改性玄武岩残积土土-水特征曲线试验研究

程学磊 张瑞敏 李岩

摘要：为研究地下水对改性玄武岩残积土的影响，采用经过石灰、粉煤灰和水泥改性处理的两种不同配比及未处理土（对照组）进行土-水特征曲线试验，并对试验数据进行了数学模型拟合。研究结果表明：① 土-水特征曲线由下降段和平缓段组成，下降段基质吸力对非饱和土的性质影响显著，平缓段影响不显著;② 体积含水率随基质吸力的增大而逐渐减小，同时改性玄武岩残积土饱和度与基质吸力表现出相似变化特征，说明改性后的玄武岩残积土持水性良好;③ Van Genuchten模型、Brooks-Corey 模型和Fredlund-Xing模型与试验一致性较好，其中上述模型对改性土2来说模拟效果良好，改性土1次之，考虑到水稳性应优先选用改性土2。

关 键 词：玄武岩残积土;土-水特征曲线;基质吸力;含水率;饱和度

中图法分类号：TU411

文献标志码：A

文章编号：1001-4179（2021）09-0203-06

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.033

0 引 言

玄武岩残积土是由玄武岩完全风化后，残留原地或经过短途搬运后堆积的特殊土。中国西南地区分布着大量玄武岩残积土，由于受到冬干夏湿、多雨、亚热带高原气候的影响，其风化物具有稳定性差、孔隙比大、液塑限高、强度低等特性，导致路堤与路基易发生工程事故和地质灾害。因此，开展玄武岩残积土的物理力学特性研究，并在此基础上提出工程治理方案很有必要。

土-水特征曲线（SWCC，Soil-Water Characteristic Curves）是指吸力与土的含水率之间的关系曲线，它与非饱和渗透性紧密相关，同时也反映吸力作用下土体的持水能力[1-2]。在非饱和土力学中，土-水特征曲线主要用于估算土的渗透系数、强度、应力状态以及土力学特征参数[3]。土力学中的土-水特征曲线试验相對较晚，并且发展缓慢，困难在于土力学中进行土-水特征曲线试验研究时，不仅需考虑土体成分和结构的影响，还要考虑应力状态的影响[4]。国内外诸多学者虽然进行了大量的干湿循环试验、崩解试验、土-水特征曲线试验研究，但是主要以传统的黏性土、黄土以及膨胀土研究为主[5-10]。已有研究将理论、试验测试与预测方法有机地联系起来，解释了非饱和土性状的主要本构关系 [11-16]。

目前针对玄武岩残积土的研究较少，对工程处理措施的研究更少，故本文基于已有成果和经验对改性玄武岩残积土进行土-水特征曲线展开试验研究，并分析试验结果;采用经验模型模拟改性土土-水特征曲线的相关参数，对参数的拟合结果进行分析。

1 试验仪器及试验原理

1.1 试验仪器

试验采用美国SOILMOISTRUE综合压力板仪，如图1所示。压力板仪器是量测非饱和土土-水特征曲线的基本仪器之一，主要由供气系统、调压阀、压力锅及盛水容量瓶等组成。供气系统由高压氮气瓶、减压阀构成。减压阀起粗调作用，将氮气瓶里的高压气体变成低压气体;调压阀起到细调作用，以精确控制给压力锅输入的气压力值。根据改性土有关力学性质，选用进气值分别为5 bar和15 bar的陶土板。

1.2 试验原理

土样放在透水不透气的陶土板上，排水管与陶土板、通向大气的钢管相通。在压力板仪器内施加不同的氮气值，相当于施加不同的基质吸力。其本质是采用轴平移技术试验，主要测定土样在不同的基质吸力作用下的含水量，研究失水过程中的土-水特征曲线（SWCC）。由氮气施加给土样基质吸力，其大小采用传感器测定，由压力表读取。含水量是由在每级平衡下试样的质量与初始质量之差，通过换算得出体积含水率或饱和度。

参照GB-T50123-1999《土工试验方法标准》中增加的水量公式和饱和度公式进行干密度代入换算得出饱和度，具体公式如下：

式中：ρd为制备试样所需的干密度，g/cm3;Δm为制备扰动土样应增加的水量，g;v为计算出所用环刀容积，cm3;Sr为饱和度，%;ρ为饱和后的密度，g/cm3;Gs为土粒比重;e为土的孔隙比;ω′为土样所要求含水量，%;ω为饱和后的含水量，%。

2 试验方案与步骤

2.1 试验方案

试验土样取自贵州省赫章县毕节高速路段代表性土样。将取得的土样混合后放置通风处风干，然后在橡皮板上碾碎，分别取一定量的土过5.0，2.0，0.5 mm的筛，为物理力学特性试验做准备。试验操作方法和制作工程严格按照GB/T 50123-2019《土工试验规程》，展开对残积土的物理试验。玄武岩残积土的物性指标如表1所列。

试验土样取800 g。由于土粒较细，首先把800 g土样先用蒸馏水进行水洗，得到粒径大于0.075 mm的土颗粒不到10%，故将粒径小于0.075 mm的土颗粒进行烘干，取30 g用密度计法进行颗粒分析试验，颗粒分布曲线如图2所示。

该玄武岩残积土的液限大于40，塑性指数在10～17范围内，残积土属于粉质黏土。

根据改性试验研究得出的最佳配比，制作未改性土、改性土1（填料占干土质量的百分比为8%石灰、8%粉煤灰、2%水泥[17]）、改性土2（8%石灰、6%粉煤灰、2%水泥）（在改性1的基础上经过优化分析得出的）3种土料。对未改性土和两种最佳配比土进行比较和分析，每组有3个平行处理试验。

试验中，石灰采用消石灰粉，粉煤灰取自青山热电厂火电厂锅炉燃烧后的排放物，属于二级粉煤灰（2.0 g·cm-3），其化学成分主要是SiO2、Al2O3和Fe2O3，三者总和一般超过70%，称为硅铝玻璃体，含量越多，活性越大，另外还有少量的CaO、MgO和SO3等。水泥采用42.5的普通硅酸盐水泥。

2.2 试验步骤

对3种土样进行土-水特征曲线试验，为了避免引起误差或试验重复操作，应严格按照以下操作步骤进行。

（1）土样的饱和。

采用直径6.18 cm，高2 cm的环刀制作试样，按标准进行养护。将养护好的试样采用重叠式的饱和装置进行饱和：首先，在饱和装置夹板上依次放透水石、滤纸、试样、滤纸、透水石;其次，重复放置，一般一个饱和装置放置4～8个;拧紧螺母，将装有试样的饱和装置放入真空罐中进行饱和，启动抽气机，当真空表达到一个大气压值左右后，继续抽气2 h;最后注水，待水淹没饱和器后，停止抽气，静置24 h，以保证试样充分饱和。

（2）饱和陶土板。

将选定好的陶土板浸润，放入蒸馏水中24 h，然后把三角形支撑架摆放在提取压力容器的底部，放入陶土板，目的是使较低位置的陶土板不接触到提取容器底部。然后，将3个塑料垫片互成120°放在第一块陶土板上，之后放入第二块陶土板，按同样方法放置第三块陶土板。放置好陶土板，连接好外部水管配件，小心地向各压力板表面添加少许蒸馏水。盖上板盖，拧紧螺丝，调节气压控制阀至10 kPa，使氮气施加的压力通过顶部依次向下进入压力板中。由于压力的作用，蒸馏水会慢慢地从钢管流出，直至蒸馏水不再流出，达到平衡，此过程进行2 d。

（3）土样放入压力板仪器内及施加压力。

陶土板和试样均饱和后，将饱和的试样依次从饱和装置卸下来，打开压力板仪，将称取过的饱和土样放在陶土板上。在放置试样过程中，试样一定要轻拿轻放，以免水分蒸发，同时注意避免土样脱落或者破坏，从而影响试验结果的可靠性。

盖上板盖，拧紧螺丝，调节气压力阀到10 kPa，使试样在此气压下平衡。

（4）称取平衡状态下的土样质量。

采用比重瓶测定从钢管流出的水，当比重瓶和水的质量不变或者出现下降的趋势时，则表明试样在此压力下平衡，其时间大约为8 d。然后对其进行放气，将气压控制阀调至为0 kPa，取出试样，称取试样质量。

称取试样质量后，依次把陶土板放入压力板仪中，并依次放入试样，按步骤（3）和（4）继续加压，本试验测定10，30，50，76，130，260，300，465，730，960，1 200，1 370 kPa下达到平衡后的质量。

（5）计算并绘制土-水特征曲线图。

根据在每级作用下试样质量的变化，计算出相应的体积含水率或饱和度，然后以基质吸力为横坐标，体积含水率或者饱和度为纵坐标，绘制土-水特征曲线。

3 试验结果分析与讨论

3.1 典型的非饱和土土-水特征曲线

典型非饱和土的SWCC分为3个阶段，即边界效应阶段、转化阶段以及残余阶段[18]，如图3所示。

图中A点为进气值，是土样由饱和变成非饱和的分界点，当所给的吸力增大到一定值时，气体开始进入土中，随着基质吸力的增大，至进气值时，气体开始进入土体最大的孔隙中。B点为残余含水率θr，当土体含水率低于该值时，基质吸力增大得比较迅速。

对于非饱和SWCC的研究，学者提出了很多实用的SWCC模型，但是由于土中水和土体之间的相互作用比较复杂，目前尚未有理想的理论模型，经常用的多为经验模型。本文采用常见的Van Genuchten模型、Brooks-Corey模型和Fredlund-Xing模型，对所测的试验数据进行拟合，并进行对比分析[19-20]。

3.2 试验结果及分析

试验基质吸力控制序列取12个等级，历时86 d，这3种不同种类的土的体积含水率、饱和度与基质吸力的关系变化如图4所示。

由图4可见：体积含水率随基质吸力的增大而逐渐减小，二者呈现负相关关系，同时其饱和度与基质吸力也是呈负相关关系;残积土变化相对较大，改性土1和改性土2变化不太明显;残积土在开始下降得较快，但是随着基质吸力的增大，趋于平衡，体积含水率整体下降了12.4%，饱和度下降了26%。改性土1和改性土2均在0～30 kPa曲线下降较快，但是之后也都趋于平缓变化，其体积含水率分别下降了2.1%，2.6%，饱和度下降了4.6%，6.0%。

试验所得的土-水特征曲线与典型的非饱和土-水特征曲线有明显的差别，说明改性残积土的土-水特征曲线不完整，主要原因就是压力过小，压力板仪器的进气值较小。曲线总体分为两个阶段，下降阶段和平缓阶段。工程中，大部分非饱和都处于土-水特征曲线的下降段，这是因为土体的基质吸力达到或者超过进气值时，气体就会处于内部孔隙连通状态或者部分连通状态，所以随着基质吸力的增大，饱和度或者体积含水率均呈现下降的趋势。由图3可知，其基质吸力在较小时就达到了进气值，几乎整个阶段都处于SWCC的下降区段。这是因为随着基质吸力的增大，氮气填充并占据了土体较大的孔隙通道，体积含水率或者饱和度也会快速下降，最终使非饱和土的性质产生很大的变化。随着土体水分的减少，基质吸力增大，水分很难排出，从而土-水特征曲线逐渐变得比较平缓，这是因为此时的压力作用下，处于全连通状态，排出的水位于个别孔隙和孔隙死角中，并且此时的基质吸力对非饱和土的性质影响较小。

改性土1和改性土2初始的土样的斜率相对较陡，但是随着基质吸力的逐渐增加，当基质吸力大于空气进入值时，曲线斜率下降的比较缓慢，曲线储水系数变化不大，土体的持水能力并没有受到很大的影响。这也说明改性残积土的持水性相对较好，有较好的水稳性。未改性土相对于改性土1和改性土2变化幅度较大，这说明残积土的持水性不好，水稳性较差。这是因为石灰、粉煤灰、水泥均是呈精细的粉末状，从物理方面来讲，它们充分填充了残积土原来的孔隙并结合更细的残积土，改变了残积土的颗粒和孔径分布;从化学方面分析，因为石灰、粉煤灰、水泥在适宜的条件下充分与残积土发生物理化學变化，结合成整体。这样导致气体越来越难进入到土样中，其进气值相对于未改性土较大，则其曲线变化不是很明显。

4 殘积土土-水特征曲线模型拟合

4.1 模型介绍

土-水特征曲线的模型参数式对非饱和土强度和本构关系的表达式是非常重要的，大部分是根据经验、土体结构特征和曲线的形状，建立土-水特征曲线的数学模型。为了更好反映SWCC的规律，采用式（3）Van Genuchten模型、式（4）Brooks-Corey模型[9]和式（5）Fredlund-Xing模型，拟合其相关参数，并进行对比分析。

（1）Van Genuchten方程：

式中：θ为土体的体积含水量，θs为饱和含水量;ψ为土体的基质吸力;θr为残余体积含水量;a为与进气值有关的参数，kPa;b、c既可作为独立变量，也可作为约束变量，其中b为在基质吸力大于进气值之后与土体脱水率有关的土参数，c为与残余含水量有关的参数。

（2）Brooks-Corey方程：

式中：θ为土体的体积含水量，θs为饱和含水量;ψ为土体的基质吸力;θr为残余体积含水量;a为与进气值有关的参数，kPa;b为孔径参数。

（3）Fredlund-Xing方程：

式中：θ为土体的体积含水量;θs为饱和含水量;ψ为土体的基质吸力;θr为残余体积含水量;a为与进气值有关的参数，kPa;b为在基质吸力大于进气值之后与土体脱水率有关的土参数;c为与残余含水量有关的参数。

采用Origin软件对残积土进行拟合，其步骤如下：

① 定义各个参数的代号;

② 定义因变量与自变量;

③ 输入参数模型的函数表达式;

④ 根据自变量与因变量之间的关系，输入待拟合的数据，画出点图;

⑤ 输入各个参数的初始值，其中θs的初始值是始终不变的，进行迭代，当各个参数迭代不变时，拟合结束，得到各个参数的最优值。

4.2 未改性残积土

未经过改性处理的残积土参数如表2所列，拟合结果如图5所示。采用3种模型对玄武岩残积土进行了土-水特征曲线的拟合，由相关系数可知，Van Genuchten模型模拟的曲线相关系数较高，其次是Brooks-Corey模型，这说明采用Van Genuchten模型拟合残积土土-水特征曲线的效果较好，同时也表明数据与模型之间有很好的相关性，不同模型所对应的参数不同。

4.3 改性土1

对改性土1进行模拟，得到经验参数见表3和图6。由图表可见，模拟相关参数R2介于0.80～0.90，Van Genuchten、Brooks-Corey这两种模型模拟结果接近相等，其相关性良好，但相比未改性土的拟合效果略差。Van Genuchten模型所得的残余含水量低于未改性土的残余含水量，而Brooks-Corey模型得到的残余含水量则高于未改性土;与进气值相关的参数a均高于未改性土的，而b均低于未改性土的，同时c随着b的速化而降低。这说明改性土的进气值大于残积土的进气值，并且脱水速率和残余含水率较残积土的低。因此，改性土具有很好的水稳性。

4.4 改性土2

对改性土2通过Origin软件进行模拟得到经验参数如表4和图7所示。改性土2的相关参数R2介于0.94～0.95，其相关系数良好。Van Genuchten模型的相关系数高于其他两种模型。根据模型参数的比较，同理证明了改性土2也具有良好的持水性。

由残积土、改性土1、改性土2三种土样进行的模拟表明，Van Genuchten模型较好，Brooks-Corey模型次之，Fredlund-Xing模型较差。并且参数随着不同改性土而变化。由模拟结果显示，采用Van Genuchten模型较好，Brooks-Corey模型次之。这三种数学模型模拟玄武岩残积土良好，对改性土2模拟的参数良好，而对改性土1来说较差。

不同种类的土持水性表现出差异性，其中残积土的持水性较差，改性土1和改性土2持水性较好，即改性土的水稳性较好。但是在用于路基填料时，水稳性方面的研究表明应优先考虑改性土2。

5 结 论

（1）土-水特征曲线的基本形状有下降段和平缓段，下降段基质吸力对非饱和土的性质影响较大，平缓段影响较小。

（2）体积含水率随着基质吸力的增大而逐渐减小，二者呈现负相关关系，同时其饱和度与基质吸力也呈负相关关系。通过对未改性土、改性土1和改性土2的对比，改性土持水性相对较好。

（3）对未改性土的模拟表明，VG模型、Brooks-Corey模型和Fredlund-Xing模型这3种模型效果较好，对于改性土2来说这3种模型模拟效果良好，而对改性土1却是较差的。同时，未改性土的水稳性较差，从水稳性表现考虑应优先考虑选用改性土2。

参考文献：

[1] FREDLUND D G.Unsaturated soil mechanics in engineering practice[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2006，132（3）：286-321.

[2] FREDLUND D G，XING A，HUANG S Y.Predicting the permeability function for unsaturated soils using the soil-water characteristic curve[J].Canadian Geotechnical Journal，1994，31（4）：533-546.

[3] CAI G Q，ZHOU A N，SHENG D C.Permeability function for unsaturated soils with different initial densities[J].Canadian Geotechnical Journal，2014，51（12）：1456-1467.

[4] 包承纲.关于20世纪土力学的回顾和未来发展趋势的预测[J].岩土工程师，2000，12（1）：1-5.

[5] 方薇，李万，曾宪璋.基于van Genuchten模型的非饱和土非线性抗剪强度研究[J].应用力学学报，2019，36（5）：1220-1226.

[6] 陈浩，考虑体积变化修正的红黏土土水特征曲线试验研究[J].公路工程.2016，41（5）：97-101.

[7] 张瑞敏，柴寿喜，魏厚振，徐良.改性贵州玄武岩残积土的抗压强度试验研究[J].公路工程，2012，37（3）：20-23.

[8] 李幻，吴家琦，侯蕊，等.应用一步流动法快速测定土水特征曲线试验研究[J].人民长江，2020，51（2）：160-165.

[9] VAN GENUCHTEN M T.A closed-form equation predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J].Soil Science Society of American Journal，1980，44：892-898.

[10] ZHAI Q，RAHARDJO H，SATYANAGA A，et al.Effect of the uncertainty in soil-water characteristic curve on the estimated shear strength of unsaturated soil[J].Journal of Zhejiang University-SCIENCE A （Applied Physics & Engineering），2020，21（4）：317-330.

[11] PATRICK P，OLSEN H，HIGGINS J.Comparison of chilled-mirror measurements and filter paper estimates of total soil suction[J].Geotechnical Testing Journal，2007，30（5）：360-367.

[12] RAHARDJO H，SATYANAGA A，MOHAMED H，et al.Comparison of soil-water characteristic curves from conventional testing and combination of small-scale centrifuge and dew point methods[J].Geotechnical and Geological Engineering，2019，37（2）：659-672.

[13] ROSHANI P，SEDANO JI.Incorporating temperature effects in soil-water characteristic curves[J].Indian Geotechnical Journal，2016，46（3）：309-318.

[14] 李幻，譚晔，梁文鹏，等.粉土土水特征曲线影响因素试验及模型验证[J].人民长江，2018，49（14）：110-114.

[15] ZHAI Q，ZHANG C F，DAI G L，et al.Effect of segments of soil-water characteristic curves on the estimated permeability function using statistical methods[J].Journal of Zhejiang University-SCIENCE A （Applied Physics & Engineering），2019，20（8）：627-633.

[16] YE W M，WAN M，CHEN B，et al.Effect of temperature on soil-water characteristics and hysteresis of compacted Gaomiaozi bentonite[J].Journal of Central South University of Technology，2009，16（5）：821-826.

[17] SATYANAGA A，RAHARDJO H，KOH Z H，et al.Measurement of a soil-water characteristic curve and unsaturated permeability using the evaporation method and the chilled-mirror method[J].Journal of Zhejiang University-SCIENCE A （Applied Physics & Engineering），2019，20（5）：368-374.

[18] 陈勇，苏剑，谈云志，等.循环脱吸湿与加卸载耦合作用下土体持水性能试验研究[J].岩土力学，2019，40（8）：2907-2913.

[19] 张爱军，王毓国，邢义川，等.伊犁黄土总吸力和基质吸力土水特征曲线拟合模型[J].岩土工程学报，2019，41（6）：1040-1049.

[20] 张国萍，王林，曹子君，等.考虑不确定性的土水特征曲线模型确定方法比较研究[J].自然灾害学报，2018，27（4）：153-160.

（编辑：郑 毅）