非飽和土土水特征曲線特性研究

孫廣利 張倚寧

吉林建筑大學測繪與勘查學院（130118）

0 引言

非飽和土被認為是由四相組成，除了固相、氣相和液相之外，非飽和土中的水氣分界面應看作是另一種獨立的相，稱之為收縮膜。 非飽和土土水特征曲線的概念來自于土壤學，是土的含水率（重量含水率或體積含水率）或飽和度隨吸力（基質吸力或總的吸力）變化的一個特征曲線。在自然界中，非飽和土存在的比較廣泛。在工程中經常遇到的許多問題（土坡的穩定性分析，地基承載力的計算，滲流問題，土壓力問題）都與非飽和土的抗剪強度密切相關。 由于非飽和土是四相體系組成，所以非飽和土的工程性質非常復雜，由于水氣分界面存在一個獨立的收縮膜，所以非飽和土抗剪強度很難確定。 在非飽和土土力學中分析土的應力狀態變量和抗剪強度，非飽和土抗剪強度與基質吸力有密切關系，基質吸力等于孔隙氣壓力減去孔隙水壓力。基質吸力與土中的含水率有著密切的關系，隨著含水率的減小或增加，基質吸力會變化，這就需要研究土水特征曲線如何影響非飽和土抗剪強度指標。對于非飽和土的研究來說，最重要是研究土水特征曲線特征，即本構關系，現在研究非飽和土都是通過基質吸力來分析的，忽略了土體圍壓對土水特征曲線的影響。文章基于基質吸力，在改變圍壓的情況下展開研究，擬合更好的符合實際工程發生的水土特征曲線。

1 試驗

1.1 試驗儀器介紹

本試驗采用英國歐美大GDS 三軸儀，GDS 三軸儀由控制器、水壓控制面板、陶土板、內壓力室、外壓力室及數據采集裝置組成。

1.2 試驗土樣制備及試驗操作步驟

1.2.1 試驗土樣制備

本次試驗取樣來自于長春某工程5～8 m 深的原狀土，取出土樣、裝入土樣筒后，用白色布條封好并做標記。 拿到實驗室后，先將白色布條揭下，然后將土樣從土樣筒內取出，用鋼絲鋸將原狀土的兩端切掉，留出大概高出飽和器 2～3 cm 均可。 將剩下的土樣放到分土器的中央位置，用圓環上的鋼絲鋸從上到下快速將土樣均勻分成3 部分。 將切好的土樣分別放到3 個不同的削土器上，在削土器邊緣涂抹凡士林，邊削邊轉動圓盤，直到切削到合適的直徑（直徑38 cm，高度20 cm)。 將削好的土樣用飽和器裝好，然后將土樣飽和器置于真空缸中，打開抽氣泵使氣壓到達到穩定的大氣壓， 對土樣進行抽氣1 h 及以上，然后注入蒸餾水，蒸餾水漫過土樣飽和器時停止抽氣，將土樣在水中靜置10 h 以上。

1.2.2 試驗操作步驟

本試驗分為三個階段：吸力平衡階段，等吸力固結階段，等吸力剪切階段。試驗操作步驟：電腦開機—調節水壓、飽和陶土板—調節水壓、孔隙水壓—安裝土樣、注水、調節圍壓—電腦參數設置、開始試驗—卸壓、清洗儀器—記錄數據。

1.3 試驗數據設置

利用GDS 非飽和土三軸儀對長春老黏性土原狀土做三軸固結排水試驗（CD 試驗)，控制基質吸力為 0 kPa、25 kPa、50 kPa、75 kPa、100 kPa、125 kPa。凈圍壓分別為 100 kPa、200 kPa、300 kPa。

2 分析與結果

在不同圍壓、基質吸力相同條件下的土水特征曲線見圖2～圖8。圖2～圖8 的土水特征曲線變化基本一致。 從不同基質吸力下的土水特征曲線可以看出，非飽和土的土水特征曲線并沒有明顯的峰值現硬化性，與飽和土的土水特征曲線相似。 土樣沒有明顯的破壞面，呈鼓狀。 在控制基質吸力不變的條件下，不斷地增加土樣的凈圍壓，偏應力的峰值是不斷增大的，而且凈圍壓越大所表現出來的偏應力的峰值就越大。 試驗表明，控制基質吸力不變的條件下，土樣的強度隨凈圍壓的增大而增大。

圖2 土水特征曲線

圖3 基質吸力0 kPa 下土水特征曲線

圖4 基質吸力0 kPa 下土水特征曲線

圖5 基質吸力50 kPa 下土水特征曲線

圖6 基質吸力75 kPa 下土水特征曲線

圖7 基質吸力100 kPa 下土水特征曲線

圖8 基質吸力125 kPa 下土水特征曲線

3 結論

1）隨著基質吸力的不斷增大，飽和度逐漸減小。

2）基質吸力小于100 kPa，粘聚力與基質吸力呈非線性增長，增長曲線逐漸變緩；基質吸力大于100 kPa，粘聚力與基質吸力呈線性增長。

3）非飽和土土水特征曲線沒有明顯的峰值，飽和土試樣與非飽和土試樣破壞形都呈現鼓狀。

4）非飽和土隨著基質吸力的增大，基質吸力對土的抗剪強度有很大的影響。

5）圍壓的增加可以改變非飽和土抵抗破壞的能力，并能使土水特征曲線趨勢變緩。