不同干密度與含水率對非飽和黏土吸力的影響研究

吳建兵，王明輝，周珂，劉金鑫

（1 浙江華東工程咨詢有限公司，浙江杭州 311122；2 三峽大學 土木與建筑學院，湖北宜昌 443002)

0 引言

非飽和黏土中吸力的存在對土樣物理力學性質具有重要影響[1]，而吸力大小與土樣的含水率與干密度有關[2]，因此，正確量測吸力隨土樣含水率與干密度條件不同的變化對研究非飽和黏土的性狀具有非常重要的意義。

常用的非飽和黏土吸力的試驗測量方法主要有濾紙法、 冷鏡露點濕度計法以及蒸汽平衡法等方法[3]，其中濾紙法是一種成熟并且可靠的吸力測量方法，具有濾紙獲取方便、試驗時易上手、吸力值量測范圍較大等優點，因此被廣泛應用。例如蔣鑫[4]采用濾紙法開展非飽和紅黏土基質吸力試驗研究，得到了基質吸力隨干密度及溫度變化的規律；劉小文等[5]采用濾紙法進行非飽和紅土基質吸力的量測，得到了不同干密度下非飽和紅土的土水特征曲線。

本文基于濾紙法測量吸力的基本原理，考慮5 種初始含水率和3 種干密度的土樣變化梯度進行非飽和黏土吸力量測試驗，根據試驗結果分析了不同干密度與含水率對總吸力與基質吸力的影響規律。

1 非飽和黏土吸力量測試驗

1.1 試驗材料及試驗裝置

（1） 試驗材料

試驗用土取自三峽庫區黏土，主要物理指標如表1 所示。

表1 試驗用土的物理性質指標

（2） 試驗裝置

試驗所需儀器設備包括：①No.203 型定量濾紙；②恒溫水箱；③烘箱；④不同孔徑的圓孔篩； ⑤精度為0.0001g 的電子天平； ⑥環刀； ⑦高度10.7cm，直徑11cm 的密封玻璃罐；⑧稱重鋁盒、鑷子、溫度計、絕緣膠帶、保鮮袋等。

1.2 試驗方法與試驗原理

本文采用濾紙法進行非飽和土樣總吸力和基質吸力的測定，濾紙法的試驗原理如下：在非飽和土體中，土體本身具有一定的吸力，濾紙與土體在水分傳遞上最終能夠達到遷移平衡，此時可以測得濾紙的平衡含水率，由于正規濾紙的含水率與吸力之間是具備一一對應關系的，故由此可以間接地測得土體的吸力大小。

濾紙法按接觸方式可分為接觸和非接觸兩種，如圖1所示，可分別測量土樣的總吸力和基質吸力。

圖1 濾紙法接觸方式示意圖

1.3 試驗設計與試驗步驟

1.3.1 試驗設計

為研究土體含水率與干密度對吸力的影響，設置了5 種初始含水率和3 種干密度的土樣變化梯度。 其中設置的普通黏土初始含水率為8%、12%、18%、22%、25%，初始干密度為1.56g/cm3、1.65g/cm3、1.70g/cm3，同時以非接觸法和接觸法分別測試土樣的總吸力和基質吸力。

1.3.2 試驗步驟

（1） 配置土樣

將土樣放入烘箱110℃左右烘干（不低于8h），取出后擊碎成粉末狀，分別過2.5mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm、0.05mm、0.02mm、0.01mm、0.005mm 和0.002mm 圓孔篩。 分別配置普通黏土初始含水率為8%、12%、18%、22%、25%和初始干密度為1.56g/cm3、1.65g/cm3、1.70g/cm3的土樣。將配置好的土樣放入保鮮袋，將口扎緊，避免與空氣接觸，并靜置一整天，等到水分完全浸潤土顆粒后將其取出開始制備試樣。

（2） 制備試樣

從密封保鮮袋內用天平稱取一定質量的散土，利用環刀制取直徑7.98cm、高2cm 的土樣。 將濾紙提前放置于110℃烘箱中烘干，兩個土樣為一組試驗，將其上下疊放，取3 張烘干的濾紙置于土樣之間，沒有直接接觸試樣的濾紙用來測定土樣的基質吸力大小。 為了使濾紙與土樣緊密貼合（用于接觸法測得基質吸力），在土樣的外側用絕緣膠帶纏裹。

將固定好的試樣放入密封玻璃罐底部，在上方依次放上塑料支架和兩張濾紙（用于非接觸法測得總吸力），并密封好玻璃罐，貼上對應標簽。 將五組試樣放入恒溫水箱，一周后取出密封罐進行吸力測量。

（3） 測量吸力

快速打開密封罐，取出兩張測試試紙，分別放入兩個鋁盒中。由于濾紙自重和內部水分重量很小，為避免長時間暴露于空氣中造成水分變化影響試驗結果，必須在30s 內取出濾紙并稱重。

同時，用小刀挖取15g 濾紙接觸土樣，放入已提前稱重的鋁盒中并密封。 將帶土鋁盒放入烘箱，保持105+5℃的溫度烘干12h后取出，再次稱量鋁盒和烘干后土樣的重量，通過兩次稱重差值計算其實際平衡含水率，根據濾紙含水率與吸力之間的對應關系進行換算即可得到吸力值。

1.4 試驗結果

對不同含水率及不同干密度黏土進行吸力量測試驗，得到如表2 所示的試驗數據。

表2 不同含水率、干密度的黏土基質吸力試驗數據

2 不同含水率對吸力的影響分析

根據表2 中的數據，以含水率為橫坐標，吸力大小為縱坐標，分別繪制非飽和黏土的吸力大小隨含水率改變的變化趨勢，并進行擬合，如圖2—圖4 所示。

圖2 干密度1.56g/cm3時不同含水率黏土的吸力

圖3 干密度1.65g/cm3時不同含水率黏土的吸力

圖4 干密度1.70g/cm3時不同含水率黏土的吸力

通過圖2—圖4 分析得出：當干密度一定時，隨著含水率的增大，總吸力和基質吸力呈現負相關的趨勢。 這是由于在非飽和黏土體中吸力的決定因素是彎液面張力，當土體極為干燥時，土顆粒之間的水呈彎液面，土顆粒之間直接接觸形成骨架結構，此時為形成水膜，局部彎液面張力達到最大值，如圖5a)所示。 當土體含水率較低時，土中的水增多，除了形成彎液面以外，還存在重力水，而在彎液面張力的作用下，重力水被全部“拉回”到顆粒之間，形成具有一定厚度的水膜，此時顆粒間由骨架連接轉為水膜連接，如圖5b)所示。 當土體含水率較高時，彎液面水和重力水逐漸增多，顆粒之間的孔隙被水填充，由于彎液面張力增加，水膜厚度增加，此時顆粒間張力為零，導致水相、氣相連通，如圖5c)所示。當土顆粒之間的空隙被水全部填滿時，土體處于高飽和或完全飽和狀態，此時土顆粒之間以水膜形式接觸，基質吸力為零，部分小氣泡能隨水移動，如圖5d)所示。

圖5 非飽和土中水、氣狀態

3 不同干密度對吸力的影響分析

根據表2 的數據，以黏土干密度為橫坐標，吸力大小為縱坐標，繪制非飽和黏土的吸力大小隨干密度改變的變化趨勢圖，如圖 6—圖 10 所示。

圖6 含水率8.23%時不同干密度黏土的吸力

圖7 含水率11.71%時不同干密度黏土的吸力

圖8 含水率17.65%時不同干密度黏土的吸力

通過圖6—圖10 分析可知：在相同含水率的條件下，總吸力和基質吸力隨黏土干密度的增大而減小。 可見干密度對土-水特征曲線有著明顯的影響，從圖中可以看出非飽和黏土的吸力、基質吸力與干密度基本上呈線性關系，可用一次函數來擬合，并且相關系數大于0.92，真實反映出吸力與干密度之間的關聯度較高。 因為隨著土樣干密度的增大，土顆粒的孔隙比相應減小，使得空氣很難進入到土體內，從而導致土體排水較為困難，故干密度較大的黏土，其進氣值也較高，吸力相對較小。

圖9 含水率21.82%時不同干密度黏土的吸力

圖10 含水率25.12%時不同干密度黏土的吸力

隨著含水率和干密度的增大，非飽和黏土的吸力剛開始時降幅較大，當增加到一定程度時，吸力的降幅趨緩，由此可知吸力在含水率較低時對密度狀態的變化較為敏感。

4 結論

（1） 在相同干密度的條件下，總吸力和基質吸力與非飽和黏土含水率呈現負相關的趨勢，這是由于非飽和黏土體中吸力的決定因素是彎液面張力，彎液面張力隨土樣含水率增大而增大，且水膜厚度增加，土顆粒間張力降低，導致非飽和黏土吸力下降。

（2） 在相同含水率的條件下，總吸力和基質吸力隨非飽和黏土干密度增大而減小，這是因為土樣干密度越大，土顆粒之間的孔隙比越小，土體排水性能下降，導致非飽和黏土吸力降低。

（3） 總吸力、基質吸力與干密度關系可由一次函數擬合，且其相關系數較高，由此可知吸力與干密度之間的關聯度較高。

（4） 非飽和黏土的吸力大小隨著含水率和干密度的增大而減小，當增加到一定程度時，吸力的降幅趨緩，由此可知吸力在含水率較低時對密度狀態的變化較為敏感。