水的形態對土體收縮性及貫入強度的影響

羅 穩,曾召田,劉華貴,莫紅艷,肖 鋒

(1.廣西路橋工程集團有限公司,南寧 530011;2.桂林理工大學 土木與建筑工程學院,廣西 桂林 541004;3.廣西大學 土木建筑工程學院,南寧 530004;4.廣西工程防震研究院,南寧 530004；5.國網湖北省電力有限公司隨州供電公司，湖北 隨州 441300)

0 引 言

自然界中, 水是土體重要的物質組成部分。 根據水與土顆粒的相互作用,水在土體中賦存的形態一般可分為三類:強結合水、 弱結合水和自由水[1-2]。 不同形態的土中水, 與土顆粒產生不同的相互作用, 從而影響著土體的物理力學性質。 Λ·И·庫里契茨基[3]認為粘土礦物的強結合水與粘土表面發生了化學連結, 其實質屬于礦物的表面親水化合物的結晶水, 屬固相范圍; 弱結合水按其實質屬于粘土膠粒擴散層的水。 王平全等[4-6]運用紅外光譜法、 離子交換法、 熱失重法等方法測定了蒙脫土中結合水的類型、界限及其相對含量;王玉英等[7]對土體的物理力學性質、礦物成分和土中水分做了試驗分析;文獻[8-10]研究土體熱導率隨含水量的變化規律,認為含水量變化對土體熱導率影響顯著;文獻[11-13]通過試驗研究了土中水形態對土體滲透性質的影響。

盡管國內外對土中水的形態以及對各種物理力學性質的影響做了不少的研究工作,但是很少對土體力學性質的兩個常用指標——強度和變形與土中水的形態結合起來研究。本文通過不同含水率的土體收縮和強度試驗,試圖揭示土中水與土顆粒的結合形態對土體力學性質的影響規律,為工程應用和災害防治提供理論數據和技術支持。

1 試驗土樣及物理性質指標

試驗土樣為廣西地區兩類典型的特殊土:膨脹土和紅粘土。膨脹土取自中國農業科學院水牛研究所試驗觀測場地(圖1a),取土深度為2.0 m,所取土樣呈灰白色,裂隙較發育,天然含水量高,裂隙面蠟狀光滑,具有典型膨脹土的特征。紅粘土取自武鳴縣里建華僑農場(圖1b),取土深度為3.0 m,所取土樣呈黃色、黃褐色,稍濕,硬塑狀態,含鐵錳質結核及未風化物較多,粘性較強,屬碳酸鹽巖形成的典型殘坡積紅粘土。

圖1 現場取土Fig.1 Sampling on-site

由于室內試驗的試樣尺寸相對較小,為保證其均勻性,實驗前將兩種土樣分別風干、過篩,取小于0.5 mm的土顆粒進行研究。處理后兩種土的基本物理性質見表1。

2 收縮試驗

2.1 試驗原理

粘性土收縮是由于土樣邊界處水-氣間彎液面兩側的壓力差,這部分壓力差不僅與土中水的含量有關,而且與土中水與土顆粒的結合形態有關。本試驗通過將相同干密度、不同初始含水量的粘土試樣在相同環境下(恒溫恒濕箱)風干脫水,測定試樣失水前后的體積變化,獲得土中水含量對土體收縮性質的影響規律。

2.2 試驗過程

采用靜壓法分別制作兩組膨脹土試樣(干密度分別為1.1和1.3 g/cm3)和一組紅粘土試樣(干密度1.1 g/cm3), 試樣尺寸: 直徑D=61.8 mm, 高h=10 mm。 將制備的試樣放在恒溫恒濕箱(溫度為22 ℃, 濕度為40%)內風干脫水,當試樣質量恒定時,土體收縮結束。用游標卡尺測量試樣收縮結束后的直徑與高度,將試樣置于烘箱105 ℃烘干,計算試樣的風干含水量ωf。

2.3 試驗結果及分析

各組試樣的收縮試驗結果見表2,體積收縮率與其初始體積含水量的關系如圖2所示。兩種土3組試樣呈現類似的變化規律:干密度相同時,試樣的初始含水量越高,失水后體積收縮變化越大;試樣的體積收縮率在某臨界體積含水量位置出現了突變,當試樣初始含水量小于該臨界值時,試樣的體積變化較小,而大于該臨界值時,試樣的體積收縮率隨初始含水量增大而快速增大。膨脹土試樣臨界體積含水量位于0.20 cm3/cm3附近,紅粘土的臨界體積含水量大約位于0.30 cm3/cm3附近。

圖2 體積收縮率與初始含水量關系曲線Fig.2 Curves of volume shrinkage and initial water content

3 袖珍貫入試驗

3.1 試驗原理

袖珍貫入法能快速評定粘性土強度, 它是在被測土樣的表面將袖珍貫入儀的測頭壓入至規定深度, 從而測出測頭單位面積的貫入阻力(pt)。貫入阻力包括了測頭的底部及周圍的土體抵抗貫入的能力。本試驗通過此法用于評價粘性土中含水量的變化對土體強度的影響。

表1 土的基本物理性質指標

注: 液限、塑限的測定采取76 g錐分別入土10 mm與2 mm作為標準。

表2 收縮試驗結果

3.2 試驗過程

采用靜壓法分別制作兩組膨脹土試樣(干密度分別為1.1和1.3 g/cm3)和一組紅粘土試樣(干密度1.1 g/cm3), 試樣尺寸: 直徑D=10.4 cm, 高h=10 cm。根據制備試樣的軟硬程度選取合適的測頭, 按照《袖珍貫入儀試驗規程》測定試樣的貫入強度(圖3),每個試樣的平行貫入測試不少于3次,將平行試驗中偏差大的結果剔除,取其余讀數的平均值作為試驗結果。

3.3 試驗結果及分析

儀器的A測頭為標準測頭, 測桿上滑標靠近零位的一面所示位置即為貫入阻力0t值,使用B、 C測頭需根據貫入阻力計算式(1)換算為標準貫入值后再作比較。

pt=K×R/A,

(1)

式中:pt—貫入阻力, 102kPa;A—測頭底面積或投影面積;R—貫入讀數;K—貫入儀率定系數。

3組試樣的貫入試驗結果見表3,貫入阻力結果與初始體積含水量的關系如圖4所示。 3組試樣的貫入阻力隨體積含水量增加均呈現出先增加后減小的變化規律。兩組膨脹土試樣在體積含水量為0.22 cm3/cm3附近出現了最大貫入值,紅粘土試樣在體積含水量為0.312 cm3/cm3時出現了最大貫入值。相同含水量時,膨脹土干密度為1.3 g/cm3的試樣貫入阻力值均比干密度1.1 g/cm3的試樣貫入阻力值大,在接近塑限含水量(約為0.40 cm3/cm3)時, 隨含水量增加,兩者的相對差值已明顯減小。 超過塑限對應的體積含水量(0.54 cm3/cm3)時,紅粘土試樣的貫入強度已經衰減趨于穩定。

圖3 袖珍貫入試驗Fig.3 Penetration test

表3 貫入試驗結果

圖4 貫入強度與體積含水量關系曲線Fig.4 Curves of penetration intensity and initial water content

4 試驗結果討論

收縮性與貫入強度分屬于土體力學性能不同的兩方面,但從以上試驗結果可知,兩者與含水量的關系曲線均出現了顯著的分段性特征,且特征點含水量一致,這表明宏觀的土性指標應由深層次的微觀機理決定。在前述試驗中,含水量是控制土性變化的指標中唯一的變化因素,而隨著含水量的變化,土中水的形態必然發生轉換,因此可推斷出土中水的形態轉換是土力學指標變化的關鍵影響因素。

文獻[14]認為,土中水的形態和含水量指標之間可細分為:吸著水含量ωΓ(平衡蒸汽壓為p/ps=0.4～0.5時的風干土樣), 最大吸著水含量ωMΓ(p/ps≈1); 最大分子容水度ωMMΓ; 塑限ωP, 液限ωL, 這種劃分中吸著水相當于結合水。 在含水量逐漸增加的過程中, 結合水的類型轉換可分為3個階段: 第一階段從干土ωΓ到ωMΓ, 主要形成島狀和多層性質的結合水(主要為強結合水); 第二階段從ωMΓ到ωP, 發展成毛細管水與多層吸著水(弱結合水); 第三階段從ωP到ωL, 土中自由水快速形成。

另外,譚羅榮等[15]根據大量試驗結果提出了利用風干含水量來計算膨脹土比表面積的方法

(2)

Sb=44.129ω65-10.148,

(3)

式中：ω65為相對濕度為65%時的平衡風干質量含水量;ωf為在相對濕度為Hu時的平衡風干質量含水量;Sb為比表面積。 根據這一公式, 本次試驗的膨脹土試樣在相對濕度為40%時的平均平衡風干質量含水率為3.12%, 按式(2)、 (3)可計算其比表面積為Sb=180.05 m2/g。

而土中結合水與體積含水量θbw有如下關系[16]

θbw=lδρbS,

(4)

式中：l為結合水層數,δ=3×10-10m表示每層結合水的厚度;ρb為土壤干密度;S為土壤的比表面積。

根據式(4)計算得ρd為1.1 g/cm3膨脹土試樣每層結合水的體積為0.059 4 cm3/cm3,而1.3 g/cm3的膨脹土每層結合水的體積為0.070 2 cm3/cm3,因此當臨界含水量為0.20 cm3/cm3時結合水的層數約為2.5～3.5層,此時可認為臨界含水量對應為最大吸著水含量wMΓ。

可見，在土體發生收縮過程中,含水量從高到低變化時,將受到毛細力及吸附力的共同作用,當試樣的初始含水量越高,相鄰粘土顆粒的結合水膜越厚,相互間的接觸增多,一旦失水收縮時,水膜厚度減小,土-水體系的三相交界面上之彎液面形成毛細吸力增加,導致體積發生顯著變化,收縮過程經歷的含水量范圍越大,體縮率越大,本次試驗土樣初始最大含水量接近液限,體縮率接近20%。而當初始含水量較低,接近wMΓ時,土-水體系的彎液面消失,失去了毛細吸力的作用,收縮僅由水膜縮小,因此收縮速度大大降低,在收縮曲線上出現明顯的轉折點。

對于貫入強度,當含水量較低時,少量的水主要以較薄的強結合水膜形態分布在顆粒表面,相鄰顆粒間的結合水膜重疊較少,土粒與水膜間未形成粘聚力,此時強度相對較小；隨含水量的增加,水膜重疊厚度增加,土水間形成多層強結合水,這種特征在達到含水量wMΓ時最大,根據前文理論估算,此時膨脹土水膜厚度約為(7.5～10.5)×10-10m;當含水量進一步增大,顆粒間水的形態過渡到弱結合水并產生毛細吸力,毛細吸力有助于增加粒間連結,提高貫入強度,但結合水從強結合水轉換成弱結合水后,由于弱結合水能從水膜較厚的地方向鄰近較薄的地方轉移,對顆粒間起到了“潤滑”的作用,因此使得土體抵抗貫入的能力降低,這種作用要大于毛細吸力引起的強度增長,因此當w>wMΓ后,貫入強度總體出現下降;當含水量超過塑限,土中自由水增加并連通,能夠傳遞水壓力,因此進行貫入的時候,在貫入位置孔隙水壓力迅速增長,強度下降到最低值。

5 結 論

(1)通過收縮試驗發現,干密度相同的土體,隨相鄰粘土顆粒間的接觸增多,土-水體系的三相交界面上彎液面形成的毛細吸力增加,收縮過程經歷的含水量范圍越大,體縮率越大。初始含水量較低接近最大吸著水含量wMΓ時,土-水體系的彎液面消失,失去了毛細吸力的作用,收縮僅由水膜縮小,收縮速度大大降低,在收縮曲線上出現明顯的轉折點。

(2)通過袖珍貫入試驗發現,當wwMT后,弱結合水膜厚度的增大在顆粒間起到了“潤滑”的作用,這種作用大于毛細吸力引起的強度增長,使得土體抵抗貫入的能力降低;含水量超過塑限后,土中自由水增加并連通,貫入位置孔隙水壓力迅速增長,因此強度下降到最低值。

(3)收縮性與貫入強度的試驗曲線均出現了顯著的分段性特征,且特征點一致,在這兩種試驗中,含水量是控制土性變化的主要指標,因此認為土中水的形態轉換是土宏觀指標變化的主要影響因素。有關土中結合水的形態劃分及確定有待于進一步的研究。