干密度對非飽和黃土土水特征曲線影響

王秀林

（山西省交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031）

黃土是一種特殊的非飽和土，在外界環(huán)境變化作用（如降雨、蒸發(fā)等）下，黃土中的液相和氣相會隨之發(fā)生改變，宏觀上表現(xiàn)為黃土濕軟程度的變化。而在這個(gè)變化中黃土中的基質(zhì)吸力也在發(fā)生著變化，基質(zhì)吸力是非飽和土中特有的一種水勢，在一定程度上反映非飽和土基質(zhì)對水分的吸持能力。基質(zhì)吸力大小與土體含水率或飽和度密切相關(guān)，土體越干燥，基質(zhì)吸力越大；隨著含水率的提高，基質(zhì)吸力逐漸減小，當(dāng)土體達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，基質(zhì)吸力消失。因此，研究非飽和土基質(zhì)吸力與含水率變化關(guān)系是非飽和土研究的重點(diǎn)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在土水特征曲線方面已經(jīng)進(jìn)行了一系列的研究，伊盼盼等[1]通過流動(dòng)試驗(yàn)，對非飽和土土水特征曲線的測試方法進(jìn)行了研究。宋俊濤[2]基于非飽和黃土的土水特征曲線，對路基內(nèi)部毛細(xì)水分布及其變化規(guī)律進(jìn)行了研究。孫德安等[3]采用室內(nèi)基質(zhì)吸力測試試驗(yàn)，對桂林紅黏土的土水特性進(jìn)行了研究，并得出若干有益結(jié)論。

可以看出，目前對非飽和黃土土水特征曲線的研究相對較少，土體干密度對非飽和黃土土水特征曲線影響的研究更是鮮有報(bào)道。基于此，本文通過結(jié)合實(shí)際工程，現(xiàn)場取土，在室內(nèi)制作成不同干密度的黃土試樣，并進(jìn)行基質(zhì)吸力測試試驗(yàn)，研究不同干密度下黃土土水特征曲線變化規(guī)律。

1 土水特征曲線理論

土水特征曲線作為非飽和土的一個(gè)重要概念，具有研究意義和價(jià)值。其中，非飽和土中基質(zhì)吸力的存在對非飽和土的抗剪強(qiáng)度有一定影響，在Fredlund[4]提出的經(jīng)典非飽和土抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式（式1所示）中將基質(zhì)吸力作為廣義黏聚力的一部分，可以提高土體抗剪強(qiáng)度。因此確定非飽和土土水特征變化曲線，對確定非飽和土在干濕情況下抗剪強(qiáng)度的變化具有重要的意義。

式中：σ為正應(yīng)力；μa為孔隙氣壓力；μw為孔隙水壓力；(μa-μw)為基質(zhì)吸力；tanφb為基質(zhì)吸力系數(shù)。

目前，土水特征曲線主要以Van Genuchten[5]提出的S形曲線模型最為典型，如圖1所示。從圖中可看出，土水特征曲線變化大致可分為3個(gè)階段，其中在階段I（邊界效應(yīng)區(qū)），曲線平緩，土體含水率接近飽和含水率；在階段Ⅱ（過渡區(qū)），曲線變化明顯，隨著含水率的減小，基質(zhì)吸力增大，階段I和階段Ⅱ臨界處（A點(diǎn)）為空氣進(jìn)氣點(diǎn)，表示當(dāng)基質(zhì)吸力增大到pa時(shí)，空氣開始進(jìn)入土體，土體進(jìn)入非飽和狀態(tài)；在階段Ⅲ（殘余區(qū)），曲線又逐漸趨于平緩，土體含水率最終趨于殘余含水率。V-G模型表達(dá)式如式（2）：

圖1 典型非飽和土土水特征曲線

式中：θ為含水率；θs為飽和含水率；θr為殘余含水率；ψ為基質(zhì)吸力；a、m、n為擬合參數(shù)。

2 試驗(yàn)基本情況

2.1 試驗(yàn)土樣選取

室內(nèi)試驗(yàn)黃土取自山西朔州某在建高速公路邊坡工程現(xiàn)場，取土現(xiàn)場及土樣情況如圖2所示。通過室內(nèi)基本物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)，測得所取土樣天然含水率為17.6%，天然密度1.8 g/cm3，土顆粒相對密度2.36。通過室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，測得其最優(yōu)含水量為18.9%，最大干密度為1.69 g/cm3。

圖2 現(xiàn)場取土場地及土樣情況

2.2 試驗(yàn)方案

本文室內(nèi)基質(zhì)吸力測試采用傳統(tǒng)的濾紙法，濾紙法測基質(zhì)吸力的方法和原理如圖3所示。通過將土樣和濾紙按一定次序放置于密閉的密封罐中，并將密封罐靜置在恒溫水槽中，當(dāng)濾紙與土樣之間進(jìn)行充分的水分交換并穩(wěn)定后，測其基質(zhì)吸力。

圖3 濾紙法測基質(zhì)吸力原理

其中夾在土樣之間的濾紙測得的是非飽和土中的基質(zhì)吸力，放置于支架上的非接觸濾紙測得的是總吸力。基質(zhì)吸力的測定通常采用王釗[6]提出的計(jì)算公式：

式中：wfp為濾紙含水率。

為研究不同干密度下非飽和黃土土水特征曲線變化規(guī)律，分別制備干密度為1.4 g/cm3、1.5 g/cm3和1.6 g/cm3的土樣，每個(gè)干密度制備4～5種不同含水率，進(jìn)行基質(zhì)吸力測試。并采用V-G模型對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合，繪制土水特征曲線。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同干密度下非飽和黃土土水特征曲線如圖4所示，從圖中可看出，當(dāng)干密度一定時(shí)，基質(zhì)吸力隨體積含水率的降低而減小；隨著干密度的增大，相同基質(zhì)吸力下對應(yīng)的體積含水率越小。分析其原因：當(dāng)干密度較大時(shí)，土體較密實(shí)，孔隙較小，水分之間的黏結(jié)吸附作用較強(qiáng)，同時(shí)需要較大的空氣進(jìn)氣值才能將水分從土中排出；隨著干密度的減小，土體孔隙體積逐漸變大，自由水含量增加導(dǎo)致土中水的吸附潛能降低。

圖4 不同干密度下土水特征曲線

4 結(jié)論

本文通過基質(zhì)吸力的室內(nèi)濾紙法測試試驗(yàn)，得到了不同干密度下非飽和黃土的基質(zhì)吸力并繪制土水特征曲線，試驗(yàn)結(jié)果表明：

a）干密度一定時(shí)，隨著土體含水率的降低，基質(zhì)吸力增大。

b）土體干密度對土水特征曲線影響明顯，干密度越大，空氣進(jìn)氣值對應(yīng)的基質(zhì)吸力越大。

c）干密度越大，相同含水率對應(yīng)的基質(zhì)吸力越小。