Q3原狀黃土與重塑黃土的土水特性研究

張玉偉，宋戰(zhàn)平， 翁效林

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安710055； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064)

1 研究背景

土水特征曲線SWCC(soil-water characteristic curve)是研究黃土力學(xué)特性的基礎(chǔ)[1-2]。土體的滲透性、強(qiáng)度、變形等均與土水特征曲線密切相關(guān)，土體本構(gòu)模型建立也常常用到土水特征曲線模型。目前土水特征曲線方面研究已取得了豐碩的成果，理論方面國(guó)外學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)提出了多個(gè)經(jīng)典的經(jīng)驗(yàn)公式[3-8]，得到了廣泛的認(rèn)同與應(yīng)用，試驗(yàn)方面，王鐵行等[9]開(kāi)展了重塑砂土土水特征試驗(yàn)，研究了砂土密度對(duì)吸力變化的影響；王世梅等[10]開(kāi)展了某滑坡重塑紅黏土的土水特征試驗(yàn)，研究了土體應(yīng)力狀態(tài)對(duì)吸力變化的影響；陶高梁等[11-12]基于分形理論，探討了黏粒含量和土體壓縮變形對(duì)土水特征曲線的影響，并利用已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證；張昭等[13]利用GCTS土水特征曲線儀，測(cè)定了無(wú)壓和固結(jié)壓力下Q3黃土土水特征曲線，引入“水土體積比”對(duì)不同土體進(jìn)行分析；褚峰等[14]分析了天然干密度和豎向應(yīng)力對(duì)原狀黃土土水特性的影響；周葆春等[15]系統(tǒng)分析了土體含水率改變導(dǎo)致其孔隙體積變化，進(jìn)而研究了孔隙變化下土體的土水特征曲線變化規(guī)律；譚曉慧等[16]采用滲析法及濾紙法測(cè)定了膨脹土的土-水特性，以Van Genuchten模型為基礎(chǔ)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了曲線擬合。可以看出學(xué)者們已對(duì)土體材料的土水特性開(kāi)展了較多的研究，并逐漸認(rèn)識(shí)到孔隙變化對(duì)土水特性具有重要影響，但目前關(guān)于Q3黃土土水特性的研究相對(duì)較少，而且Q3黃土具有明顯的孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙變化對(duì)其土水特性的影響非常明顯，因此本文系統(tǒng)研究Q3黃土的土水特性，著重考慮Q3黃土的孔隙變化對(duì)土水特征曲線的影響，分別制備原狀試樣和不同孔隙比重塑黃土試樣，采用15bar壓力膜儀進(jìn)行Q3原狀試樣和不同孔隙比重塑試樣的試驗(yàn)，系統(tǒng)分析Q3黃土的土水特性，進(jìn)而采用經(jīng)典模型對(duì)原狀黃土和重塑黃土試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合驗(yàn)證，分析現(xiàn)有經(jīng)典模型對(duì)Q3黃土土水特性預(yù)測(cè)的適用性，并探討孔隙變化對(duì)SWCC的影響規(guī)律。

2 Q3原狀黃土與重塑黃土的土水特性試驗(yàn)

2.1 SWCC測(cè)試方法

采用1500F1型壓力膜儀(圖1)開(kāi)展測(cè)試[17]，壓力膜儀測(cè)試裝置包括增壓泵、保壓閥門(mén)、密閉壓力室和集水管，增壓泵提供持續(xù)性壓力，通過(guò)閥門(mén)調(diào)節(jié)試驗(yàn)所需的壓力值，壓力室提供保壓空間，壓力室下方陶瓷板浸水飽和時(shí)可使室內(nèi)外壓力保持平衡，平衡條件下，土體吸力值與外加壓力值相等，土樣脫水過(guò)程的吸力值變化可通過(guò)加壓系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，土體排水量進(jìn)入集水管，通過(guò)排水量可計(jì)算出任何試驗(yàn)階段土體的體積含水率。

圖1 1500F1壓力膜儀

壓力膜儀壓力室中的陶瓷板分布有細(xì)密的小孔，浸濕時(shí)由于受到表面張力作用，小孔表面會(huì)形成收縮膜，阻止空氣進(jìn)入內(nèi)部，壓力室內(nèi)部壓力較大，達(dá)到土體脫濕的目的，陶瓷板小孔收縮膜內(nèi)外壓差即為基質(zhì)吸力(見(jiàn)圖2)，陶瓷板保壓極限值可通過(guò)下式計(jì)算：

sd=(ua-uw)d=2Ts/Rs

(1)

式中：sd為進(jìn)氣值；Ts為水膜表面張力；Rs為水膜曲率半徑。

壓力室內(nèi)土樣內(nèi)部水分受到壓差作用逐漸排出，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各階段閥門(mén)壓力值和集水管排水量，即可得到土體體積含水率和吸力之間的變化關(guān)系，最終得到土樣的土水特征曲線。

圖2 土顆粒與陶瓷板的接觸示意圖

2.2 試驗(yàn)方案及過(guò)程

本文考慮Q3黃土孔隙變化對(duì)SWCC的影響，此外還關(guān)注現(xiàn)有經(jīng)典模型對(duì)黃土土水特性預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，分別制備Q3黃土原狀試樣和重塑試樣開(kāi)展試驗(yàn)，重塑試驗(yàn)考慮了孔隙變化影響。原狀試樣和重塑試樣均由施工現(xiàn)場(chǎng)取土制得，同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)土樣的基本參數(shù)測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1所示。試驗(yàn)過(guò)程增壓值設(shè)置為10、20、40、60、80、100、150、200、250、300、350、400、450、500 kPa。

表1 現(xiàn)場(chǎng)黃土土樣基本參數(shù)

原狀土樣采用環(huán)刀削樣，環(huán)刀為直徑61.8 mm、高度20 mm的標(biāo)準(zhǔn)小環(huán)刀，原狀土樣如圖3所示。擬制備的重塑土樣孔隙比分別為0.85、0.8、0.75、0.7、0.65、0.6，不同孔隙比重塑土樣由壓樣器(如圖4)來(lái)制備，制樣原理如下：小環(huán)刀體積為V=πr2h=59.99 cm3，根據(jù)干密度的定義ρd=ms/V，得到不同干密度ρd所需要一個(gè)小環(huán)刀樣的干土量ms，含水率設(shè)定為原狀土含水率，可得到小環(huán)刀樣所需水量，稱取干土量ms和所需水量，通過(guò)壓樣筒可依次制備不同孔隙比的重塑黃土試樣。

圖3 原狀土樣制備

圖4 重塑土樣制備

按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中要求，試樣飽和采用毛細(xì)管飽和法，土樣飽和度大于95%認(rèn)為符合要求。每級(jí)加壓平衡后記錄集水管讀數(shù)，每級(jí)壓力對(duì)應(yīng)的排水量為：

mwj=α·Δh

(2)

式中：α為標(biāo)定參數(shù)，g/mm；Δh為兩級(jí)壓力下集水管讀數(shù)差，mm。

最大壓力穩(wěn)定時(shí)的含水量記作mwf，每級(jí)壓力下含水率為：

(3)

重力含水率為：

wi=mwi/ms

(4)

可得：

θi=ωiρd/ρw

(5)

式中：mwf為最大壓力對(duì)應(yīng)的水重量，g；mwi為加壓過(guò)程不同壓力對(duì)應(yīng)的含水量重量,g；n為加壓等級(jí)；ωi為加壓過(guò)程不同壓力對(duì)應(yīng)的重量含水率；θ為加壓過(guò)程不同壓力對(duì)應(yīng)的體積含水率；ρd為試樣干密度，g/cm3；ρw為4℃水的密度,g/cm3。由上述公式計(jì)算得到不同壓力等級(jí)下土樣的體積含水率，結(jié)合讀取的增壓值得到不同試樣的土水特征曲線。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 原狀黃土SWCC

圖5為Q3黃土原狀試樣的試驗(yàn)結(jié)果，由圖5(a)可看出原狀黃土SWCC經(jīng)歷了快速減小、緩慢減小、穩(wěn)定3個(gè)階段，初始段體積含水率隨吸力變化敏感，隨著排水的進(jìn)行，吸力逐漸增大，最終基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，圖5(b) 可看出Q3原狀黃土進(jìn)氣值為20 kPa左右，當(dāng)初始段基質(zhì)吸力低于100 kPa時(shí)，土體內(nèi)部自由水較多，飽和度較大，自由水排出一部分對(duì)吸力大小影響不明顯，土體飽和度仍然較高，對(duì)于黃土來(lái)說(shuō)，此階段可認(rèn)為土體處于飽和階段(飽和度Sr處于85%～100%)，土體處于飽和濕陷狀態(tài)，體積含水率的變化對(duì)吸力影響很小，土體性質(zhì)改變也很小；當(dāng)吸力超過(guò)100 kPa而小于400 kPa時(shí)，土體進(jìn)一步排水逐漸進(jìn)入不飽和狀態(tài)，土體吸力明顯增大，此時(shí)土體含水率變化常常引起吸力值的敏感變化，吸力改變也會(huì)引起土體性質(zhì)急劇變化，對(duì)于濕陷性黃土而言，此階段對(duì)應(yīng)著土體強(qiáng)烈濕陷階段，土體處于不飽和狀態(tài)(飽和度Sr小于85%，大于殘余飽和度)，土體浸水導(dǎo)致含水率變化，引起吸力的明顯變化，內(nèi)部土顆粒粘聚力急劇降低，土顆粒排列更為緊密，宏觀上表現(xiàn)為浸水濕陷變形；當(dāng)吸力超過(guò)400 kPa時(shí)，土體內(nèi)部自由水較少，剩余難以排出的結(jié)合水，土顆粒之間的吸力作用較大，土體具有明顯的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3.2 不同孔隙比重塑黃土SWCC

圖6給出不同孔隙比重塑試樣的土水特征試驗(yàn)結(jié)果，圖6(a)顯示重塑黃土的土水特征曲線與原狀黃土整體變化趨勢(shì)一致，同樣可分為3個(gè)變化階段，初始段土體含水改變對(duì)吸力影響較小，隨著排水的進(jìn)行，土體吸力變化逐漸增大，最終達(dá)到穩(wěn)定，但可看出孔隙比對(duì)SWCC的影響非常顯著，孔隙比較大時(shí)，相比于孔隙比較小時(shí)初始段體積含水率變化對(duì)吸力影響更小，說(shuō)明土體孔隙大時(shí)的持水能力更強(qiáng)，隨著排水過(guò)程，孔隙較大時(shí)達(dá)到的參與體積含水率較小，孔隙較小時(shí)殘余體積含水率較大，說(shuō)明土體孔隙大時(shí)的自由水較多，排水量更大；圖6(b)顯示土體孔隙比對(duì)其進(jìn)氣值影響也較為明顯，土體孔隙比大時(shí)的進(jìn)氣值較小，土體孔隙比小時(shí)的進(jìn)氣值較大，說(shuō)明土體孔隙較大時(shí)飽和狀態(tài)排水更容易，土體孔隙較小時(shí)排水困難，這是因?yàn)榭紫侗容^大時(shí)，土樣內(nèi)部排水通道更加通暢，自由水遷移阻力相對(duì)小，隨著吸力增大，自由水逐漸排出，孔隙較小時(shí)，土體內(nèi)部連通性相比大孔隙土體有所減弱，迂曲度增大，自由水在土體內(nèi)部遷移阻力更大，隨著吸力增加土體內(nèi)部自由水排水相對(duì)困難。因此，整體來(lái)看孔隙比對(duì)Q3黃土土水特性的影響明顯，孔隙變化對(duì)土水特征曲線的影響不可忽視。

圖5 原狀黃土土水特征曲線

圖6 不同孔隙比重塑黃土土水特征曲線

3.3 理論模型擬合分析

國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及某些假定提出了許多經(jīng)典的土水特征曲線模型，其中包括Brooks and Corey 模型[3]、Van Genuchten 模型[4]、Gardner 模型[5]、Fredlund & Xing 模型[6]，這些模型多針對(duì)于黏土提出，并且上述模型均沒(méi)有考慮孔隙變化的影響，是否適用于Q3黃土不得而知，因此分別采用Brooks and Corey 模型(簡(jiǎn)稱B-C模型)和Van Genuchten 模型(簡(jiǎn)稱V-G模型)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合對(duì)比，分析兩個(gè)模型對(duì)Q3黃土的適用性。

Brooks and Corey 模型：

(6)

式中：Se為有效飽和度；Ψa為進(jìn)氣吸力值；Ψ為吸力；λ為土性參數(shù)。

又由：

(7)

則B-C模型以體積含水率可表示為：

(8)

Van Genuchten模型：

(9)

以體積含水率來(lái)表示：

(10)

式中:a、m、n均為土體參數(shù);m、n的關(guān)系一般假定為m=1-1/n或m=1-2/n。

首先對(duì)B-C模型和V-G模型參數(shù)進(jìn)行確定，由式(8)可知，B-C模型包括進(jìn)氣值Ψa、孔隙分布指數(shù)λ、飽和體積含水率θs和殘余體積含水率θr4個(gè)參數(shù)，其中飽和體積含水率θs可由飽和度換算得到，換算關(guān)系為θs=(e/(1+e))Srs；殘余體積含水率θr為吸力無(wú)窮大時(shí)的體積含水率，本文采用Mualem提出確定殘余狀態(tài)體積含水率θr的方法確定[18]。另外進(jìn)氣值Ψa和土體參數(shù)λ可以通過(guò)試驗(yàn)擬合得到，最終確定B-C模型的4個(gè)參數(shù)如表2所示。

表2 原狀黃土B-C模型參數(shù)

V-G模型需要確定θs、θr、a、m、n，其中取m=1-1/n，θs、θr的確定方法與B-C模型一致，參數(shù)a、n則由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合確定，最終得到V-G模型參數(shù)見(jiàn)表3所示：

表3 原狀黃土V-G模型參數(shù)

圖7 兩個(gè)模型對(duì)原狀黃土土水特征曲線的擬合結(jié)果

圖7給出了B-C模型和V-G模型對(duì)原狀黃土土水特征曲線的擬合結(jié)果，由圖7可知V-G模型整體擬合效果較好，尤其在初始吸力段，V-G模型擬合效果明顯優(yōu)于B-C模型，高吸力段兩者擬合效果均較好。分析認(rèn)為B-C模型假定吸力小于進(jìn)氣值時(shí)，體積含水率保持為初始值，事實(shí)上即使吸力較小時(shí)，其微小改變也會(huì)引起體積含水率的微小改變，因此在初始吸力段存在偏差，此外模型的參數(shù)確定也存在一定誤差，導(dǎo)致擬合結(jié)果存在偏差；V-G模型給出了體積含水率和吸力關(guān)系曲線，尤其初始段精確描述了兩者的關(guān)系，因此整體擬合效果較好。對(duì)于常規(guī)土體，孔隙變化不明顯，初始吸力段可近似認(rèn)為體積含水率隨吸力的變化不大，可能B-C模型和V-G模型誤差不大，但對(duì)于具有大孔隙性的非飽和黃土，初始段體積含水率與吸力變化明顯，B-C模型預(yù)測(cè)效果較差，因此對(duì)于Q3原狀黃土的土水特征曲線可用V-G模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.4 討論

由3.3節(jié)可看出，V-G模型可描述原狀黃土的土水特性，但原模型中沒(méi)有引入孔隙比，無(wú)法描述孔隙比對(duì)土水特性的影響。本試驗(yàn)中同時(shí)測(cè)得不同孔隙比重塑土樣的土水特征曲線，試驗(yàn)結(jié)果表明孔隙比對(duì)重塑黃土土水特征曲線的影響非常明顯，引起進(jìn)氣值和初始吸力段明顯不同，孔隙變形不得不考慮，但上述兩種模型均無(wú)法合理考慮孔隙比對(duì)土水特征曲線的影響，如果采用上述模型進(jìn)行預(yù)測(cè)則需要分別開(kāi)展不同孔隙比土水特征曲線模型的參數(shù)擬合試驗(yàn)，工作量較大，因此采用上述模型進(jìn)行不同孔隙比的重塑黃土的土水特性預(yù)測(cè)較為困難，而黃土具有明顯的結(jié)構(gòu)性，浸水誘發(fā)土體內(nèi)部孔隙改變非常顯著，必然對(duì)其土水特性造成更加顯著的影響，因此建立考慮孔隙影響的SWCC來(lái)預(yù)測(cè)黃土的土水特性變化具有重要意義，這方面很多學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始了研究，但針對(duì)于Q3黃土的研究還比較少見(jiàn)。本文研究表明，對(duì)于具有大孔隙的Q3黃土，V-G模型可用于原狀黃土土水特征曲線的預(yù)測(cè)，但對(duì)比孔隙比對(duì)土水特征曲線的影響模擬無(wú)能為力，試驗(yàn)結(jié)果表明孔隙變化對(duì)土水特征曲線的影響不可忽略，因此后續(xù)從孔隙變形入手，建立具有實(shí)用性的SWCC模型是一個(gè)需要深入研究的方向。

4 結(jié) 論

(1)Q3黃土土水特征曲線分為快速減小、緩慢減小和穩(wěn)定3個(gè)階段，快速減小階段土體飽和度較高，吸力較小，土體孔隙排水容易，緩慢減小階段空氣進(jìn)入土體內(nèi)部孔隙，進(jìn)氣吸力值為20 kPa左右，吸力增大，土體孔隙排水變的困難，穩(wěn)定階段土體飽和度很低，土體進(jìn)入大吸力段，土體孔隙排水不明顯。

(2)孔隙比對(duì)重塑黃土SWCC有顯著影響，孔隙比較大時(shí)，初始段體積含水率變化對(duì)吸力影響更小，土體持水能力更強(qiáng)，隨著排水過(guò)程，孔隙較大時(shí)達(dá)到的殘余體積含水率較小，孔隙較小時(shí)殘余體積含水率較大，孔隙比對(duì)進(jìn)氣值影響明顯，土體孔隙比大時(shí)的進(jìn)氣值較小，孔隙比小時(shí)的進(jìn)氣值較大。

(3)分別采用B-C模型和V-G模型與原狀黃土試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了擬合對(duì)比，V-G模型擬合效果明顯優(yōu)于B-C模型。但兩者均無(wú)法預(yù)測(cè)孔隙變形對(duì)土水特征曲線的影響，如何引入孔隙指標(biāo)描述孔隙變形對(duì)土水特征曲線的影響尚需進(jìn)一步研究。