黏性土土水特征曲線基本參數的確定

孫德安, 張 舟, 高 游, 陳 波

(1.上海大學土木工程系,上海200444;2.衢州學院建筑工程學院,浙江衢州324000)

土水特征曲線可以表示吸力與含水率或飽和度之間的關系,表明土體持水能力的大小,是非飽和土工程性質中的重要特性[1-3].土水特征曲線的準確量測是預測非飽和土強度、滲透性以及本構關系的基礎.在非飽和土滲透性的預測中,應用較廣泛的非飽和滲透系數模型中含有有效飽和度Se=(Sr?Sre)/(1?Sre),其中Sr為飽和度,Sre為殘余飽和度[4].Kim等[5]利用有效飽和度Se代替非飽和強度預測公式中的飽和度,指出殘余點取值對非飽和土強度增強項預測的結果影響較大.此外,很多本構模型涉及到進氣值等基本參數.因此,準確確定土水特征曲線進氣值和殘余點對非飽和土的研究具有重要的意義.

目前,試樣的進氣值和殘余點主要是通過飽和度與吸力的關系來確定.在非飽和土土水特性試驗的過程中,準確量測試樣的體積變化是關鍵,特別是在吸力施加過程中體積變化較大的土體.文獻[6-7]中給出了第三層上海軟土的土水特征曲線,其中以含水率與吸力關系整理得到的持水特性幾乎相似,但是以飽和度整理,則存在較大的差異,如圖1所示.可能原因是文獻[7]中未能準確量測非飽和化過程中體積的變化,導致曲線下降較快,確定的進氣值偏低.

圖1 上海軟土原狀樣的土水特征曲線Fig.1 SWCC of undisturbed Shanghai soft clay

本工作選取上海某基坑原狀軟土為研究對象,利用壓力板法(0～1.5 MPa)與飽和鹽溶液法(3.29～367.54 MPa)研究上海軟土在廣吸力范圍內的土水特性.首先,綜合文獻和本工作數據,詳細分析了上海原狀土的吸力與含水率、吸力與飽和度關系;然后,基于上海軟土的變形特性提出了如何準確利用吸力與含水率關系確定進氣值和殘余點的方法,此法可以避開因試樣體積不準確的量測而影響其進氣值和殘余點準確確定的問題;最后,利用本工作的實測數據和已有文獻的試驗數據驗證此法的可行性.

1 試驗概況

試驗土樣為上海某基坑的淤泥質黏土,取土深度約為9～11 m.相對密度為2.72.圖2(a)是利用激光粒度分析儀測得的上海軟土的顆粒級配曲線.從圖可知,黏粒成分(<5μm)約占22%.原狀樣的含水率大致為45%～50%,孔隙比大致為1.23～1.33.

圖2(b)為由壓縮試驗所測得的飽和上海軟土的壓縮曲線,加荷等級為6～1 600 kPa.由圖可知,壓縮指數Cc約為0.408,回彈指數Ce約為0.062.由Cassagrande提出的經驗作圖法可知,前期固結壓力pc約為100 kPa.

圖2 上海軟土的顆粒級配曲線和壓縮曲線Fig.2 Grading curve and compression curve of Shanghai soft clay

壓力板法使用的儀器為美國GCTS公司生產的SWCC-150土水特征壓力儀.采用壓力板法獲得土樣吸力為0～1.5 MPa的土水特征曲線.對于壓力板法所用的環刀試樣,先用鋼絲鋸切取稍大于環刀的土塊,環刀內壁涂抹凡士林,刃口向下放在土塊上,垂直下壓,并用鋼絲鋸沿環刀外側切削土樣,整平環刀兩端土樣.

采用飽和鹽溶液蒸汽平衡法獲得吸力為3.29～367.54 MPa的土水特征曲線.將制備好的環刀樣抽氣飽和后切成小塊,放入底部裝有過飽和鹽溶液的保濕缸中,并放置于上方,進行脫濕平衡試驗;每個環刀試樣平均切成8小塊,每種溶液上方放置兩小塊飽和樣,一塊用于測量吸力平衡后的含水率,另一塊根據阿基米德原理測量其體積.對進行吸濕平衡試驗的小塊土樣,先烘干,再放入保濕缸中蒸汽平衡.此外,飽和蒸汽鹽溶液蒸汽平衡法中對溫度的控制要求比較高,即在試驗過程中需要保證環境溫度相對恒定.試驗中所用的飽和鹽溶液相對濕度(relative humidity,RH)和對應的吸力值[8],如表1所示.

表1 飽和鹽溶液及其對應的吸力值(20?C)Table 1 Saturated salt solution and corresponding suctions(20?C)

2 結果分析

圖3是利用兩種試驗方法測得的廣吸力范圍內上海軟土的土水特征曲線.從圖中可以看出,兩種試驗方法在吸力相近時測得的土水特征曲線具有較好的一致性,表明兩種方法結合后能夠較好地測定廣吸力范圍內的上海軟土土水特征曲線.

目前,土樣的進氣值和殘余吸力值一般利用吸力與飽和度關系圖中的邊界區、過渡區和殘余區切線的交點來確定.如從圖3(b)可得到上海軟土的進氣值sae和殘余吸力值?re分別約為580 kPa(與文獻[6]的結果基本吻合)和13.8 MPa.但也有部分學者利用吸力與含水率的關系圖來確定進氣值,且圖中邊界區的直線往往用水平線或簡單的一段直線來表示.這種方法對于非飽和化過程中變形較大的土體,確定的進氣值和殘余吸力值會存在較大的誤差.如圖3(a)中,a點的吸力值約為120 kPa,與采用飽和度與吸力關系確定的進氣值580 kPa相差甚遠;圖3(a)中b點的吸力值約為20 MPa,與用飽和度與吸力關系確定的殘余吸力值13.8 MPa相差較大.因此,Pasha等[9]討論了不同應力狀態下進氣值的確定方法.另外,對于變形較大的土體,隨著吸力的增大,體積會產生明顯的收縮.因此,準確量測試樣體積是準確確定土水特征曲線基本參數的關鍵.對比不同文獻中的數據可知,對于同一土樣,分別確定的進氣值相差較大(見圖1).

圖3 廣吸力范圍內上海軟土原狀樣土水特征曲線Fig.3 SWCC of undisturbed Shanghai soft clay in wide suction range

3 吸力與含水率關系確定進氣值和殘余點

對于進氣值較大且在非飽和過程中變形較大的土體,如本工作中的上海黏土(進氣值為580 kPa),若在土水特性試驗中施加在試樣上的吸力小于進氣值時(即試樣處于飽和狀態),所施加的吸力等效于壓縮試驗中所施加的壓力,此時體積的變化量即為試樣排出水的體積量.因此,在土水特性試驗中,可將土水特征曲線分為3個階段:①當吸力小于試樣的前期固結壓力(ssae時,土體變成非飽和狀態.因此,可將吸力與含水率關系圖中邊界區的曲線分為第一階段直線和第二階段直線,兩直線的交點即為前期固結壓力pc,其進氣值可由含水率與吸力關系圖中的第二階段直線和第三階段(即過渡區)直線交點確定.

若施加的吸力小于進氣值,土體幾乎處于飽和狀態,施加的吸力等同于各向等壓應力(即s=p)施加在土樣上,此過程類似飽和土的等向壓縮過程,此時排出水的體積量即為土體體積的變化量.飽和土的飽和度Sr=100%,根據e=Gsw/Sr可知

式中:Gs為土顆粒比重;?e為孔隙比的變化量;?w為重量含水率的變化量.

當s

式中:Ce為回彈指數,如圖2(b)中圧縮曲線中回彈段的斜率;p為施加于土樣的等向應力,即施加的吸力s.

將式(2)代入式(1),可得

當吸力小于進氣值時,土體處于飽和狀態,所施加的吸力s等同于等向應力p施加在土樣上.故吸力與含水率關系圖中第一階段直線的斜率為

同理可知,當pc

式中,Cc為壓縮指數,如圖2(b)中壓縮曲線正常固結段的斜率.

因此,吸力與含水率關系圖中第一階段和第二階段直線的斜率分別為Ce/Gs和Cc/Gs,再由第二階段直線和第三階段直線的交點可較準確地確定吸力與含水率關系圖中的進氣值.利用單一直線方法,如圖3(a)所示,與本節的方法確定進氣值相比,其過渡區的直線斜率會發生變化,因此殘余吸力值的準確確定也會隨之受影響.

圖4為考慮上海軟土的變形特性時由吸力與含水率關系所確定的進氣值.由圖可知,邊界區有兩段斜率不同的直線,可確定其進氣值和殘余吸力值分別約為600 kPa和13 MPa.這與利用吸力與飽和度關系(圖3(b))所確定的進氣值580 kPa和殘余吸力值13.8 MPa基本吻合.

圖4廣吸力范圍內上海軟土進氣值和殘余點的確定Fig.4 Determinations of air entry value and residual point for Shanghai soft clay in wide suction range

圖5 為等向壓縮試驗測得的預固結泥漿黏土樣的壓縮曲線,其中試驗數據見文獻[10].由圖可知,壓縮指數Cc約為0.099,回彈指數Ce約為0.016,前期固結壓力pc約為130 kPa.此外,預固結泥漿黏土樣的相對密度為2.72,液限28%,塑限18%[10].

圖5預固結黏土的壓縮曲線Fig.5 Compression curve of reconstituted clay

圖6 為由吸力與含水率的關系圖所確定預固結泥漿黏土樣的進氣值與殘余點,以及利用飽和度與吸力所確定的進氣值與殘余點的關系圖,其中實測數據見文獻[10].由圖6(a)可知,利用含水率與吸力關系圖確定的進氣值和殘余吸力值分別約為420 kPa和38 MPa,與利用吸力與飽和度關系圖(圖6(b))所確定的進氣值約為430 kPa和殘余吸力值38.4 MPa基本吻合.

圖6預固結黏土進氣值和殘余點的確定Fig.6 Determination of air entry value and residual point for reconstituted clay

圖7 為泥漿黏土樣的壓縮曲線,其中試驗數據見文獻[11].由圖可知,其壓縮指數Cc約為0.449,回彈指數Ce約為0.088,前期固結壓力pc約為10 kPa.此外,泥漿樣黏土的相對密度為2.60,液限60%,塑限30%[11].

圖8為由吸力與含水率關系確定泥漿黏土樣的進氣值與殘余點,以及用飽和度與吸力關系確定的進氣值與殘余點,其中實測數據見文獻[11].由圖8(a)可知,由含水率與吸力關系確定的進氣值和殘余吸力值分別約為1 660 kPa和14.5 MPa,這與用吸力與飽和度關系所確定的進氣值1 570 kPa和殘余吸力值14.9 MPa基本吻合,表明了本工作中方法的可行性.

4 結束語

本工作利用壓力板法和飽和鹽溶液蒸汽平衡法研究了上海軟土廣吸力范圍內原狀樣的持水特性,得到以下結論.

圖7 泥漿樣黏土的壓縮曲線[11]Fig.7 Compression curve of slurry clay[11]

圖8 泥漿樣黏土進氣值和殘余點的確定Fig.8 Determinations of air entry value and residual point for slurry clay

(1)利用吸力與飽和度關系可確定土樣的進氣值約為580 kPa,殘余吸力值約為13.8 MPa.若邊界區采用水平線或簡單的一段直線來表示,利用吸力與含水率關系確定其進氣值和殘余吸力值分別為110 kPa和20 MPa,與實際值相差較大,主要是未考慮土體變形,即邊界區不能簡單利用一條直線來確定.

(2)若在邊界區結合壓縮曲線的變形特性,將邊界區分為兩個區域和兩端直線段來確定進氣值和殘余點,其值與實測值基本吻合.此方法簡單方便,特別對于非飽和化過程中體積變化大的土體并且體變難以量測的情況,可以準確地確定進氣值和殘余點.