西安張家鋪地區黃土土—水特征研究★

褚 峰

(西安工程大學城市規劃與市政工程學院，陜西 西安 710048)

1 概述

黃土屬于典型非飽和土，土水特征曲線可直觀反映濕度與基質吸力的關系。為確定土—水特征曲線的數學表達式，W.C.Visser[1],R.H.Brooks,A.T.Corey[2]及M.Th.Van Genuchten[3]等先后利用不同地區的人工擾動黃土研究其土水特征，同時對其影響因素進行了討論[4-9]。

本文利用西安張家鋪地區原狀非飽和黃土進行試驗，并揭示出非飽和黃土基質吸力的影響因素，并擬合出考慮天然干密度、含水量的原狀黃土的土—水特征曲線。

2 試驗用土的物理力學性質

試驗用土取自西安市北郊張家鋪地區，取土深度為地表以下3 m處。由于歷史自然原因，形成了大致三種干密度，分別為1.37 g/cm3，1.42 g/cm3，1.47 g/cm3。黃土物性指標如表1所示。

3 檢測設備及測試方案

3.1 檢測設備

設備利用常州永昌儀器公司生產的非飽和土壓縮儀，儀器利用軸平移技術來量測試樣的基質吸力。

3.2 試驗步驟及試驗方法

在試驗前先將陶土板進行飽和，陶土板飽和完成后，讓水流過陶土板下面的螺旋槽沖洗20 s，目的是為了沖走飽和陶土板時板下積聚的氣泡。陶土板與試樣必須接觸緊密，濾紙須保持與試樣一致的含水量。測試中根據試樣的含水量來確定需要施加氣壓力的具體數值，即利用所謂的軸平移技術量測試樣的原始基質吸力。原始基質吸力穩定后，加載軸向壓力，軸向壓力加壓級別為12.5 kPa，25 kPa，50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa，1 600 kPa。試驗采用雙重的穩定標準：1)孔隙水壓力的穩定標準為1 h內孔隙水壓力數值保持不變；2)豎向壓縮變形的穩定標準為1 h內豎向壓縮變形量不超過0.01 mm。

4 試驗結果與分析

4.1 天然干密度對土—水特征曲線的影響

按照以上的試驗方案分別得到了三種天然黃土的基質吸力，如表2所示。繪制三種天然原狀非飽和黃土的土—水特征曲線，如圖1所示。從圖1中可以看出，在三種不同的天然干密度下試樣的初始基質吸力均隨著含水量的增大而減小；當含水量較低或基質吸力較大時，曲線比較平緩，而當含水量較高或基質吸力較小時，曲線比較陡峭，較大干密度時曲線均在較小干密度時曲線的上方。同時，在不同的含水量條件下，試樣的初始基質吸力又隨著試樣天然干密度的增大而增大，同一含水量不同干密度下試樣的初始基質吸力的差值在較低的含水量下相差較大，而在較高的含水量下相差較小，即差值隨著含水量的增大而逐漸減小。筆者認為基質吸力受干密度的影響很大，黃土密實度大，其空隙通道則較為狹窄，即空隙半徑變小，根據如下的基質吸力數學表達式[10]。

S=Ua-Uw=2T/r

(1)

其中，S為土樣的基質吸力;Ua為試樣孔隙氣壓力;Uw為試樣孔隙水壓力;T為表面張力;r為土樣孔隙半徑。

可見，土樣孔隙比越小，其基質吸力就越大。對于天然黃土，密實度對其基質吸力狀態影響顯著。

表2 土樣初始基質吸力測試結果

4.2 豎向荷載對土—水特征曲線的影響

根據試驗數據整理出不同天然干密度下試樣在不同豎向荷載作用下的土—水特征曲線，如圖2～圖4所示。從圖2～圖4中可以看出，土樣在豎向荷載作用下，其所對應的土—水特征曲線發生了變化。其中，土樣在較低的豎向荷載作用下(0 kPa，12.5 kPa，25 kPa，50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa)，土—水特征曲線受其影響較小，可以認為是試驗誤差所致，而土樣在較高的豎向荷載作用下(800 kPa，1 600 kPa)，對土—水特征曲線的影響就比較大了，特別是在基質吸力較小或含水量較高時，曲線下降的速度要比在較低荷載作用下時快，天然干密度較低時(ρd=1.37 g/cm3)這種現象尤為明顯，在這里就不能簡單的歸結為試驗誤差的影響了。筆者認為造成此現象的原因是：原狀土在較低的豎向荷載作用下，其自身的結構性沒有被破壞，土體內部的孔隙排列與豎向荷載施加前相比沒有發生太大的變化，所以土—水特征曲線的形狀基本保持不變；而在較大的豎向荷載作用下，原狀土自身的結構性被破壞，土體內部的孔隙結構由于受到豎向荷載的作用而進行了重新排列，形成了新的次生結構，從而導致其孔隙比和干密度與豎向荷載施加前相比發生了較為顯著的變化，因此，對土—水特征曲線造成了較大的影響。

5 土—水特征曲線的函數擬合

根據試驗結果繪出不同天然干密度下原狀非飽和黃土的土—水特征曲線。對不同天然干密度條件下的三條土—水特征曲線分別進行函數擬合，通過擬合的結果可以發現三條土—水特征曲線都可以用冪函數式(2)進行擬合：

w=aS-b

(2)

其中，w為試樣含水量；S為基質吸力；a，b均為試驗相關參數。

對于天然干密度分別為1.37 g/cm3，1.42 g/cm3，1.47 g/cm3的試樣的土—水特征曲線，擬合結果中試驗參數a的取值分別為0.597 1，0.601 6，0.598 7，可以近似地認為a值不變，取其平均值，即0.599,從而式(2)可轉化為式(3)：

w=0.599S-b

(3)

為了進一步完善擬合表達式在以上擬合的基礎上考慮天然干密度ρd對土—水特征曲線的影響，試驗參數b值和試樣天然干密度ρd可以用式(4)來擬合：

b=cρd+d

(4)

其中，b，c,d均為試驗相關參數；ρd為試樣的天然干密度。

對于西安地區原狀非飽和黃土，試驗參數c,d的取值分別為-0.129和0.425 8。試驗參數b與試樣的天然干密度ρd有著很好的線性關系，其二者擬合圖形見圖5。

最后，將式(4)代入式(3)，可以得到考慮試樣天然干密度ρd和試樣含水量w的西安地區原狀非飽和黃土的土—水特征曲線表達式，如下：

w=0.599S(0.129ρd-0.425 8)

(5)

其中，w為試樣的含水量;S為試樣的基質吸力;ρd為試樣的天然干密度。

由式(5)擬合出的不同天然干密度條件下的土—水特征曲線結果見圖6～圖8，與先前試驗中實測的土—水特征曲線相對比可以看出，通過函數計算的擬合值與實測值有著較好的匹配度，證明了函數表達式的合理性。

6 結語

目前，對土—水特征曲線的研究主要集中在人工重塑土上，而利用天然原狀土進行研究的文獻還不多見，為了最大限度地模擬實際工況，突出天然原狀土的重要性，室外采取若干密實度狀態下的張家鋪天然黃土進行測試，有以下認識：

1)土體干密度對天然黃土基質吸力影響顯著，同一含水量不同干密度條件下試樣的初始基質吸力的差值隨著試樣含水量的增大而逐漸減小。

2)豎向荷載對原狀非飽和黃土的土—水特征曲線有一定的影響，在較低的豎向荷載作用時影響較小，在較高的豎向荷載作用時影響較大。而不能將這種影響歸結為試驗誤差。

3)根據具體試驗結果，擬合出了能夠反映天然干密度、基質吸力和含水量3個變量的原狀非飽和黃土土—水特征曲線，通過計算值與試驗實測值進行了對比，驗證了擬合土—水特征曲線的合理性。