干密度对非饱和黄土土-水特征曲线的影响试验

2022-04-27毕庆涛冯巧云赵俊刚黄志全

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2022年2期

毕庆涛，冯巧云，赵俊刚，黄志全,3

(1.华北水利水电大学,河南郑州 450046; 2.山西省交通建设工程质量检测中心(有限公司),山西太原 030012; 3.洛阳理工学院,河南洛阳 471023)

我国西北部处于干旱和半干旱地区，广泛分布着黄土，其在工程建设中常处于非饱和状态[1]。世界上有60%以上的国家都曾遭受过非饱和土造成的工程危害，面对日益严重的非饱和土工程问题，需对非饱和土进行深入的理论与实践研究[2-3]。与饱和土相比，非饱和土除了有固相和液相外，还存在液相-气相分界面形成的收缩膜，从而在界面处产生了基质吸力。土-水特征曲线描述了非饱和土基质吸力与含水率之间的关系，它揭示了非饱和土在不同基质吸力下持水能力的强弱，是非饱和土力学特性的重要本构关系。因此，土-水特征曲线的研究对非饱和土具有重要的意义。

近年来，很多学者针对土-水特征曲线的影响因素展开研究，主要从内部因素和外部因素两个方面进行。内因主要包括矿物成分、土颗粒的粒径和级配、初始含水率、初始干密度、压缩性和结构性等；外因主要包括应力历史、围压、干湿循环和温度等[4]。汪东林等[5]采用常规压力板仪和非饱和三轴仪，研究了击实功、击实含水率、干密度、应力历史和试样应力状态5种因素对非饱和土的土-水特征曲线的影响。陈宇龙等[6]对不同粒径土样进行吸湿与脱湿过程中的持水性能试验，认为随着有效粒径的增大，进气值、进水值和残余基质吸力在半对数坐标上均呈现线性减小，而减湿率呈二次函数增长。SALAGER S等[7]从理论和试验两个方面研究了温度对两种不同黏土的持水特性的影响，从理论上提出吸力随含水量、温度和孔隙比变化的规律，解释了密度和温度对持水特性的影响。刘奉银等[8]测定了不同初始干密度黄土试样的土-水特征曲线，选取合理的曲线模型进行数据拟合，研究了不同初始干密度对土-水特征曲线的影响，通过对比体积含水率的差异，提出了“滞回度”的概念。黄志全等[9]通过小浪底1#滑坡非饱和土三轴试验，对非饱和土土-水特性和围压对基质吸力的影响进行分析，认为相同体积含水率试件的基质吸力随围压的增大而非线性减小，同时探讨了土-水特征曲线与强度之间的关系，并依此建立了强度公式。刘熙媛等[10]、宋陈雨等[11]通过试验得到原状土与重塑土的土-水特征曲线，对比分析了原状土与重塑土的进气值、排水速率、排水量、残余饱和度等对应的基质吸力和固结时间的量化差异。李志清等[12]综合考虑各种因素的影响，通过室内和野外试验对非饱和膨胀土的土-水特征曲线进行拟合并建立了模型，认为土-水特征曲线受多种因素影响，但土的矿物成分和孔隙结构是基本因素，其他因素往往通过影响这两个基本因素而起作用。

以上研究对于土-水特征曲线的测定主要是在土体平衡状态下进行的，而针对在非平衡状态下获取土-水特征曲线的研究较少。非平衡状态测试方法即动态多步流动法，是当试样在各级吸力作用下未达到平衡状态时，人为改变吸力大小，使试样进入下一级吸力状态[13]。由于该方法不能直接获得平衡状态下的土-水特征曲线，为了解决这个问题，伊盼盼等[14]建立了能够描述非平衡状态的饱和度演化方程，据此可以计算出试样在各级吸力作用下处于平衡状态的饱和度。

本文针对山西太原二环高速公路项目某工程现场的非饱和黄土，在改进的压力板仪上，采用非平衡状态测试法，对干密度分别为1.46、1.56、1.66 g/cm3的试样进行土-水特征曲线试验，对比分析不同干密度对土-水特征曲线产生的影响，探究产生差异的内在机理，为非饱和黄土持水特性的研究提供参考。

1 试验方案

试验土样为工程现场的非饱和原状黄土，根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[15]，由室内常规试验测得该黄土的基本物理参数，见表1。通过密度计法得到颗粒级配曲线，如图1所示。通过轻型击实试验测得其击实曲线，如图2所示。该黄土的最大干密度为1.66 g/cm3，最优含水率为15.8%。

表1 试验黄土基本物理性质指标

图1 试验黄土颗粒级配曲线

图2 试验黄土击实曲线

制备干密度分别为1.46、1.56、1.66 g/cm3的环刀状试样(直径61.8 mm、高20 mm)。先将原状土样烘干、研磨碾碎，按照含水率为6%，加入定量的水并搅拌均匀，用保鲜膜密封后放入保湿缸静置24 h，使得土样中的水分分布均匀。按照确定的干密度计算出所需土样的质量，利用制样器与千斤顶即可得到所需干密度的环刀样，最后利用真空泵对试样进行抽气饱和。3种不同干密度土样的基本物理参数见表2。

表2 不同干密度土样的基本物理参数

2 压力板试验

2.1 仪器改进

本次试验采用的欧美大地公司GEO-Experts压力板仪，以轴平移技术为原理，测定不同干密度下非饱和黄土脱湿过程的土-水特征曲线。为减小试验误差和缩短试验时间，在原压力板仪的基础上增加了数据自动采集系统、气泡体积测量系统和储水冲刷系统，测试系统示意图如图3所示。

图3 改进的压力板仪测试系统示意图

在数据自动采集系统中，可以人为设定记录溢出水质量的时间间隔(本次为每30 s采集一次)，能够对试验过程中溢出水的质量进行实时测定。打开储水冲刷系统的开关可将陶土板和管线中的气泡排出，然后气泡测量系统可测定排出的气泡体积，很大程度上降低了试验误差。

2.2 试验过程

试验前需将底座中的陶土板和整个系统线路进行饱和，把饱和结束的试样称完质量后放入压力室中的陶土板上，确认试验系统密封完好后开始动态多步流动法试验。

根据拟定的基质吸力路径20→30→40→60→90→130→170→210→290 kPa逐级进行加载，各级吸力加载时间为2、8、12、12、12、12、18、24、24 h，共需124 h。试验中，陶土板底部气泡的存在会导致系统监测的数据比实际溢水量偏大，因此每级吸力加载结束后，需冲刷聚集在陶土板底部的气泡，读取玻璃管中的示数，将气泡体积换算成等体积水的质量，即多余溢水质量，再对原始采集的数据进行修正后，得到精确的试验结果。

3 数据处理及分析

根据修正后的溢水量计算出各时刻对应的土样饱和度，利用Origin软件建立饱和度随时间演化方程。该方程能够描述非平衡状态下非饱和土的饱和度[14]，方程如下：

(1)

式(1)考虑到了各级基质吸力的增量对饱和度的影响，可将这种影响结果称为各级吸力下的“遗传效应”。

饱和度方程对于平衡态与非平衡态均适用，这为利用非平衡态下试验数据确定平衡态下的土-水特征曲线奠定了基础。式(1)中Ci与τi为未知量，其余量均为试验实测量。

土-水特征曲线是指平衡状态下饱和度与基质吸力的关系曲线。由饱和度方程式(1)得到每级基质吸力增量下的平衡态土-水特征曲线的斜率C，从而可以计算出第k级基质吸力下对应的平衡态饱和度，即：

(2)

(3)

将修正后的试验数据导入软件编译好的模型中进行参数拟合，得到每级基质吸力对应的未知参数，运用饱和度时间演化方程计算出每级吸力作用时达到平衡状态的饱和度Sr，最后绘制土-水特征曲线。图4为干密度分别是1.46、1.56、1.66 g/cm3土样的土-水特征曲线。

图4 不同干密度土样的土-水特征曲线对比图

由图4可以看出，当土-水特征曲线用饱和度和基质吸力的关系表示时，干密度有着显著的影响。具体表现为：土样的干密度越小，对应的进气值越低。其原因是，土样内部孔隙较大，水流路径较多，施加较小的吸力可使土样中的水分迅速排出；随着吸力的逐级增大，土样的脱湿速率随干密度的增加而降低。对于同一饱和度而言，干密度越大对应的基质吸力越大，即干密度效应开始显现；在残余含水率阶段，干密度和残余含水率表现出正相关性，干密度越大，残余含水率越高，认为试样的持水特性随干密度的增大而增强。虽然不同干密度土样的土-水特征曲线存在差异，但无论干密度如何变化，其形态趋势基本一致，遵循基质吸力越大含水率越小的规律。

土-水特征曲线的两个重要特征点为进气值与残余含水率，二者将曲线分为3个区域：完全饱和区、过渡区和残余状态区[16]，如图5所示。在完全饱和区，土的孔隙中充满水，土颗粒间及接触点处的水膜是连续的；当吸力值达到进气值后，进入过渡区，此时孔隙内的水由于受到进入气体的挤压开始向外排出，孔隙中原本均匀连续分布的水分开始变得离散且不稳定，饱和度随着基质吸力的增大出现骤减现象；当施加的吸力不断增大时，达到残余状态区，孔隙中的水分大部分是吸附水，吸力的增加不会使土体饱和度发生明显变化。

图5 土-水特征曲线分区示意图

基质吸力与弯液面的曲率半径成反比。干密度越大，土体内部孔隙相对较小，弯液面半径也随之变小，致使进气值变大。由此可知，孔隙的大小会直接影响土-水特征曲线的形态和变化趋势，而干密度的变化会导致孔隙性状发生改变，最终对非饱和土的持水性能产生影响。

4 土-水特征曲线与击实曲线

以含水率为横坐标，基质吸力和干密度为纵坐标，将土-水特征曲线与击实曲线结合起来得到图6。

图6 土-水特征曲线与击实曲线关系图

由图6可知，3种不同干密度土样的土-水特征曲线相交于一点，且该交点横坐标与击实曲线最高点横坐标基本相同，认为该交点的含水率等于最优含水率15.8%，此时的基质吸力约为40 kPa，最大干密度为1.66 g/cm3。将此交点称作临界点，其横坐标对应的含水率称作临界含水率，纵坐标称作临界基质吸力。由此可以发现，对于不同干密度的非饱和黄土，总存在一状态对应相同的含水率和基质吸力，认为处于该状态下的土体的持水特性与微观结构无关。