千枚岩全风化土的持水特性研究

刘 莉，姜大伟，于明波，颜荣涛，于海浩，陈 波

(1.桂林理工大学 广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林 541004；2.中国建材集团建材桂林地质工程勘察院有限公司，广西 桂林 541004；3.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098；4.山东高速泰安发展有限公司，山东 泰安 271000)

0 引言

千枚岩作为一种变质岩，在桂林龙胜地区广泛分布，其水化学敏感性导致自然条件下岩质较差，带来一系列的工程地质问题[1]。桂林地区常年多雨，降雨导致坡体土体抗剪强度降低，这是诱发滑坡的主要原因，而土体的持水特性则与土体的强度紧密相关。因此，研究千枚岩全风化土的土水特征曲线，对桂林龙胜边坡的防治工作会有极大的促进作用。

土水特征曲线是非饱和土重要性质，与土体的强度[2-3]、渗透[4-5]有关，目前，关于土体的土水特征曲线研究很多。文献[6]利用压力板、滤纸法和饱和盐溶液法测试不同干密度情况下桂林压实红黏土的土水特征曲线。文献[7]分析了压实样和预固结试样的土水特性曲线的区别，并且利用压汞试验从微观上分析不同制样方法的孔隙结构。文献[8]以武汉黏土为研究对象，测试了土体的土水特性曲线和核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)曲线，并且给出了基于NMR曲线的土水特征曲线的经验关系。文献[9]研究了砂质黄土的土水特征曲线，并且通过电镜扫描试验分析了孔隙微观结构对土水特性的影响机理。文献[10]测试了盐渍土的土水特征曲线，并且分析了土体土水特性曲线受压实度和盐分含量的影响规律。通过以上的分析和文献的梳理可知，虽然目前土体的土水特征曲线的研究工作很多，却关于千枚岩全风化土体的土水特征曲线的测试和研究工作较少。

干湿循环作用对土体内部结构会有一定的影响，部分黏土会产生裂隙。文献[11]研究了压实黏土在干湿循环后的力学特性和微观机制，发现干湿循环会导致土体的大孔体积和内部微裂隙增大。文献[12]分析了黏土在干湿循环后的涨缩变形特性。文献[13]也观测到了膨胀土在干湿循环下宏观裂隙的产生。这些微观裂隙和宏观裂隙改变了土体的孔隙结构，从而也会对土体的土水特性曲线产生影响。但目前还很少有关于干湿循环下千枚岩全风化土的裂隙发展的研究，也未见干湿循环对其土水特征曲线的影响的研究报告。

本文以千枚岩全风化土为研究对象，采用压力板仪和饱和盐溶液法测试土水特征曲线，重点分析不同干密度和干湿循环次数对土体土水特征曲线的影响规律，并且结合压汞试验结果，分析了干湿循环对千枚岩全风化土体的持水性的影响机理。

1 试验介绍

1.1 试验材料

试验用土取自桂林龙胜县的千枚岩全风化土，土样呈红褐色。根据土工试验方法标准[14]测得土体的基本物理性质指标如表1所示。根据土体的颗粒大小区分，土体的砂粒、粉粒和黏粒质量分数分别占6.12%、58.49%和35.39%。土体的液限为70.04%，塑限为32.79%，土体属于高液限黏土。原位千枚岩全风化土的干密度为1.2 g/cm3。土体取回后晒干并且剔除杂物，后采用木槌破碎后以备试验使用。

表1 千枚岩全风化土基本物理性质

1.2 试样制备

采用面积为30 cm2、高为2 cm的不锈钢环刀为制样模具。为更好地模拟现场土样性质，按原状土干密度1.2 g/cm3用千斤顶压制重塑土样，环刀试样图如图1所示，模拟极端高温环境加热温度为40 ℃，吸水饱和时间为24 h，脱湿烘干时间为72 h，试样的干湿循环极值含水率为5%～45%，控制土样初始含水率为20%，对土样进行0～5次干湿循环。同时，制备干密度分别为1.1 g/cm3、1.2 g/cm3和1.4 g/cm3的土样。

1.3 持水性试验

压力板试验：将循环0次、1次、3次、5次及不同干密度的饱和试样放入配有1 500 kPa的饱和陶土板的压力板仪(见图2)压力室中，最大气压加至700 kPa，开始施加吸力，分别为10 kPa、20 kPa、50 kPa、80 kPa、160 kPa、300 kPa、500 kPa和700 kPa。

图1 环刀试样图

图2 压力板仪

表2 饱和盐溶液及对应吸力值(20 ℃)

饱和盐溶液试验：将不同干密度、干湿循环次数的土样抽真空饱和后，一个土样切成8块，其中2块放入同一个饱和盐溶液缸中，饱和盐溶液对应的吸力值如表2所示。每周测定土样质量变化，若变化量小于0.01 g,则判定试样持水性达到平衡。通过参考文献[6]中的方法，测试土样质量与体积。

1.4 压汞试验

此压汞试验采用PoreMaster-33型全自动压汞仪(见图3)，具体性能参数指标主要表现为低压(5.5～344.8 kPa)、高压(137.9～227.5 MPa)和孔隙直径(6.5 mm～268.6 μm)。压汞试验的原理主要体现于通过设备施加不同压力值，将汞压入土样空隙中，由汞含量则可推算出土样的孔隙体积。

为保证压汞试样的干燥性，本试验采用文献[15-16]介绍的冷冻干燥法处理试验以防止土体收缩，影响试验结果的可靠性。其具体过程[17]为：用小刀切出体积约为2 cm3的立方形土块，放入液氮(-196 ℃)中冷冻15 min，然后放入冷冻干燥机中，抽真空24 h使土块中的水分升华干燥，最后对干燥后的土样开展低压和高压下的压汞试验，获取孔径分布规律。

(a) 全自动压汞仪整体图

2 试验结果及分析

2.1 土水特征曲线

图4 不同干密度的土水特征曲线

图4给出了不同干密度情况下千枚岩全风化土的土水特征曲线。从图4可以看出：土水特征曲线分为3段，毛细区、过渡区和残余区。土体持水特性主要通过进气值与残余含水率确定，其中进气值为毛细区与过渡区线段交点，残余含水率为过渡区与残余区线段交点。比较图4中不同干密度的土水特征曲线，发现干密度对土体的持水性存在明显影响，主要表现在吸力为101～105kPa。在此范围内，随着干密度的增大，同一吸力值对应的饱和度越大，土体排水量越小，此时较大的干密度土样持水性更好。而当吸力值不在101～105kPa时，干密度对于土水特征曲线影响较小。这主要是因为低吸力阶段(达到进气值之前)土体中水分子主要以毛细水的形式存在，持水性由孔隙大小控制，干密度越高对应的孔隙越小，所以持水性较好；而在高吸力阶段(>105 kPa)，吸附水占据主导作用，干密度大小对其影响很小，从而对土水特性曲线影响较小。

为了分析干湿循环次数对千枚岩全风化土的持水性的影响，以干密度1.2 g/cm3为代表，研究了干湿循环次数为0、1、3、5的试样的土水特征曲线。图5为饱和度与吸力关系曲线，由图5可以看出：曲线差异性主要表现在过渡区，即吸力为101～105kPa时，而在毛细区和残余区变化甚微。随着干湿循环次数的增加，曲线稍往下移，即在同吸力条件下，饱和度降低，这主要是由于干湿循环过程改变了土体内部孔隙结构，从而影响了土体的持水特性。在后面的微观压汞试验中将对此进行进一步的微观机理分析。

图6为孔隙比与吸力关系曲线，随着基质吸力的增大,孔隙比经历3个过程[18]:在毛细区段，土样吸力值小于进气值时，试样开始逐渐脱水，但其总体积几乎保持不变，孔隙水主要以毛细水和吸附水两种形式存在,此时孔隙比几乎为定值。随着吸力的增大,土样出现进气值,对应过渡区段。此时空气进入土中,水分子首先以颗粒间毛细水形式流失,使得土样体积减小，颗粒间孔隙被逐渐压缩并密实，致使孔隙比降低。当继续增加吸力值时，毛细水将耗尽，此时土样中的吸附水占主导作用，致使颗粒间作用力保持相对恒定，土样进入残余区，出现残余含水率。在土样经历多次干湿循环过程中，土体内部孔隙结构发生反复吸水膨胀和失水收缩现象，随着循环次数的增加，致使初始干密度和含水率相同的土样的孔隙比增大。图7为脱湿过程孔隙水变化。如图7所示，在脱湿过程中，孔隙水变化情况可以映射孔隙比的变化。

图5 饱和度与吸力关系曲线

图6 孔隙比与吸力关系曲线

图7 脱湿过程孔隙水变化

2.2 进气值和残余饱和度

为了进一步分析干密度和干湿循环次数对进气值和残余饱和度的影响规律，采用Van-Genuchten提出的VG模型拟合土水特性曲线，公式如下，得到曲线参数值，再根据文献[19]确定进气值和残余饱和度。

θ=θr+(θs-θr)(1+(αs)n)-m，

(1)

其中：θs为饱和体积含水率，%；θr为残余体积含水率，%；s为基质吸力，kPa；α、m、n为模型拟合参数，取m=1-1/n。

根据式(1)，根据按照拟合参数计算千枚岩全风化土的进气值与残余含水率，干密度为1.1 g/cm3、1.2 g/cm3、1.4 g/cm3的千枚岩全风化土的进气值分别为： 2.6 kPa、10. 6 kPa、33.3 kPa，残余含水率分别为1.8%、4.8%、8.2%。表示干密度越大，土体的进气值和残余含水率越大，对应的土体持水性越好。同样对干湿循环的影响进行VG模型拟合，计算进气值与残余含水率，结果见表3和表4。由表3和表4可知：随着干湿循环的进行，土体的进气值和残余含水率降低，3次之后趋于稳定。

表3 不同干密度下土体进气值及残余含水率

表4 干密度为1.2 g/cm3时不同干湿循环次数下土体进气值及残余含水率

由上述综合分析干密度和干湿循环次数对土样持水性能的影响可知，两者对持水性的影响主要表现在过渡区段内随着干密度增大，土样持水性能显著增强；而随着干湿循环次数的增加，孔隙比增加，则土样的持水性能变差，而在毛细区和残余区，两者对持水性的影响较小。

2.3 压汞试验结果

在进行压汞试验时，施加压力，则使得汞优先填充土样中大颗粒群及其相邻孔隙。继而渗入大颗粒群内部致使颗粒群空隙被完全填充。在理论推导时，为便于计算，假定土样中的孔隙为圆柱形。导出入浸压力与孔隙直径关系式[20]为：

(2)

其中：p为施加的压力，kPa；Ts为气、水交界面上的表面张力， N/m(25 ℃时为0.484 N/m)；α为汞与假定孔表面的接触角，(°)，本次试验取140°；d为孔隙直径，μm。

孔径累计分布曲线见图8。由图8可以看出：千枚岩全风化土孔径累计分布曲线呈现类双台阶形，具有两个缓冲平台。随着干湿循环次数的增加，在相同孔径下累计汞压入量逐渐增加，在循环3次后孔径累计分布曲线演化特征随着循环次数继续增加逐渐趋于重合，达到稳定状态。

孔径与孔隙分布密度关系曲线见图9。从图9可以看出：全风化土样的孔隙分布密度在相同干湿循环次数下随着孔径的增加而呈现两个峰值。由文献[21]对微孔隙划分的定义可知，峰值集中分布于体内孔隙和颗粒间孔隙中。随着干湿循环试验次数的增加，孔隙分布密度曲线右移，从而表明了土体中的微、小孔隙在循环试验过程中逐渐扩展并贯通，聚合形成中、大孔隙。其演化特征与土体持水性试验结果相吻合。

图8 孔径累计分布曲线图

图9 孔径与孔隙分布密度关系曲线

图10 压实样土水特征曲线实测与预测对比

2.4 土水特性曲线模拟

文献[22]基于毛细管模型提出了一种通过孔隙分布密度函数预测土水特征曲线的方法，方程为：

(3)

其中：ua-uw为含水率时的基质吸力，kPa；di为含水率为wi时孔隙直径，mm；wi为含水率，%；ρw为水的密度，g/cm3；V(di)为含水率为wi时，对应小于孔隙直径充满水的累积孔隙体积，mm3。

图10为压实样土水特征曲线实测与预测对比。分析图10可知：式(3)预测出的土水特征曲线与实测结果基本保持一致，但在个别区段范围内存在差异。经分析可知，这种差异性是由于试验过程中未考虑收缩影响而引起的。但压汞试验具有省时、省力且精准度较高的优点，因此可作为预测土体持水性的一种简便方法。

3 结论

(1)干密度与干湿循环次数对持水性的影响主要表现在过渡区段内，随着干密度增大，土体进气值和残余含水率越大，土样持水性能显著增强；而随着干湿循环次数的增加，孔隙比增加，则土样的持水性能变差，而在毛细区和残余区，两者对持水性的影响较小。

(2)千枚岩全风化土孔径累计分布曲线呈现类双台阶形，具有两个峰值。随着干湿循环次数的增加，孔隙分布密度曲线右移，土体中的微、小孔隙逐渐扩展并贯通，聚合形成中、大孔隙，并在循环3次后达到稳定状态。

(3)经对比分析压汞试验预测持水性与试验结果基本保持一致，且其具有省时、数据精准的特点，可作为预测持水性的简便方法。