干密度和干濕循環(huán)作用下黃土土水特征曲線的變化

干密度和干濕循環(huán)作用下黃土土水特征曲線的變化

非飽和土中水、氣、土粒交界面的表面張力現(xiàn)象，以及水-土相互作用引起的吸力，是影響非飽和土壤特性和性質(zhì)的重要因素。它也是非飽和土壤肥力學(xué)的中心主題。我國西北地區(qū)分布著大面積黃土,許多高筑邊坡、土壩、路堤、填埋場等工程活動(dòng)都直接使用或建于黃土之上。在干旱半干旱氣候和地下水深埋條件下,90%以上的工程黃土都處于非飽和狀態(tài),且非飽和狀態(tài)在不斷發(fā)生變化,對(duì)其工程性質(zhì)的研究常常要考慮土中吸力的作用。土中吸力是由土的毛細(xì)管特性、吸附特性和孔隙溶液中溶質(zhì)的滲透性決定的,可分為基質(zhì)吸力和溶質(zhì)吸力。土力學(xué)中定義基質(zhì)吸力s為孔隙氣壓力ua與孔隙水壓力uw之差,即s=(ua-uw),這是被廣泛接受的基質(zhì)吸力定義式。包承綱指出一般黏性土和砂性土的基質(zhì)吸力通常為土中吸力的主要部分,是工程中關(guān)心的重點(diǎn),沈珠江也指出溶質(zhì)吸力對(duì)一般土的變形、強(qiáng)度、孔隙水流的影響可忽略不計(jì),本文中土的吸力沿用狹義上的基質(zhì)吸力。欒茂田等從力的產(chǎn)生、作用機(jī)制、物理意義等方面對(duì)基質(zhì)吸力進(jìn)行了探討。目前,土中吸力主要依據(jù)量測特定土樣的土水特征曲線(SWCC)來確定。土水特征曲線表征了非飽和土中吸力與含水率的關(guān)系,是解釋非飽和土工程現(xiàn)象的本構(gòu)關(guān)系之一。它將理論、試驗(yàn)測試與預(yù)測方法有機(jī)地聯(lián)系起來,可以從該曲線獲得土的滲透函數(shù)、抗剪強(qiáng)度等有關(guān)參數(shù)。因此,對(duì)黃土土水特征曲線進(jìn)行測試研究對(duì)了解和預(yù)測黃土地區(qū)非飽和土的工程性質(zhì)具有重要意義。1試驗(yàn)材料和方法1.1不同干密度黃土試樣的制備試驗(yàn)黃土取自甘肅蘭州(簡稱蘭州黃土,代號(hào)為LH),表1所示為試驗(yàn)材料的基本物理性質(zhì)指標(biāo)。為探究密度對(duì)黃土土水特征曲線的影響,采用JDS-2型電動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實(shí)儀制取不同干密度的黃土試樣。標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)確定的黃土擊實(shí)最大干密度為1.76g/cm3,最優(yōu)含水率為16.5%。隨后,采用相同擊實(shí)功在不同含水率下?lián)魧?shí)制取不同干密度的黃土試樣。表2所示為不同密度土樣的基本參數(shù),其中,LH-A試樣為標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)的最大干密度黃土試樣。1.2試驗(yàn)方法和儀器1.2.1測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)張力計(jì)可以直接有效地測定0~85kPa范圍內(nèi)土的吸力。本次低吸力段黃土土水特征曲線采用德國UGT公司生產(chǎn)制造的DT04-01型Ku-pF非飽和導(dǎo)水率測定系統(tǒng)進(jìn)行測試,該系統(tǒng)由稱量系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分構(gòu)成,其理論基礎(chǔ)源于Schindler提出的觀點(diǎn)。試驗(yàn)前將土樣放置在樣品容器(底面積S=41.3cm2,高h(yuǎn)=6.05cm)中完全飽和。測試時(shí),樣品及容器放置在具有星型吊臂的測試系統(tǒng)上,以一定的時(shí)間間隔周期性運(yùn)轉(zhuǎn),當(dāng)?shù)醣劢?jīng)過天平時(shí),土樣每運(yùn)行1個(gè)周期時(shí)稱其質(zhì)量,以確定水分的變化量。每個(gè)樣品容器配備間隔3cm的2個(gè)張力計(jì)用于測量土樣的吸力變化,張力計(jì)的讀數(shù)與相應(yīng)的土樣質(zhì)量將通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄在電腦上。試驗(yàn)完成后,將土樣烘干稱其質(zhì)量,便可以確定不同時(shí)刻土樣含水率與吸力的關(guān)系。1.2.2壓力膜儀組成結(jié)構(gòu)壓力膜儀可用于測定0~1.500MPa范圍內(nèi)土的吸力。本次高吸力段黃土土水特征曲線采用美國SoilMoistureEquipment公司生產(chǎn)制造的1500F1型15Bar壓力膜儀測試。該儀器主要由小型空氣壓縮機(jī)、壓力提取器和高進(jìn)氣值多孔陶土板3部分組成。壓力膜儀將多年來一直使用吸力方法提取水分的過程進(jìn)行改良,使液相水在相同正壓力作用下通過多孔陶土板達(dá)到平衡狀態(tài)。試驗(yàn)時(shí),直接將土樣放置在多孔陶土板上,封閉提取器并向其中加壓。當(dāng)提取器內(nèi)部的氣壓升高到超過1×105Pa時(shí),高氣壓使多余的水分沿著陶土板上的微細(xì)孔向外壓,直到土顆粒上水膜的有效曲率半徑等于壓力膜儀微細(xì)孔上水膜的有效曲率半徑時(shí),就達(dá)到了平衡狀態(tài)。圖1所示為水分提取過程中壓力提取器內(nèi)部多孔陶土板上的土顆粒放大圖。當(dāng)水分提取達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí),提取器中的氣壓與土的吸力相等,取出少量土樣烘干測定含水率,便可確定土樣在不同吸力狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的含水率。2結(jié)果與討論2.1土水特征曲線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)、土體的收縮性和應(yīng)力歷史等。Sillers等總結(jié)了不同類型土的持水特性,給出了各種土的土水曲線形態(tài)(見圖2)。圖2中同時(shí)示出了蘭州黃土最大干密度試樣脫濕過程的實(shí)測土水特征曲線。從圖2可以看出:蘭州黃土土水特征曲線符合粉土的反“S”型曲線形態(tài)時(shí),在初始條件下,土體含水率隨基質(zhì)吸力增大降低幅度很小;當(dāng)基質(zhì)吸力大于進(jìn)氣值時(shí),土樣開始以某一特定速率快速失水;隨著基質(zhì)吸力不斷增大,土樣的失水速率不斷降低,直至最后達(dá)到殘余含水率而不再變化為止。土的進(jìn)氣值是空氣進(jìn)入土體孔隙時(shí)必需達(dá)到的基質(zhì)吸力值,表征引起土體內(nèi)部最大孔隙開始失水的水氣壓力差。蘭州黃土的進(jìn)氣值為17.3kPa,對(duì)應(yīng)的體積含水率為33.4%,反映了黃土的大孔隙特性及顆粒表面吸附作用較小的規(guī)律。2.2干密度對(duì)黃土土水特征曲線的影響2.2.1土中吸力與孔隙狀態(tài)的變化規(guī)律干密度對(duì)土水特征曲線的影響是通過對(duì)土體孔隙狀況產(chǎn)生影響來反映的。圖3所示為不同密度狀態(tài)下蘭州黃土的土水特征曲線。從圖3可以看出:低密度土樣的飽和含水率大,失水速率大,土水特征曲線隨著基質(zhì)吸力增大與高密度土樣曲線出現(xiàn)交叉,基質(zhì)吸力進(jìn)一步增大后又與高密度土樣曲線趨近于重合;高密度土樣則由于孔隙較小且連通性差,表現(xiàn)出較強(qiáng)的持水能力,土水特征曲線平緩。王鐵行等測試了低吸力段西安某地不同干密度黃土試樣的土水特征曲線,也得出了相同的規(guī)律(見圖4)。從土中吸力與孔隙狀態(tài)的依存關(guān)系可以解釋干密度對(duì)黃土土水特征曲線的影響規(guī)律:低密度土樣具有較多大孔隙,飽和狀態(tài)下能夠儲(chǔ)存大量水分,具有很高的飽和含水率,大孔隙的存在使得土樣在極小的吸力條件下就開始且快速失水,因而具有較低的進(jìn)氣值和較高的失水速率;相反,高密度土樣的大孔隙數(shù)量和孔徑都較小,飽和含水率較低,進(jìn)氣值較高,土樣的中等孔隙數(shù)量較多,土體持水能力增強(qiáng),失水速率變小;干密度對(duì)土樣小孔隙和微孔隙的影響較小,因而,當(dāng)大孔隙與中等孔隙的水分基本消散完畢時(shí)曲線又接近重合,最終相差很小。在土體材料一定的情況下,土體的失水狀態(tài)及對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力只依賴于土中孔隙的數(shù)量和直徑,即在一定的吸力條件下小于某一等效孔徑的土體孔隙充滿水,而大于此孔徑的土體孔隙不能吸持水分而失水。因此,土水特征曲線在反映土中吸力與含水率關(guān)系的同時(shí),也進(jìn)一步反映土體的孔隙狀態(tài)。干密度對(duì)土水特征曲線的影響是通過對(duì)土體孔隙狀況產(chǎn)生影響起作用的。從實(shí)測結(jié)果可以看出:密度對(duì)土中吸力的影響非常顯著。王鐵行等通過對(duì)砂土、黃土和黏土的試驗(yàn)研究也證實(shí)了該結(jié)論。盡管干密度對(duì)土水特征曲線有顯著影響,但僅局限于低吸力段,當(dāng)基質(zhì)吸力超過一定值后,干密度的影響將變得很小;當(dāng)基質(zhì)吸力大于500kPa時(shí),不同干密度蘭州黃土的土水特征曲線近于重合,干密度對(duì)土水特征曲線的影響非常小。李志清等的試驗(yàn)測試結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。2.2.2線性關(guān)系分析分析黃土試樣進(jìn)氣值與干密度之間的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)試樣進(jìn)氣值的對(duì)數(shù)隨干密度增大呈線性增長規(guī)律,如圖5所示?；貧w分析式為:式中:pA為試樣的進(jìn)氣值(kPa);ρd為試樣的干密度(g/cm3)。李培勇測試了不同干密度狀態(tài)下膨潤土加砂混合物的土水特征曲線,也得出相同的結(jié)論。2.2.3孔隙類型與孔隙面積的關(guān)系為了從微觀形態(tài)上說明干密度對(duì)黃土土水特征曲線的影響,利用環(huán)境掃描電鏡觀測不同干密度蘭州黃土試樣的微結(jié)構(gòu)特征。當(dāng)干密度為1.70g/cm3與1.76g/cm3時(shí),蘭州黃土試樣的300倍微結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片分別如圖6和圖7所示。從圖6和圖7可以看出:重塑黃土的土顆粒(或集粒)外形上表現(xiàn)為不規(guī)則的塊狀和粒狀,輪廓明顯、顆粒磨圓較差,相互之間散亂搭接堆疊,呈無序排列,顆粒直徑差異明顯,形成了大小不等的孔隙;密度為1.70g/cm3的土樣其大孔隙較多,而密度為1.76g/cm3的土樣其大孔隙明顯減少,中等孔隙增多。利用微結(jié)構(gòu)圖像處理分析軟件ImageJ定量統(tǒng)計(jì)黃土試樣中孔徑大于1μm的所有孔隙,得到各孔隙的等效直徑、周長、面積等參數(shù)。按照雷祥義對(duì)黃土微結(jié)構(gòu)孔隙的分類方法,依據(jù)孔隙直徑將本次測試黃土的孔隙分為大孔隙(孔徑>16μm)、中孔隙(16~4μm)、小孔隙(4~1μm)和微孔隙(<1μm)4種類型,統(tǒng)計(jì)各類孔隙的數(shù)量、平均直徑、平均周長、平均面積、總面積等,最后給出不同類型孔隙面積與孔隙總面積之比。圖8所示為不同類型孔隙占孔隙總面積比例隨干密度的變化情況。從圖8可以看出:干密度增大后黃土試樣的大孔隙面積減小,中孔隙所占面積增多,小孔隙和微孔隙面積幾乎不變,從而使土體的土水特征曲線具有較高的進(jìn)氣值和良好的持水性能。2.3干燥循環(huán)的影響是黃土土水特征曲線的影響2.3.1土體第3次脫濕曲線與第2次干旱循環(huán)土體結(jié)構(gòu)的土水特征曲線不同干濕循環(huán)條件下干密度分別為1.70g/cm3和1.76g/cm3時(shí)黃土試樣脫濕過程的土水特征曲線如圖9和圖10所示。從圖9和圖10可以看出:土體第1次脫濕曲線的飽和含水率較低,具有較高的進(jìn)氣值和良好的持水性能,曲線較為平緩;第2次脫濕曲線的飽和含水率明顯提高,進(jìn)氣值降低;低吸力段曲線位于第1次脫濕曲線的上方,由于失水速率較大,隨著基質(zhì)吸力增大即與第1次脫濕曲線出現(xiàn)交叉,隨后處于其下方;土體第3次脫濕曲線與第2次脫濕曲線呈現(xiàn)相同規(guī)律,曲線基本重合,說明經(jīng)過2次干濕循環(huán)后黃土的細(xì)觀或微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化,孔隙結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定,土水特征曲線基本處于穩(wěn)定狀態(tài),受干濕循環(huán)影響很小。Monta?ez測試了壓實(shí)砂土3次干濕循環(huán)的土水特征曲線,與本文得出的規(guī)律相同。在土體材料一定的情況下,土水特征曲線主要依賴于土體結(jié)構(gòu)。土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變異主要有2種方式:一種是孔隙被壓縮,另一種是由易溶鹽組成的膠結(jié)物被溶蝕。這2種作用改變了顆粒之間的相對(duì)位置、接觸狀態(tài)、膠結(jié)物及膠結(jié)狀態(tài)、粒間孔隙的直徑與形狀,從而影響著黃土的土水特征曲線。干密度的增大使孔隙被壓縮,干濕循環(huán)則在土-水體系的物理化學(xué)效應(yīng)作用下使土中膠結(jié)物被溶蝕,孔隙貫通或擴(kuò)張,進(jìn)一步改變了土體結(jié)構(gòu)。在增濕過程中,水分的進(jìn)入造成土粒間結(jié)合水膜變厚,土體骨架膨脹,膠結(jié)物溶解使部分顆粒發(fā)生相對(duì)位移,原有結(jié)構(gòu)破壞后逐漸形成了新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在脫濕過程中,土樣含水率逐漸降低,骨架收縮使土體結(jié)構(gòu)再一次受到擾動(dòng),一方面,由于膠結(jié)物溶蝕造成部分中小孔隙連通發(fā)展成大孔隙;另一方面,由于失水收縮部分小孔隙擴(kuò)大和加深,總體上增加了土體中等孔隙和大孔隙的數(shù)量。在反復(fù)干濕循環(huán)作用下,土體的結(jié)構(gòu)不斷遭到破壞,削弱了土體強(qiáng)度,因此,第1次脫濕曲線具有較高的進(jìn)氣值和良好的持水性能;隨著干濕循環(huán)的持續(xù)作用,土體結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定,因而,后續(xù)的脫濕曲線基本重合。2.3.2干法循環(huán)前后土壤中不同類型孔隙的變化從微觀形態(tài)上探究干濕循環(huán)后黃土的微觀孔隙變化狀況,可以更好地理解干濕循環(huán)作用對(duì)土體土水特征曲線的影響。當(dāng)干密度為1.70g/cm3和1.76g/cm3時(shí)蘭州黃土試樣3次干濕循環(huán)后的300倍微結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片分別如圖11和圖12所示。對(duì)比圖6和圖7干濕循環(huán)前微結(jié)構(gòu)照片可以看出:干濕循環(huán)后土樣表面更加“干凈”,土中大孔隙數(shù)量有所增加;同樣,采用ImageJ軟件統(tǒng)計(jì)分析干濕循環(huán)后土體中孔隙特征,即可得到干濕循環(huán)前、后黃土中不同類型孔隙的變化情況。表3所示為干濕循環(huán)前、后各類型孔隙變化的定量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表3可知:3次干濕循環(huán)后大孔隙的平均直徑和所占比例都有所增大,中孔隙所占比例略有減小,小孔隙、微孔隙的平均直徑和孔隙面積比幾乎不變。土體微結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果印證了干濕循環(huán)作用溶蝕土中膠結(jié)物使孔隙貫通或擴(kuò)張的論斷,解釋了干濕循環(huán)后土體具有較高飽和含水率和較低持水性能的原因。3土水特征曲線的多模式分析非飽和土的土水特征曲線受多種因素影響,目前尚不能從理論上推求含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系,一般采用簡單模型描述不同土的土水特征曲線。利用數(shù)學(xué)模型對(duì)測試所得吸力、含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確擬合,對(duì)于預(yù)測和計(jì)算非飽和土的力學(xué)性能、滲透系數(shù)、抗剪強(qiáng)度及分析邊坡穩(wěn)定性有重要意義。Sillers等系統(tǒng)介紹了目前世界上廣泛使用的土水特征曲線數(shù)學(xué)模型,通過多組實(shí)測土水特征曲線與數(shù)學(xué)模型的擬合分析了各種模型的適用性及優(yōu)缺點(diǎn);戚國慶等通過數(shù)學(xué)表達(dá)形式將土水特征曲線的數(shù)學(xué)模型分為4類,在此基礎(chǔ)上提出了Taylor級(jí)數(shù)展開的冪函數(shù)多項(xiàng)式通用模型;來劍斌等通過實(shí)測多種土的土水特征曲線,對(duì)比分析了各種模型對(duì)不同土質(zhì)的適用性。分析已有模型的優(yōu)缺點(diǎn)及實(shí)用性,選取VanGenuchten,FredlundandXing以及Garder3種常用模型對(duì)實(shí)測的黃土土水曲線進(jìn)行擬合,模型數(shù)學(xué)表達(dá)式如下。VanGenuchten模型:FredlundandXing模型:Garder模型:式中:a為進(jìn)氣值函數(shù)的土性參數(shù);b為當(dāng)基質(zhì)吸力超過土的進(jìn)氣值時(shí),土中水流出率函數(shù)的土性參數(shù);c為殘余含水率函數(shù)的土性參數(shù);uf066為基質(zhì)吸力(kPa);θ為體積含水率(%);θs為飽和體積含水率(%);θr為殘余體積含水率(%)。圖13所示為3種模型對(duì)蘭州黃土最大干密度試樣的擬合曲線,表4所示為所有土樣的擬合結(jié)果。從圖13和表4可以看出:VanGenuchten模型擬合結(jié)果與實(shí)測曲線最接近,擬合相關(guān)性高,可以很好地描述非飽和黃土的土水特征曲線。因此,認(rèn)為VanGenuchten模型為黃土土水特征曲線的適宜模型,可用來描述和預(yù)測重塑黃土的土水特征曲線。4干密度和循環(huán)作用對(duì)土體含水率的影響(1)蘭州黃土土水特征曲線呈反S型曲線形態(tài),在初始條件下,土體含水率隨基質(zhì)吸力增大降低幅度很小;當(dāng)基質(zhì)吸力高于進(jìn)氣值時(shí),土體進(jìn)入快速失水狀態(tài)。隨著基質(zhì)吸力增大,土樣的失