泾阳南塬非饱和土的土—水特征曲线试验研究

郭 媛 媛

(山西省建筑科学研究院有限公司，山西 太原 030001)

土—水特征曲线(SWCC)是用来表示非饱和土体中基质吸力与含水率关系的曲线，也是非饱和土抗剪强度方面的重要研究工具。因此，为更加准确地获得土—水特征曲线，首先需要更加精准地测出土样中的基质吸力。

当前研究中常见的测量基质吸力的方法很多，其中滤纸法与其他试验相比具有以下优势：1)测量范围较大，一般可得到0 kPa～3×105kPa范围内的基质吸力；2)原理简单、造价低廉，对土样结构影响较小；3)可清楚反映基质吸力与土样含水率的关系及变化趋势。克服了其他多数方法存在的测量条件难以实现、试验过程时间过长或者试验精度较低等问题。

根据滤纸与土样的接触状态通常可将滤纸法分为两类：接触型和非接触型[4]，分别如图1a)，图1b)所示。为更加准确可靠测得土样中的基质吸力，本次试验采用接触型滤纸法。

由于滤纸材质具有空隙大、吸水速度快的特点，封闭条件下的干燥滤纸在完全接触土样时不断吸收土体内部的液态或者气态水分子。从能量守恒角度分析，在水分达到平衡时，二者的水分交换停止，此时土体与滤纸具有相同水平的吸力，由此可通过替代的方式间接测得土样中的基质吸力。接触型方法的具体原理示意图如图2所示。

1 泾阳南塬区域概况

本次研究区域泾河位于陕西省泾阳县城，河流走向由西北至东南。取样地点位于泾河右岸，处于渭河地堑的北缘断裂带中段，为咸阳北塬的四、五级阶地斜坡带，是渭北黄土台塬的组成部分。

试验区域从底层出露情况分析，属于典型的黄土—古土壤序列，即分布有L1～L9全部地层，从上到下依次为Q3马兰黄土、Q2离石黄土、Q1午城黄土，典型剖面如图3所示，具有地层清晰、代表性强的特点。本次试验选取的土样是位于坡脚处的早更新世上部Q1黄土L9，一般在塬边局部坡脚部位有出露，深度距地表70 m～72 m。 L9土层为淡灰黄色粉砂质黄土，密实性比Q3和Q2黄土更好，透水性较低，颗粒较粗，是塬区含水层，厚度约为4 m～6 m。

2 基本物理指标

室内试验依据GB/T 50123—1999土工试验方法标准进行，得到L9黄土原状试样基本物理指标参数见表1。

表1 L9地层的基本物理指标表

3 试验流程及操作要点

3.1 试验准备

3.1.1率定方程的选取

为了更加准确测得土样基质吸力，结合已有相关理论和实践研究结果，本次试验采用ASTM D5298—10[5]中给出的双线性基质吸力率定方程和Whatman’s No.42型滤纸，率定方程如式(1)所示。

(1)

其中，ψ为基质吸力；wf为滤纸质量含水率的百分数。

3.1.2所需材料与工具

1)大小滤纸若干、铝盒；2)烘箱，控制温度(105±5)℃；3)恒温箱，控制温度(20±1)℃；4)分析天平(精度0.000 1 g)、电子秤；5)锡纸，代替ASTM推荐方法用的密封罐来密封试样；6)保湿器和干燥器，干燥剂使用变色硅胶即可，凡士林；7)无气水、2%福尔马林溶液；8)医用胶皮手套、防水胶带、石蜡、保鲜袋、镊子、刷子、剪刀、滴管等。

3.1.3前期准备工作

1)处理滤纸。采用浓度为2%福尔马林溶液将备好的滤纸浸泡后，放入温度为110 ℃烘箱内，烘干时间不小于16 h，置于干燥器内备用。2)烘干铝盒。试验所需铝盒均采用无气水清洗干净，放入温度为110 ℃烘箱内，烘干时间不小于8 h，结束后将全部铝盒冷却至室温，用分析天平称量干燥铝盒质量并记录(精确至0.000 1 g)备用。3)用电子秤称量已标记的干净环刀的质量并记录，制作一定数量的原状环刀土样(增湿和减湿试验分别若干组)，每两个环刀土样为一组，对应一组预定含水率，再次用电子秤称量每个环刀土样的质量并记录备用。

3.2 增湿试验步骤

1)将环刀试样放入温度105 ℃烘箱内，烘干时间不小于12 h，烘干结束后称重并迅速放入保鲜袋中密封保存，将保鲜袋编号记录后置于干燥器内，为防止水分吸收影响试验结果，将变色硅胶一同放入干燥器内。

2)每两个环刀试样对应一组预定含水率，用胶头滴管将无气水均匀滴入环刀样，使每组土样均达到预定的含水率。为保证土样中的水分均匀扩散，将土样装入保鲜袋密封并放入保湿器中，静置时间不小于72 h。

3)待土样水分扩散均匀后，先迅速用略大的保护滤纸夹住备好的小滤纸，并快速置于每组环刀试样中间，保证二者紧密贴合。如图4所示，在环刀接缝处用防水胶带缠绕两圈，密封接口后用锡纸将土样完全包裹好，如图5所示。该过程要保证迅速且避免剐蹭土样。

4)将石蜡融化后，用刷子蘸取适量将锡箔纸周围涂抹均匀，冷却凝固后用标签纸记录标记并置于恒温箱中静置15 d以上，如图6所示。

5)测湿滤纸质量。将静置足够长的时间(保证换刀土样和滤纸之间的水分交换达到平衡)拆封在3 s～5 s内迅速取出每组环刀土样中的小滤纸放入备好的铝盒中，并完成湿滤纸+铝盒的质量称量过程，另外称量平衡后的环刀试样质量并记录。

6)测干滤纸质量。将装有湿滤纸的铝盒盖子保持半开状态放入110 ℃烘箱内，烘干时间不小于2 h，结束后先将烘箱所有气孔封闭，再迅速将烘箱内铝盒盖子完全盖上以免滤纸重新吸收水分。保持当前状态继续在不加温的烘箱内静置15 min以上，用分析天平迅速测量干滤纸+热铝盒的质量，并在取出干滤纸后单独称量此时的热铝盒质量，以此完成干滤纸的质量测量工作。

7)计算土样基质吸力。通过以上步骤可分别测得滤纸含水率、土样含水率，根据ASTM D5298-10中给出的双线性基质吸力率定方程式(1)，计算得到各个预定含水率下的土样基质吸力。

3.3 减湿试验步骤

1)固定土样。将用于减湿试验的环刀土样的上下两端依次放置滤纸和透水石，置于叠式饱和器中垂直叠加至上端夹板并拧紧螺丝，如图7所示。

2)饱和土样。将叠式饱和器置于压力条件为-100 kPa的真空泵中，每次抽真空20 min以上后关闭压力条件，循环操作3次以上。然后在真空状态下打开进水阀门，让无气水完全没过饱和器后静置8 h以上。

3)制作若干组预定含水率的环刀土样。将饱和的环刀土样取出，分别经过自然风干至预估含水率，剩余步骤与增湿过程步骤3)～7)相同。

3.4 试验结果及分析

根据质量含水率由式(2)计算可得土样的体积含水率，结合增湿和减湿试验所得基质吸力，可得泾阳南塬L9土层增湿和减湿路径下的土—水特征曲线，如图8所示。

(2)

其中，w为质量含水率；ρw为无气水的密度；ρd为干密度；θ为体积含水率。

图8基本可展现出本次试验的泾阳南塬L9土层较为完整的土—水特征曲线形态，由此可知：

1)本次采用的接触型滤纸法具有一定的适用性，并且具有可测得大范围基质吸力的优越性；

2)两条曲线整体呈现一致趋势：随土样体积含水率的增加，基质吸力逐渐减小，且在体积含水率的中间值范围内变化速度最快，在曲线开始和结尾阶段变化较平缓；

3)相同体积含水率对应的两种路径下的基质吸力差异较大，在中间阶段差异更加明显；

4)在整个体积含水率的变化范围内，减湿曲线均位于增湿曲线上方，结合试验过程可知在孔隙水排出或吸收相对迅速的区域里最明显，较准确地验证了SWCC的滞后特性。

3.5 试验曲线的拟合

VG模型是非饱和土的研究中常用的拟合模型，由Van Genuchten于1980年提出。该模型物理意义较明确，适用的基质吸力范围较广泛。本文采用该模型并结合Origin软件分别对泾阳南塬L9土层增湿、减湿路径下的土—水特征曲线进行拟合，拟合图形及拟合参数分别如图9,表2所示。

表2 拟合参数表

(3)

其中，θr为残余体积含水率；ψ为孔隙水压力；n与SWCC曲线的整体所呈现的形状有关，m=1-1/n;a,n,m均为土—水特征曲线拟合时采用的参数；θ为体积含水率；θs为饱和体积含水率。

通过表2分析可知，两种路径下的拟合点数据与试验操作计算所得实测值的相关系数均超过98%，表明采用VG模型与实测数据曲线拟合程度较好，精度较高。

4 非饱和渗透系数的估算

首先，本次试验通过饱和渗透系数与Van Genuchten模型的结合，可获得非饱和渗透系数的经验公式如式(4)所示：

(4)

其中，kw为非饱和渗透系数；ks为饱和渗透系数；Se为有效饱和度；a，n，m均为优化参数，m=1-1/n；ψ为土体基质吸力；将试验所得相关数据与已有研究资料中的饱和渗透系数ks相结合，采用上述非饱和渗透系数的经验公式，可估算得出泾阳南塬L9土样增湿和减湿路径下的非饱和渗透系数，具体可见图10。

5 结语

1)基质吸力随土样体积含水率的增大逐渐减小，且在体积含水率的中间值范围内变化速度最快，在曲线开始和结尾阶段变化较平缓，由此可见非饱和土的工程性质受含水率的影响很大；2)不同路径下，相同体积含水率的基质吸力差异较大，在中间阶段差异更加明显；3)本次试验较准确地验证了SWCC的滞后特性及接触型滤纸法测量大范围基质吸力的优越性；4)非饱和渗透系数难以直接测定，本文通过滤纸法得到泾阳南塬研究区内的L9土层的增湿和减湿路径的SWCC，再结合非饱和渗透系数经验公式得出非饱和渗透系数与基质吸力的关系曲线，为相关工程应用和实践操作提供部分数据支持。