室內(nèi)高液限紅粘土基質(zhì)吸力量測與土-水特征研究

摘要：基于非飽和土濾紙法原理，制作了一種室內(nèi)基質(zhì)吸力量測裝置，得到了一種制作簡單、操作方便、成本低廉、結(jié)果可靠且對操作者要求嚴格的非飽和土基質(zhì)吸力量測裝置，通過此裝置針對不同初始干密度和溫度條件下體積含水率介于30～46%之間的高液限紅粘土土水特征曲線。并采用Van Genuchten參數(shù)模型，通過MATLAB計算軟件及最小二乘法對土水特征試驗成果進行擬合分析，得到了一個綜合考慮初始干密度和溫度的土水特征數(shù)學模型，結(jié)果表明，該模型可對高液限紅粘土土水特征曲線進行較好的擬合。通過對這2種不同影響因素的分析，發(fā)現(xiàn)試樣本身物理狀態(tài)及試樣外部環(huán)境均對土水特征曲線有重要的影響，即初始含水率和溫度相同時，初始干密度越大，土樣基質(zhì)吸力越小，儲水性能越差;初始含水率和初始干密度相同時，溫度越高，土樣基質(zhì)吸力越小，儲水性能越差。

關(guān)鍵詞：高液限;紅粘土;量測裝置;土水特征曲線

中圖分類號：TU41 ???文獻標識碼：A ???文章編號：1671-2064（2019）17-0000-00

0 引言

郴州等湘南地區(qū)在建公路的地基及填土大部分屬于高液限紅粘土。由于高液限紅粘土中基質(zhì)吸力是是一個重要的參數(shù)，通過該參數(shù)能較好的描述非飽和土中水的能態(tài)大小，同時還可以實現(xiàn)土體部分工程特征演變規(guī)律的準確描述，主要包括土體強度、土內(nèi)水氣運動狀態(tài)以及土體性質(zhì)的變化等。所以，針對高液限紅粘土中基質(zhì)吸力進行精確測量，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)路基高液限紅粘土特征的精確表征具有重要的現(xiàn)實意義，通過高液限紅粘土基質(zhì)吸力量測有助于更好的探討路基由于溫度變化或壓實度不足等引起的一系列路基質(zhì)量問題。

土水特征曲線（SWCC）是描述高液限紅粘土的重要參數(shù)，是非飽和土中吸力（總吸力或基質(zhì)吸力s）與重力含水率w（）或體積含水率（）或飽和度S（）之間的關(guān)系。實質(zhì)上是以含水率形式描述的與土中吸力變化相關(guān)的非飽和土的儲水（持水）性能。土水特征曲線是研究非飽和土的重要手段，通過該曲線能夠更好的掌握非飽和土的很多性能。

工程應(yīng)用中，用來量測非飽和土基質(zhì)吸力的措施有很多種，常見的包括張力計法、濾紙法等，不同的量測方法都具有各自的特點，得到的結(jié)果精度也存在一定的差異。大量的實踐經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，濾紙法在量測非飽和土基質(zhì)吸力時具有顯著的優(yōu)勢，不僅能夠得到準確的結(jié)果，同時還具有操作簡便、成本低等優(yōu)勢。

1 室內(nèi)量測裝置的設(shè)計制作

濾紙法在量測非飽和土基質(zhì)吸力時其工作原理可以概述為，將濾紙視為一種傳感器，并且假定濾紙能與具有一定吸力的土體（在水分流動意義上）達到平衡。測量過程中，若土樣與濾紙是接觸的，則得到的是土中基質(zhì)吸力與土中水的關(guān)系。傳統(tǒng)濾紙法所需的試驗設(shè)備有濾紙、電子天平、烘箱、大小密封罐、恒溫箱、溫度計、保鮮袋、絕緣膠帶等。為了研制一種室內(nèi)的基質(zhì)吸力量測裝置，在濾紙法原理的基礎(chǔ)上，對試驗設(shè)備進行改裝，以達到試驗過程中濾紙與土體能充分的達到水土平衡^[1]。改裝后的試驗裝置所示，其中，大密封罐采用Φ90×50mm（體積為317.9mm³）的塑料密封罐;小密封罐采用HRB235鋼鐵制作的尺寸為Φ61.8×42mm（體積為125.9mm³）的容器，并用保鮮袋將該容器良好的密封，本研究使用的電子天平具有非常高的精度，為0.0001g;濾紙為國內(nèi)某廠家生產(chǎn)，其型號為“雙圈”牌No.203，該種型號的濾紙能夠開展定量研究，基質(zhì)吸力率定方程描述如：

2試驗用土的基本特性

試驗選用土樣均大量來源于廈成高速公路湖南郴州試驗段高液限紅粘土土樣，所取土樣均為重塑樣，土樣呈紅褐色，其基本物理性質(zhì)指標符合試驗用土的基本特性。

3試驗方案與步驟

3.1試驗方案

按《土工試驗方法標準》要求，據(jù)室內(nèi)輕型擊實試驗，得到高液限紅粘土的最佳含水量w_op為20.6%，最大干密度ρ_dmax為1.6g/cm³。試驗中，試樣初始含水率均設(shè)為26.1%;壓實度控制為85%、90%、94%，即設(shè)計初始干密度分別為1.36g/cm³、1.44g/cm³、1.50g/cm³三組密度狀態(tài);溫度分別控制為16℃、26℃、36℃三組溫度狀態(tài)。試驗所用土樣共九組，每組六個^[2]。

3.2試驗步驟

3.2.1 試樣制備

按《土工試驗規(guī)程》要求，首先將高液限紅粘土風干并搗碎處理，然后利用2mm分樣篩對其進行處理，把通過篩孔的樣品配制成土樣，控制初始含水率在26.1%，再采用控制干密度的三軸制樣法，將高液限紅粘土土樣由初始含水率為26.1%的土料分別壓實至1.36g/cm³、1.44g/cm³、1.50g/cm³（試樣均為Φ61.8×42mm的圓柱形試樣，按重量等分為兩份分別進行壓實操作）;其次，為了獲得不同不同的基質(zhì)吸力值的土樣，需要對不同土樣的濕度進行嚴格控制，不同的處理方法包括風干脫水、密封保濕、浸水飽和和真空飽和;然后將干濾紙水平放置在經(jīng)過濕度控制后的試樣上面進行接觸法量測，其中干濾紙總共有三層，上層和下層的直徑為6厘米，其作用是保護中間層的濾紙，而中間層的濾紙的直徑只有5厘米，只有該層濾紙用于量測。干濾紙安置完成后需要通過絕緣膠帶對接縫處進行緊密黏貼，同時還需要將試樣置于保鮮袋內(nèi)進行密封包裹，然后再將包裹好的試樣放置在密封罐內(nèi)并對灌口進行密封處理;最后把準備好的試樣分別置于保溫箱內(nèi)處理10天，每個保溫箱設(shè)置好對應(yīng)的溫度。

3.2.2 取樣測試

對于濾紙含水率的量測，其主要操作過程有^[3]：（1）在確保測量結(jié)果精度的前提下以最快的速度測量冷鋁盒、冷鋁盒+濕濾紙的重量，兩者之差就是濕濾紙的重量;（2）冷鋁盒連同濕濾紙一起放置在烘烤箱內(nèi)連續(xù)烘烤24小時，其中冷鋁盒處于半開狀態(tài)、烘烤箱的溫度設(shè)置成105℃;（3）將烘箱打開，同時把處于半開狀態(tài)的鋁盒徹底蓋上，讓鋁盒在烘箱內(nèi)部繼續(xù)處理3分鐘，將熱鋁盒+濾紙同時取出，利用冷卻鋁棒對其進行冷卻處理，時間持續(xù)30秒，用前面同樣的方法以最快的速度分別測量鋁盒、鋁盒+濾紙的重量，兩者之差值就是干濾紙的重量;（4）基于濕濾紙和干濾紙兩者的重量，就可以計算得到濾紙的含水率。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1考慮初始干密度的土水特征曲線

通過試驗得到3種不同初始干密度高液限紅粘土在體積含水率為30～46%范圍內(nèi)的土水特征曲線，如圖1所示。

結(jié)果分析：雖然曲線不夠完整，不能看到曲線的進一步發(fā)展趨勢，但大致可判定不同干密度的土體，其進氣值與儲水系數(shù)不同。從圖1可知，干密度對進氣值（飽和含水率）以后的曲線斜率有很大的影響，干密度較小的土體儲水系數(shù)較大。特別是干密度為1.36g/cm³的土樣，曲線的斜率變化大，其儲水系數(shù)明顯大于其他兩個。由此可以得知，干密度越小，土水特征曲線中起始的體積含水率相對較高，其下降的速度越大，即曲線斜率越大。

4.2考慮溫度的土水特征曲線

通過試驗得到3種不同初始干密度、3種不同溫度的高液限紅粘土在體積含水率為30～46%范圍內(nèi)的土水特征曲線，如圖2、3、4所示。

結(jié)果分析：（1）當試樣的初始干密度和含水率相同時，不同溫度的土水特征曲線差別不是非常大，且它們的演變規(guī)律相似。如果基質(zhì)吸力較大或體積含水率較低，那么表現(xiàn)出來的土水特征曲線相對比較平緩。具有相同基質(zhì)吸力的土樣，當具有不同溫度時其體積含水率基本相同，但是具有相同含水率的土樣，當具有不同溫度時其基質(zhì)吸力卻有著非常大的不同。基于此，針對非飽和土的力學性質(zhì)及水分遷移開展分析時，如果溫度范圍較大時，就必須要充分考慮溫度對結(jié)果造成的影響。（2）同一初始含水率、不同初始干密度和不同溫度的試樣，其進氣值和儲水系數(shù)不同。從圖2、3、4可知，溫度對進氣值以后的曲線斜率影響較大，溫度越高的土體儲水系數(shù)越小。初始干密度越大，溫度越高，則試樣的儲水系數(shù)越小，持水性能越差。

5 結(jié)語

（1）自行設(shè)計制作的室內(nèi)非飽和土基質(zhì)吸力量測裝置，用于高液限紅粘土等粘性土的測定具有價格低廉、制作簡單、操作便利、結(jié)果可靠和對操作者要求嚴格的特點，適用于大范圍吸力的量測。在實際操作中，需對濾紙法測試土體含水率的范圍進行界定。（2）雖然曲線不夠完整，但大致可判定初始干密度和溫度對高液限紅粘土土水特征曲線的影響主要體現(xiàn)在：土的進氣值和儲水系數(shù)。初始含水率一定的條件下，初始干密度和溫度對進氣值以后的曲線斜率有很大影響，初始干密度越大，則土樣基質(zhì)吸力越小，持水性能越差;溫度越高，則土樣基質(zhì)吸力越小，儲水性能越差。值得注意，在基質(zhì)吸力較高或體積含水率較小時，溫度變化引起的基質(zhì)吸力變化值較小;反之，基質(zhì)吸力變化值較大。溫差越大，基質(zhì)吸力變化越大。基于此，針對非飽和土的力學性質(zhì)及水分遷移開展分析時，若溫差較大，則不可忽略溫度的影響。（3）基于試驗數(shù)據(jù)的分析，給出了考慮初始干密度和溫度影響的土水特征曲線模型關(guān)系式，并通過對比分析計算值和實測值，驗證了該關(guān)系式的準確性。

參考文獻

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[2]白福青，劉斯宏，袁驕.濾紙法測定南陽中膨脹土土水特征曲線試驗研究[J].巖土工程學報，2011（6）：928-933.

[3]唐東旗，彭建兵，孫偉青.非飽和黃土基質(zhì)吸力的濾紙法測試[J].煤田地質(zhì)與勘探，2012（5）：37-41.

收稿日期：2019-07-23

作者簡介：蔣鑫（1987—）女，湖南衡陽人，碩士研究生，工程師，研究方向：工程地質(zhì)勘察。