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,土壤學起步較早,但土力學中的土水特征曲線與土壤學中的土水特征曲線在研究和應用中有一定區(qū)別;土力學中不僅要考慮土體成分及結(jié)構(gòu)的影響,還要考慮到應力狀態(tài)的影響,在應用中要分析土水特征曲線與強度等力學指標的關(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、土的應力歷史和溫度等。但筆者認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,進氣值高,持水性強,則土水特征曲線平緩。孔隙結(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、應力路徑和應力狀態(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,進而影響土體的持水能力,改變土水特征曲線的形狀。3試驗與研究針對以上因素,本文開展了一系列的對比試驗,對土水特征曲線的性質(zhì)和影響因素進行定性的分析。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分別在15bar壓力膜儀和自制3.5bar體積壓力板上進行,后者具有對土樣進行加壓或者約束土體膨脹的功能,其優(yōu)點是能使土樣接近實際工程中的應力狀態(tài)。為了分析各因素對土水特征曲線的影響,進行了3組比較試驗。由于原狀土通常是處于一定的應力狀態(tài)下,試驗中考慮了現(xiàn)場應力狀態(tài)的模擬,對同一組試樣分別進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土的土水特征曲線,以及不同塑性擊實土的土水特征曲線。此外,為了獲得一條比較完整的土水特征曲線,對一種風化砂進行了相應的測試。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,對一系列試樣進行了有壓和無壓條件下的對比試驗。有壓狀態(tài)是指在飽和及試驗過程中,土體受到約束不產(chǎn)生膨脹,試驗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)在土體的進氣值和進氣點后的儲水系數(shù)(土水特征曲線的斜率)。具有預固結(jié)壓力的土樣,其曲線平緩,脫水較慢。也就是說,應力狀態(tài)影響土水特征曲線的進氣值和儲水系數(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,必須考慮具有不同應力狀態(tài)土層的差別。當吸力較高時,兩條曲線趨于重合,此時應力狀態(tài)對吸力值影響較小,即可以認為外應力和吸力是互不相關(guān)的;由于吸附強度是和吸力相對應的,外應力對吸附強度的影響也很微弱,這與Fredlund&Morgenstern的強度理論相符合。(2)初始孔隙結(jié)構(gòu)將南陽擊實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。試驗結(jié)果見圖2,初始孔隙比較大的土體進氣值較小,當吸力繼續(xù)增加時,兩條曲線出現(xiàn)交點。雖然受測量范圍的限制,不能看到曲線的進一步走勢,從圖中可以發(fā)現(xiàn),孔隙比對進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氣值和儲水系數(shù)都有較大的影響。(3)儲水系數(shù)及復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,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都相似,所得結(jié)果見圖3。可以看出兩條曲線的進氣值和儲水系數(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。圖4是對一種風化砂進行土水特征曲線測試的結(jié)果。由于風化砂容易脫水,在較小的吸力范圍,獲得了一個形狀較為完整的土水特征曲線?？梢钥吹?風化砂的進氣值要遠比粘土的進氣值小,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樣的土水特征曲線,如圖5所示。容易發(fā)現(xiàn),擊實樣的曲線有一個明顯的折點,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。對于原狀樣,曲線形狀平滑,無明顯的折點。筆者認為,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,原狀樣有較低的進氣值和較高的持水性能。對于擊實樣,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,氣體較難進入土體,表現(xiàn)出較高的進氣值。試驗表明土體結(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)學關(guān)系式表達。如Fredlund&Xing和Fredlund,Fredlund&Wilson根據(jù)土體孔徑分布曲線,用統(tǒng)計分析理論推導出的公式可適用于全吸力范圍的任何土類,但公式形式復雜,應用不便。通過上述試驗分析,筆者認為,由于擊實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,以適應不同的工程情況。比如對于土壩這樣的填方工程,采用擊實樣的公式就更有適應性。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用性。本文試驗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已經(jīng)比較準確,公式形式一般較為復雜,且有關(guān)擬合參數(shù)難以確定。經(jīng)過對多種擊實樣的試驗分析,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。其表達式為:式中:θ為體積含水率;θs為飽和時的含水率;(ua-uw)b為土體的進氣值;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。該公式的特點是可根據(jù)實際工程應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,應用起來十分方便。還需要說明的是,因為土水特征曲線分脫濕和吸濕兩種,依據(jù)它們所確定的水分運動參數(shù)就有兩種形式,在分析水分運動時要區(qū)分這兩種情況。對于雨水入滲的水分運動應根據(jù)吸濕曲線計算,而蒸發(fā)則應采用脫濕曲線,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研究表明,初始孔隙比大的