸力引起的强度增长,使得土体抵抗贯入的能力降低;含水量超过塑限后,土中自由水增加并连通,贯入位置孔隙水压力迅速增长,因此强度下降到最低值。

(3)收缩性与贯入强度的试验曲线均出现了显著的分段性特征,且特征点一致,在这两种试验中,含水量是控制土性变化的主要指标,因此认为土中水的形态转换是土宏观指标变化的主要影响因素。有关土中结合水的形态划分及确定有待于进一步的研究。