影响土水特征曲线的因素分析

影响土水特征曲线的因素分析

1土水特征曲线土壤水特征曲线对非饱和土壤肥力的研究非常重要，因此有必要分析其影响因素。在这方面,土壤学起步较早,但土力学中的土水特征曲线与土壤学中的土水特征曲线在研究和应用中有一定区别;土力学中不仅要考虑土体成分及结构的影响,还要考虑到应力状态的影响,在应用中要分析土水特征曲线与强度等力学指标的关系,有待探讨的方面很多。由于受测试方法的限制,土水特征曲线的研究进展比较缓慢。2土体的孔隙结构影响土水特征曲线的因素主要有土的矿物成分、孔隙结构、土体的收缩性、土的应力历史和温度等。但笔者认为土的矿物成分和孔隙结构是基本因素,其它因素往往是通过影响这两个基本因素而起作用的。(1)土的矿物成分,包括土颗粒的矿物成分以及孔隙中可溶盐成分。其影响反映在土体对水分的亲和程度上,对于具有较强亲水性的矿物组成的土体,它表现出的吸力也必然较大,反映在土水特征曲线上,则为残余含水量较大,曲线的斜率也变得平缓。(2)孔隙结构,包括孔隙大小、级配和组成结构等。孔隙结构影响土水作用面积和收缩膜的形状,而后者决定吸力的大小。土体的孔隙尺寸小,进气值高,持水性强,则土水特征曲线平缓。孔隙结构通常和粒径、级配以及土骨架结构相关,一般说来粒径较小、级配良好的土体,其孔径较小。此外,影响孔隙结构的其它一些因素也间接影响着土水特征曲线的形状,如干密度、初始含水量、应力路径和应力状态等。(3)土体的收缩性,土体在干湿循环过程中所产生的收缩或膨胀必然会引起孔隙结构的变化,进而影响土体的持水能力,改变土水特征曲线的形状。3试验与研究针对以上因素,本文开展了一系列的对比试验,对土水特征曲线的性质和影响因素进行定性的分析。3.1膨胀率、塑性指数试样分别取自湖北枣阳和河南南阳,为膨胀性土原状样或击实土。湖北枣阳土样的基本性状为:粘粒含量47%~59%,天然含水量25%~35%,自由膨胀率58%~88%,液限含水量wL=70.8%,塑性指数IP=47.3。南阳土取自南水北调总干渠渠线附近,为第四系上更新统冲湖积粘土,粘土矿物成分主要为水云母、蒙脱石和蛭石,其粘粒含量48.7%~56%,天然含水量23.4%~26.4%,自由膨胀率70%~77%,密度1.94~2.04g/cm3,液限含水量wL=52.2%~66.6%,塑性指数IP=24.5~38.9。3.2土水特征曲线比较试验分别在15bar压力膜仪和自制3.5bar体积压力板上进行,后者具有对土样进行加压或者约束土体膨胀的功能,其优点是能使土样接近实际工程中的应力状态。为了分析各因素对土水特征曲线的影响,进行了3组比较试验。由于原状土通常是处于一定的应力状态下,试验中考虑了现场应力状态的模拟,对同一组试样分别进行有压和无压饱和处理。其次,对比了两种不同初始孔隙比击实土的土水特征曲线,以及不同塑性击实土的土水特征曲线。此外,为了获得一条比较完整的土水特征曲线,对一种风化砂进行了相应的测试。3.3结果和讨论(1)土水特征曲线为了探讨外力对土水特征曲线的影响,对一系列试样进行了有压和无压条件下的对比试验。有压状态是指在饱和及试验过程中,土体受到约束不产生膨胀,试验过程中土的孔隙比保持不变。无压状态则是土体自由膨胀饱和,在试验过程中,其变形不受外界约束。图1为某一典型原状样在不同应力状态下饱和后的土水特征曲线,从中可以看出,虽然随着基质吸力的增加两条曲线有相重合的趋势,它们的形状差别还是很大的,主要表现在土体的进气值和进气点后的储水系数(土水特征曲线的斜率)。具有预固结压力的土样,其曲线平缓,脱水较慢。也就是说,应力状态影响土水特征曲线的进气值和储水系数,而储水系数则与非饱和土的渗透性有密切关系。这就意味着在分析水分入渗和蒸发时,必须考虑具有不同应力状态土层的差别。当吸力较高时,两条曲线趋于重合,此时应力状态对吸力值影响较小,即可以认为外应力和吸力是互不相关的;由于吸附强度是和吸力相对应的,外应力对吸附强度的影响也很微弱,这与Fredlund&Morgenstern的强度理论相符合。(2)初始孔隙结构将南阳击实土制成两种不同孔隙比的试样,饱和后的初始孔隙比e0分别为0.66和0.83。试验结果见图2,初始孔隙比较大的土体进气值较小,当吸力继续增加时,两条曲线出现交点。虽然受测量范围的限制,不能看到曲线的进一步走势,从图中可以发现,孔隙比对进气值以后的曲线斜率有很大的影响,孔隙比较大的土体储水系数也较大。总的来看,孔隙比对土水特征曲线的进气值和储水系数都有较大的影响。(3)储水系数及复配率的测定取南阳和枣阳两种不同土性的原状土作比较试验,南阳土IP=26.5,枣阳土IP=47.3,它们的初始含水量和其它物理指标都相似,所得结果见图3。可以看出两条曲线的进气值和储水系数都有差别,反映出高塑性粘土脱水速度较慢、持水性好的特点。图4是对一种风化砂进行土水特征曲线测试的结果。由于风化砂容易脱水,在较小的吸力范围,获得了一个形状较为完整的土水特征曲线。可以看到,风化砂的进气值要远比粘土的进气值小,而储水系数较大。(4)原状土续烧后为了探讨土体结构的影响,对比了同一种土原状样和击实样的土水特征曲线,如图5所示。容易发现,击实样的曲线有一个明显的折点,它们可以近似地看成是由两条直线段组成的,前一段基本呈水平状,为土样进气阶段(完全封闭状态),另一段为斜线段,与非饱和土的内部连通状态相对应。对于原状样,曲线形状平滑,无明显的折点。笔者认为,原状土在其形成过程中,土颗粒按一定方向和次序排列,形成的孔隙结构具有一定的方向性,甚至存在一些相互连通的通道。在土样脱湿的过程中,气体首先进入尺寸较大的通道,并排除通道内的孔隙水,这部分孔隙水在总孔隙水中占较大比例,随着吸力的增大,通道内的水逐渐减少,非通道内的水排除又较缓慢,土体表现出较高的持水能力。因此,原状样有较低的进气值和较高的持水性能。对于击实样,土体内的孔隙基本上是均匀分布且无方向性,孔隙级配属不良级配,气体较难进入土体,表现出较高的进气值。试验表明土体结构对土水特征曲线的影响比较大。4土水特征曲线拟合公式土水特征曲线可以用数学关系式表达。如Fredlund&Xing和Fredlund,Fredlund&Wilson根据土体孔径分布曲线,用统计分析理论推导出的公式可适用于全吸力范围的任何土类,但公式形式复杂,应用不便。通过上述试验分析,笔者认为,由于击实样和原状样的土水特征曲线差别明显,可采用不同的公式表示,以适应不同的工程情况。比如对于土坝这样的填方工程,采用击实样的公式就更有适应性。根据包承纲的分析,非饱和土的气相形态可以分为四种,在不同形态中,非饱和土土体所表现的土性各不相同,工程意义也不同。因此,只需分析具有实际工程意义的含水量情况,并将该阶段非饱和土的有关公式简化,使其具有针对性和实用性。本文试验受吸力测量范围的限制,所得粘性土的土水特征曲线只是全范围的一部分,气相形态包括完全封闭和内部连通两种,但这部分却是最具有工程意义的一段。虽然现有土水特征曲线公式对这一段的表达已经比较准确,公式形式一般较为复杂,且有关拟合参数难以确定。经过对多种击实样的试验分析,发现该段土水特征曲线可以用折线形式(在半对数坐标上)近似,如图6所示,其中AB为水平线段,BC为斜线段。这种拟合方法在常见的基质吸力范围内能够满足精度需要,从本文测定的其它土水特征曲线来看,折线拟合也是合理的。其表达式为:式中:θ为体积含水率;θs为饱和时的含水率;(ua-uw)b为土体的进气值;n为斜线段的斜率。图6中土水特征的拟合参数为n=0.024,(ua-uw)b=10kPa。该公式的特点是可根据实际工程应用中的含水量范围测定和拟合土水特征曲线,不必测量高吸力范围段,公式中的拟合参数容易确定,应用起来十分方便。还需要说明的是,因为土水特征曲线分脱湿和吸湿两种,依据它们所确定的水分运动参数就有两种形式,在分析水分运动时要区分这两种情况。对于雨水入渗的水分运动应根据吸湿曲线计算,而蒸发则应采用脱湿曲线,这样的处理方法更为合理。5土水特征曲线的变动性土水特征曲线的研究对非饱和土力学的发展具有重要意义。本文通过对土水特征曲线的影响因素分析及试验研究,探讨了各因素对土水特征曲线的影响。工程上的土体都要受到一定的外力作用,通过本文试验结果可以发现,外力对土水特征曲线的影响基本上局限在初始段,即对土体的进气值和初始段的曲线斜率影响较大;随着基质吸力的增大,外力对土水特征曲线的影响也越来越小。对不同初始孔隙比土体的试验研究表明,初始孔隙比大的