2009年8月总第170期 陕西建筑59
土水特征曲线试验研究及影响因素分析
刘智荣 闫兴愿 王红波
(1. 西北综合勘察设计研究院710003 西安; 2. 陕西信远建设项目管理集团有限公司)
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摘 要:土水特征曲线是非饱和土理论的重要内容, 对于进一步研究非饱和土边坡具有重要意义。通过对交河
古城遗址试验研究, 得出了饱和度与基质吸力的关系, 对土水特征曲线影响因素的分析, 为工程实践提
供了指导性结论, 文中EXCEL 的使用, 使得数据处理更便捷、准确。
关键词:土水特征曲线; 饱和度; 基质吸力; 交河古城 土水特征曲线的研究, 起源于土壤学和土壤物理学。当时主要着重于天然状态下表层土壤吸力的变化、土壤的持水特性及水分运动特征的研究, 基质吸
力值一般小于100kPa 。近年来, 由于非饱和土力学理论在边坡稳定性评价以及降雨型滑坡预测等方面的广泛应用而研究非饱和土理论, 对土水特征曲线的研究是必不可少的, 这就要求我们对非饱和土的土水特征曲线进行更加深入的研究。
1. 1试样制备
试样采自交河古城一段, 为粉质粘土中的黄土。在试样制备过程中控制干密度, 使其等于工程实际干密度(1. 59g /cm ) 。采用分层压实法, 配置饱和度为3. 81、14. 85、26. 65、41. 88、57. 11的圆柱样试样, 试样高度为l 2. 5c m, 直径为6. 18c m 。
1. 2试验装置
本次试验利用改进的非饱和土三轴仪来测量非饱和土的土 水特性。三轴仪压力室如图1 1所示。
该装置主要有以下特点:(1) 加压系统由内、外压力室组成, 用来施加围压和反压, 内压力室与外压力室中的液压相等, 可消除内压力室的变形对体变测量产生的误差; (2) 高进气值陶土板, 进气值为1. 5MPa , 可以利用轴平移技术对土样施加较高的吸力; (3) 测量系统由传感器和微机组成, 孔隙水压力的测量是在压力室底座上安装高进气值的陶土板、液压传感器, 通过陶土板传递孔隙水压; (4) 高精度体变量测装置, 反映玻璃内水体积改变; (5) 气压控制, 通过试
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图1 1非饱和土土水特性试验三轴压力室剖面图1. 3试样的物理性质
试验土样选用交河古城一段城墙上的黄土, 所取
土样为重塑样。其基本物理性质指标见表1 1。
表1 1试验用土样物理性质指标
土质(%) (%) 黄土
50. 5
28. 8
21. 7
比重2. 7
初始含水量3. 9%
1. 4试验过程
试验准备工作有:饱和陶土板、安装试样、给压力室注水、密封压力室。试验内容包括:在不同的围压(50, 100, 200kPa) 下量测试样的孔隙水压, 孔隙气压设定为零, 每一级饱和度、每一级围压下测得的孔隙水压的差值必须稳定(稳定的标准是体变连续2h 不超过0. 0lc m , 且历时不少于48h) 。在试验过程中, ,
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60陕西建筑 2009年8月总第170期
它的影响因素是十分必要的。
(1) 围压和饱和度不同对基质吸力的影响
图1 3给出了本次试验得出的不同饱和度下围压 基质吸力的实测结果。
用无气水清洗陶土板表面, 并再次饱和陶土板, 供下次试验使用。
1. 5重塑黄土试验结果
本次试验共取试样5组, 控制饱和度, 每组试样分别施加围压分别为50kPa , 100kPa , 和200kPa , 从中测得不同的饱和度所对应的基质吸力。各个围压下饱和度 基质吸力的实测结果如下图1 2所示
:
图1 3各个饱和度下围压 基质吸力的实测曲线从上面实测结果可以看出:饱和度不同的情况下, 围压与基质吸力的关系不同, 但趋势基本一致(除
图1 2不同围压条件下饱和度 基质吸力的实测曲线
从图1 2中试验结果可以得出交河古城非饱和黄土土水特征曲线具有如下特征:
(1) 与一般理论相吻合, 随饱和度增大, 基质吸力减小, 非饱和土的工程性质逐渐弱化。
(2) 在天然饱和度以上基质吸力变化并不是很大, 而天然饱和度以下, 饱和度随基质吸力的增大而迅速减小。由此发现非饱和土的性质受天然饱和度下的变化影响显著。
(3) 在不同围压下, 土水特征曲线明显不同, 对于同一饱和度下的土样, 随着围压的增大, 其基质吸力明显增大。说明不同围压对于土水特征曲线的测量结果有很大的影响。
(4) 虽然各段曲线的变化坡度不同, 但是可以看出, 在饱和度处于(14. 85% 41. 88%) 的部分, 变化幅度大致相同, 这也正是典型土水特征曲线中所说的转化段, 这符合典型土水特征曲线的要求。
2. 1土水特征曲线的影响因素的分析
土水特征曲线的研究在国内外己经有相当长时间了, 但主要侧重于试验研究和数学模拟, 很少考虑该曲线及相应的数学模型是否对应, 以及不同因素对曲线的影响。比如土体都有一定的应力历史, 必须考
图1 4不同土质的土水特征曲线
由图可知, 软粘土和砂土较之粉土和残积土进气Sr=1%之外), 大胆假设, 在饱和度低于天然饱和度的情况下, 围压与基质吸力关系的曲线走势为向上凸, 这个假设还有待理论的进一步给以佐证。另外,
随围压的增大, 同一种饱和度下的所对应的基质吸力明显减小, 但随着围压的逐渐增大, 这个减弱效果越来越不明显, 这在工程实践中已经得到证实, 具体理论解释, 还有待进一步研究。
(2) 不同土质的影响
笔者分别取四种不同性状的土样:残积土、软粘土、砂土、粉土、黄土, 进行土水特征试验, 可得到如图1 4所示曲线。
2009年8月总第170期 陕西建筑值较低, 土中水易于排出, 在外界雨水影响下土体易于达到饱和。另一方面, 就储水系数而言, 粉土较之其他三种土样都大, 这说明相对其他三种土样, 粉土持水能力较差, 易于脱水。笔者前面所用黄土试样属于粉质粘土。它的结果在w =11%到w =15%之间符合该曲线的趋势。
(3) 不同初始干密度的影响
将黄土击实制成三种不同初始干密度的试样, 试样干密度 . 59g /c m , 1. 68g /c m , 1. 75g /d 分别为1c m , 分别进行含水量为1%, 3. 9%, 7%, 11%, 15%的土水试验, 试验结果见图1 5, 虽然曲线不够完整, 但可以大致判断不同初始干密度的土体进气值不同, 干密度为1. 75g /cm 的土样进气值明显小于其他两个。当吸力继续增加时, 其中两条曲线出现交点。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, 干密度对进气值以后的曲线斜率有很大的影响, 干密度较大的土体储水系数较小。特别
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是干密度为1. 59g /cm 的土样, 曲线的斜率变化比较大, 有别于其他两条土水特征曲线, 这可能由于土的干密度较小, 土样内部结构的孔隙空间相对较大, 连通性也较好, 在进气脱水的过程中土样中水分排出速率较快, 在较小吸力驱动下, 水分被驱动排出:而相对应的高密度试样孔隙较小, 并存在一定数量的微孔隙, 这些微孔隙中孔隙水不易排除, 需要较大的驱动力才能使部分孔隙水排挤出。总的来看, 干密度对土水特征曲线的进气值和储水系数都有较大的影响。从图中还可以看出含水量越小,
曲率变化越小。
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果来看, 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。理论解释为, 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, 土体非饱和土土水特征曲线与强度的试验研究及其应用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。
(5) 吸力范围的影响
总结有关文献中试验可以得到, 吸力大于10000kPa 时, 不同含水量和不同竖向压力对曲线的影响不大, 各曲线之间的区别很小, 曲线有收敛的趋势。因为吸力很高情况下, 土体颗粒间的各项作用力很大, 土体抵抗外界变形能力增强。因此在研究土水特征曲线时, 要考虑实际的吸力范围, 吸力很高时, 可以忽略各影响因素的作用。但在实际工程中, 吸力值一般都不是很大, 因此各因素的影响不能忽略。结论
通过对非饱和土研究具有重要意义的土水特征曲线进行了较系统的试验和理论研究, 试验取土样为重塑黄土, 首先对交河古城黄土试样分别以不同的含水量(饱和度) 进行了不同围压下的试验以及结果分析; 其次, 分别就土水特征曲线的影响因素等进行了一系列的试验结果分析研究, 为工程实际提供了具有指导意义的结论;
参考文献:
[1]贺育胜. 交河古城遗址非饱和土试验研究及边
图1 5不同初始干密度的土水特征曲线(4) 原状样与击实样的区别
[27]
为了探讨土体结构的影响, 刘艳华等对比了同一种土原状样和击实样的土水特征曲线, 从试验结
坡稳定性分析! [硕士学位论文].郑州华北水利水电学院, 2008.
[2]Fredlund D. G. , Rahar d j o H. 著, Unsat u rated So il
M echanics , 陈仲颐、张在明等译, 非饱和土土力学, 中国建筑工业出版社, 1997. 8.
2009年8月总第170期 陕西建筑59
土水特征曲线试验研究及影响因素分析
刘智荣 闫兴愿 王红波
(1. 西北综合勘察设计研究院710003 西安; 2. 陕西信远建设项目管理集团有限公司)
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摘 要:土水特征曲线是非饱和土理论的重要内容, 对于进一步研究非饱和土边坡具有重要意义。通过对交河
古城遗址试验研究, 得出了饱和度与基质吸力的关系, 对土水特征曲线影响因素的分析, 为工程实践提
供了指导性结论, 文中EXCEL 的使用, 使得数据处理更便捷、准确。
关键词:土水特征曲线; 饱和度; 基质吸力; 交河古城 土水特征曲线的研究, 起源于土壤学和土壤物理学。当时主要着重于天然状态下表层土壤吸力的变化、土壤的持水特性及水分运动特征的研究, 基质吸
力值一般小于100kPa 。近年来, 由于非饱和土力学理论在边坡稳定性评价以及降雨型滑坡预测等方面的广泛应用而研究非饱和土理论, 对土水特征曲线的研究是必不可少的, 这就要求我们对非饱和土的土水特征曲线进行更加深入的研究。
1. 1试样制备
试样采自交河古城一段, 为粉质粘土中的黄土。在试样制备过程中控制干密度, 使其等于工程实际干密度(1. 59g /cm ) 。采用分层压实法, 配置饱和度为3. 81、14. 85、26. 65、41. 88、57. 11的圆柱样试样, 试样高度为l 2. 5c m, 直径为6. 18c m 。
1. 2试验装置
本次试验利用改进的非饱和土三轴仪来测量非饱和土的土 水特性。三轴仪压力室如图1 1所示。
该装置主要有以下特点:(1) 加压系统由内、外压力室组成, 用来施加围压和反压, 内压力室与外压力室中的液压相等, 可消除内压力室的变形对体变测量产生的误差; (2) 高进气值陶土板, 进气值为1. 5MPa , 可以利用轴平移技术对土样施加较高的吸力; (3) 测量系统由传感器和微机组成, 孔隙水压力的测量是在压力室底座上安装高进气值的陶土板、液压传感器, 通过陶土板传递孔隙水压; (4) 高精度体变量测装置, 反映玻璃内水体积改变; (5) 气压控制, 通过试
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图1 1非饱和土土水特性试验三轴压力室剖面图1. 3试样的物理性质
试验土样选用交河古城一段城墙上的黄土, 所取
土样为重塑样。其基本物理性质指标见表1 1。
表1 1试验用土样物理性质指标
土质(%) (%) 黄土
50. 5
28. 8
21. 7
比重2. 7
初始含水量3. 9%
1. 4试验过程
试验准备工作有:饱和陶土板、安装试样、给压力室注水、密封压力室。试验内容包括:在不同的围压(50, 100, 200kPa) 下量测试样的孔隙水压, 孔隙气压设定为零, 每一级饱和度、每一级围压下测得的孔隙水压的差值必须稳定(稳定的标准是体变连续2h 不超过0. 0lc m , 且历时不少于48h) 。在试验过程中, ,
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60陕西建筑 2009年8月总第170期
它的影响因素是十分必要的。
(1) 围压和饱和度不同对基质吸力的影响
图1 3给出了本次试验得出的不同饱和度下围压 基质吸力的实测结果。
用无气水清洗陶土板表面, 并再次饱和陶土板, 供下次试验使用。
1. 5重塑黄土试验结果
本次试验共取试样5组, 控制饱和度, 每组试样分别施加围压分别为50kPa , 100kPa , 和200kPa , 从中测得不同的饱和度所对应的基质吸力。各个围压下饱和度 基质吸力的实测结果如下图1 2所示
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图1 3各个饱和度下围压 基质吸力的实测曲线从上面实测结果可以看出:饱和度不同的情况下, 围压与基质吸力的关系不同, 但趋势基本一致(除
图1 2不同围压条件下饱和度 基质吸力的实测曲线
从图1 2中试验结果可以得出交河古城非饱和黄土土水特征曲线具有如下特征:
(1) 与一般理论相吻合, 随饱和度增大, 基质吸力减小, 非饱和土的工程性质逐渐弱化。
(2) 在天然饱和度以上基质吸力变化并不是很大, 而天然饱和度以下, 饱和度随基质吸力的增大而迅速减小。由此发现非饱和土的性质受天然饱和度下的变化影响显著。
(3) 在不同围压下, 土水特征曲线明显不同, 对于同一饱和度下的土样, 随着围压的增大, 其基质吸力明显增大。说明不同围压对于土水特征曲线的测量结果有很大的影响。
(4) 虽然各段曲线的变化坡度不同, 但是可以看出, 在饱和度处于(14. 85% 41. 88%) 的部分, 变化幅度大致相同, 这也正是典型土水特征曲线中所说的转化段, 这符合典型土水特征曲线的要求。
2. 1土水特征曲线的影响因素的分析
土水特征曲线的研究在国内外己经有相当长时间了, 但主要侧重于试验研究和数学模拟, 很少考虑该曲线及相应的数学模型是否对应, 以及不同因素对曲线的影响。比如土体都有一定的应力历史, 必须考
图1 4不同土质的土水特征曲线
由图可知, 软粘土和砂土较之粉土和残积土进气Sr=1%之外), 大胆假设, 在饱和度低于天然饱和度的情况下, 围压与基质吸力关系的曲线走势为向上凸, 这个假设还有待理论的进一步给以佐证。另外,
随围压的增大, 同一种饱和度下的所对应的基质吸力明显减小, 但随着围压的逐渐增大, 这个减弱效果越来越不明显, 这在工程实践中已经得到证实, 具体理论解释, 还有待进一步研究。
(2) 不同土质的影响
笔者分别取四种不同性状的土样:残积土、软粘土、砂土、粉土、黄土, 进行土水特征试验, 可得到如图1 4所示曲线。
2009年8月总第170期 陕西建筑值较低, 土中水易于排出, 在外界雨水影响下土体易于达到饱和。另一方面, 就储水系数而言, 粉土较之其他三种土样都大, 这说明相对其他三种土样, 粉土持水能力较差, 易于脱水。笔者前面所用黄土试样属于粉质粘土。它的结果在w =11%到w =15%之间符合该曲线的趋势。
(3) 不同初始干密度的影响
将黄土击实制成三种不同初始干密度的试样, 试样干密度 . 59g /c m , 1. 68g /c m , 1. 75g /d 分别为1c m , 分别进行含水量为1%, 3. 9%, 7%, 11%, 15%的土水试验, 试验结果见图1 5, 虽然曲线不够完整, 但可以大致判断不同初始干密度的土体进气值不同, 干密度为1. 75g /cm 的土样进气值明显小于其他两个。当吸力继续增加时, 其中两条曲线出现交点。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, 干密度对进气值以后的曲线斜率有很大的影响, 干密度较大的土体储水系数较小。特别
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是干密度为1. 59g /cm 的土样, 曲线的斜率变化比较大, 有别于其他两条土水特征曲线, 这可能由于土的干密度较小, 土样内部结构的孔隙空间相对较大, 连通性也较好, 在进气脱水的过程中土样中水分排出速率较快, 在较小吸力驱动下, 水分被驱动排出:而相对应的高密度试样孔隙较小, 并存在一定数量的微孔隙, 这些微孔隙中孔隙水不易排除, 需要较大的驱动力才能使部分孔隙水排挤出。总的来看, 干密度对土水特征曲线的进气值和储水系数都有较大的影响。从图中还可以看出含水量越小,
曲率变化越小。
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果来看, 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。理论解释为, 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, 土体非饱和土土水特征曲线与强度的试验研究及其应用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。
(5) 吸力范围的影响
总结有关文献中试验可以得到, 吸力大于10000kPa 时, 不同含水量和不同竖向压力对曲线的影响不大, 各曲线之间的区别很小, 曲线有收敛的趋势。因为吸力很高情况下, 土体颗粒间的各项作用力很大, 土体抵抗外界变形能力增强。因此在研究土水特征曲线时, 要考虑实际的吸力范围, 吸力很高时, 可以忽略各影响因素的作用。但在实际工程中, 吸力值一般都不是很大, 因此各因素的影响不能忽略。结论
通过对非饱和土研究具有重要意义的土水特征曲线进行了较系统的试验和理论研究, 试验取土样为重塑黄土, 首先对交河古城黄土试样分别以不同的含水量(饱和度) 进行了不同围压下的试验以及结果分析; 其次, 分别就土水特征曲线的影响因素等进行了一系列的试验结果分析研究, 为工程实际提供了具有指导意义的结论;
参考文献:
[1]贺育胜. 交河古城遗址非饱和土试验研究及边
图1 5不同初始干密度的土水特征曲线(4) 原状样与击实样的区别
[27]
为了探讨土体结构的影响, 刘艳华等对比了同一种土原状样和击实样的土水特征曲线, 从试验结
坡稳定性分析! [硕士学位论文].郑州华北水利水电学院, 2008.
[2]Fredlund D. G. , Rahar d j o H. 著, Unsat u rated So il
M echanics , 陈仲颐、张在明等译, 非饱和土土力学, 中国建筑工业出版社, 1997. 8.