影響土水特征曲線的因素分析

影響土水特征曲線的因素分析

1土水特征曲線土壤水特征曲線對非飽和土壤肥力的研究非常重要，因此有必要分析其影響因素。在這方面,土壤學(xué)起步較早,但土力學(xué)中的土水特征曲線與土壤學(xué)中的土水特征曲線在研究和應(yīng)用中有一定區(qū)別;土力學(xué)中不僅要考慮土體成分及結(jié)構(gòu)的影響,還要考慮到應(yīng)力狀態(tài)的影響,在應(yīng)用中要分析土水特征曲線與強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)的關(guān)系,有待探討的方面很多。由于受測試方法的限制,土水特征曲線的研究進(jìn)展比較緩慢。2土體的孔隙結(jié)構(gòu)影響土水特征曲線的因素主要有土的礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)、土體的收縮性、土的應(yīng)力歷史和溫度等。但筆者認(rèn)為土的礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)是基本因素,其它因素往往是通過影響這兩個(gè)基本因素而起作用的。(1)土的礦物成分,包括土顆粒的礦物成分以及孔隙中可溶鹽成分。其影響反映在土體對水分的親和程度上,對于具有較強(qiáng)親水性的礦物組成的土體,它表現(xiàn)出的吸力也必然較大,反映在土水特征曲線上,則為殘余含水量較大,曲線的斜率也變得平緩。(2)孔隙結(jié)構(gòu),包括孔隙大小、級配和組成結(jié)構(gòu)等?？紫督Y(jié)構(gòu)影響土水作用面積和收縮膜的形狀,而后者決定吸力的大小。土體的孔隙尺寸小,進(jìn)氣值高,持水性強(qiáng),則土水特征曲線平緩?？紫督Y(jié)構(gòu)通常和粒徑、級配以及土骨架結(jié)構(gòu)相關(guān),一般說來粒徑較小、級配良好的土體,其孔徑較小。此外,影響孔隙結(jié)構(gòu)的其它一些因素也間接影響著土水特征曲線的形狀,如干密度、初始含水量、應(yīng)力路徑和應(yīng)力狀態(tài)等。(3)土體的收縮性,土體在干濕循環(huán)過程中所產(chǎn)生的收縮或膨脹必然會引起孔隙結(jié)構(gòu)的變化,進(jìn)而影響土體的持水能力,改變土水特征曲線的形狀。3試驗(yàn)與研究針對以上因素,本文開展了一系列的對比試驗(yàn),對土水特征曲線的性質(zhì)和影響因素進(jìn)行定性的分析。3.1膨脹率、塑性指數(shù)試樣分別取自湖北棗陽和河南南陽,為膨脹性土原狀樣或擊實(shí)土。湖北棗陽土樣的基本性狀為:粘粒含量47%~59%,天然含水量25%~35%,自由膨脹率58%~88%,液限含水量wL=70.8%,塑性指數(shù)IP=47.3。南陽土取自南水北調(diào)總干渠渠線附近,為第四系上更新統(tǒng)沖湖積粘土,粘土礦物成分主要為水云母、蒙脫石和蛭石,其粘粒含量48.7%~56%,天然含水量23.4%~26.4%,自由膨脹率70%~77%,密度1.94~2.04g/cm3,液限含水量wL=52.2%~66.6%,塑性指數(shù)IP=24.5~38.9。3.2土水特征曲線比較試驗(yàn)分別在15bar壓力膜儀和自制3.5bar體積壓力板上進(jìn)行,后者具有對土樣進(jìn)行加壓或者約束土體膨脹的功能,其優(yōu)點(diǎn)是能使土樣接近實(shí)際工程中的應(yīng)力狀態(tài)。為了分析各因素對土水特征曲線的影響,進(jìn)行了3組比較試驗(yàn)。由于原狀土通常是處于一定的應(yīng)力狀態(tài)下,試驗(yàn)中考慮了現(xiàn)場應(yīng)力狀態(tài)的模擬,對同一組試樣分別進(jìn)行有壓和無壓飽和處理。其次,對比了兩種不同初始孔隙比擊實(shí)土的土水特征曲線,以及不同塑性擊實(shí)土的土水特征曲線。此外,為了獲得一條比較完整的土水特征曲線,對一種風(fēng)化砂進(jìn)行了相應(yīng)的測試。3.3結(jié)果和討論(1)土水特征曲線為了探討外力對土水特征曲線的影響,對一系列試樣進(jìn)行了有壓和無壓條件下的對比試驗(yàn)。有壓狀態(tài)是指在飽和及試驗(yàn)過程中,土體受到約束不產(chǎn)生膨脹,試驗(yàn)過程中土的孔隙比保持不變。無壓狀態(tài)則是土體自由膨脹飽和,在試驗(yàn)過程中,其變形不受外界約束。圖1為某一典型原狀樣在不同應(yīng)力狀態(tài)下飽和后的土水特征曲線,從中可以看出,雖然隨著基質(zhì)吸力的增加兩條曲線有相重合的趨勢,它們的形狀差別還是很大的,主要表現(xiàn)在土體的進(jìn)氣值和進(jìn)氣點(diǎn)后的儲水系數(shù)(土水特征曲線的斜率)。具有預(yù)固結(jié)壓力的土樣,其曲線平緩,脫水較慢。也就是說,應(yīng)力狀態(tài)影響土水特征曲線的進(jìn)氣值和儲水系數(shù),而儲水系數(shù)則與非飽和土的滲透性有密切關(guān)系。這就意味著在分析水分入滲和蒸發(fā)時(shí),必須考慮具有不同應(yīng)力狀態(tài)土層的差別。當(dāng)吸力較高時(shí),兩條曲線趨于重合,此時(shí)應(yīng)力狀態(tài)對吸力值影響較小,即可以認(rèn)為外應(yīng)力和吸力是互不相關(guān)的;由于吸附強(qiáng)度是和吸力相對應(yīng)的,外應(yīng)力對吸附強(qiáng)度的影響也很微弱,這與Fredlund&Morgenstern的強(qiáng)度理論相符合。(2)初始孔隙結(jié)構(gòu)將南陽擊實(shí)土制成兩種不同孔隙比的試樣,飽和后的初始孔隙比e0分別為0.66和0.83。試驗(yàn)結(jié)果見圖2,初始孔隙比較大的土體進(jìn)氣值較小,當(dāng)吸力繼續(xù)增加時(shí),兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)。雖然受測量范圍的限制,不能看到曲線的進(jìn)一步走勢,從圖中可以發(fā)現(xiàn),孔隙比對進(jìn)氣值以后的曲線斜率有很大的影響,孔隙比較大的土體儲水系數(shù)也較大?？偟膩砜?孔隙比對土水特征曲線的進(jìn)氣值和儲水系數(shù)都有較大的影響。(3)儲水系數(shù)及復(fù)配率的測定取南陽和棗陽兩種不同土性的原狀土作比較試驗(yàn),南陽土IP=26.5,棗陽土IP=47.3,它們的初始含水量和其它物理指標(biāo)都相似,所得結(jié)果見圖3?？梢钥闯鰞蓷l曲線的進(jìn)氣值和儲水系數(shù)都有差別,反映出高塑性粘土脫水速度較慢、持水性好的特點(diǎn)。圖4是對一種風(fēng)化砂進(jìn)行土水特征曲線測試的結(jié)果。由于風(fēng)化砂容易脫水,在較小的吸力范圍,獲得了一個(gè)形狀較為完整的土水特征曲線?？梢钥吹?風(fēng)化砂的進(jìn)氣值要遠(yuǎn)比粘土的進(jìn)氣值小,而儲水系數(shù)較大。(4)原狀土續(xù)燒后為了探討土體結(jié)構(gòu)的影響,對比了同一種土原狀樣和擊實(shí)樣的土水特征曲線,如圖5所示。容易發(fā)現(xiàn),擊實(shí)樣的曲線有一個(gè)明顯的折點(diǎn),它們可以近似地看成是由兩條直線段組成的,前一段基本呈水平狀,為土樣進(jìn)氣階段(完全封閉狀態(tài)),另一段為斜線段,與非飽和土的內(nèi)部連通狀態(tài)相對應(yīng)。對于原狀樣,曲線形狀平滑,無明顯的折點(diǎn)。筆者認(rèn)為,原狀土在其形成過程中,土顆粒按一定方向和次序排列,形成的孔隙結(jié)構(gòu)具有一定的方向性,甚至存在一些相互連通的通道。在土樣脫濕的過程中,氣體首先進(jìn)入尺寸較大的通道,并排除通道內(nèi)的孔隙水,這部分孔隙水在總孔隙水中占較大比例,隨著吸力的增大,通道內(nèi)的水逐漸減少,非通道內(nèi)的水排除又較緩慢,土體表現(xiàn)出較高的持水能力。因此,原狀樣有較低的進(jìn)氣值和較高的持水性能。對于擊實(shí)樣,土體內(nèi)的孔隙基本上是均勻分布且無方向性,孔隙級配屬不良級配,氣體較難進(jìn)入土體,表現(xiàn)出較高的進(jìn)氣值。試驗(yàn)表明土體結(jié)構(gòu)對土水特征曲線的影響比較大。4土水特征曲線擬合公式土水特征曲線可以用數(shù)學(xué)關(guān)系式表達(dá)。如Fredlund&Xing和Fredlund,Fredlund&Wilson根據(jù)土體孔徑分布曲線,用統(tǒng)計(jì)分析理論推導(dǎo)出的公式可適用于全吸力范圍的任何土類,但公式形式復(fù)雜,應(yīng)用不便。通過上述試驗(yàn)分析,筆者認(rèn)為,由于擊實(shí)樣和原狀樣的土水特征曲線差別明顯,可采用不同的公式表示,以適應(yīng)不同的工程情況。比如對于土壩這樣的填方工程,采用擊實(shí)樣的公式就更有適應(yīng)性。根據(jù)包承綱的分析,非飽和土的氣相形態(tài)可以分為四種,在不同形態(tài)中,非飽和土土體所表現(xiàn)的土性各不相同,工程意義也不同。因此,只需分析具有實(shí)際工程意義的含水量情況,并將該階段非飽和土的有關(guān)公式簡化,使其具有針對性和實(shí)用性。本文試驗(yàn)受吸力測量范圍的限制,所得粘性土的土水特征曲線只是全范圍的一部分,氣相形態(tài)包括完全封閉和內(nèi)部連通兩種,但這部分卻是最具有工程意義的一段。雖然現(xiàn)有土水特征曲線公式對這一段的表達(dá)已經(jīng)比較準(zhǔn)確,公式形式一般較為復(fù)雜,且有關(guān)擬合參數(shù)難以確定。經(jīng)過對多種擊實(shí)樣的試驗(yàn)分析,發(fā)現(xiàn)該段土水特征曲線可以用折線形式(在半對數(shù)坐標(biāo)上)近似,如圖6所示,其中AB為水平線段,BC為斜線段。這種擬合方法在常見的基質(zhì)吸力范圍內(nèi)能夠滿足精度需要,從本文測定的其它土水特征曲線來看,折線擬合也是合理的。其表達(dá)式為:式中:θ為體積含水率;θs為飽和時(shí)的含水率;(ua-uw)b為土體的進(jìn)氣值;n為斜線段的斜率。圖6中土水特征的擬合參數(shù)為n=0.024,(ua-uw)b=10kPa。該公式的特點(diǎn)是可根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用中的含水量范圍測定和擬合土水特征曲線,不必測量高吸力范圍段,公式中的擬合參數(shù)容易確定,應(yīng)用起來十分方便。還需要說明的是,因?yàn)橥了卣髑€分脫濕和吸濕兩種,依據(jù)它們所確定的水分運(yùn)動參數(shù)就有兩種形式,在分析水分運(yùn)動時(shí)要區(qū)分這兩種情況。對于雨水入滲的水分運(yùn)動應(yīng)根據(jù)吸濕曲線計(jì)算,而蒸發(fā)則應(yīng)采用脫濕曲線,這樣的處理方法更為合理。5土水特征曲線的變動性土水特征曲線的研究對非飽和土力學(xué)的發(fā)展具有重要意義。本文通過對土水特征曲線的影響因素分析及試驗(yàn)研究,探討了各因素對土水特征曲線的影響。工程上的土體都要受到一定的外力作用,通過本文試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),外力對土水特征曲線的影響基本上局限在初始段,即對土體的進(jìn)氣值和初始段的曲線斜率影響較大;隨著基質(zhì)吸力的增大,外力對土水特征曲線的影響也越來越小。對不同初始孔隙比土體的試驗(yàn)研究表明,初始孔隙比大的