基于濾紙法的裂隙膨脹土土水特征曲線試驗(yàn)

吳珺華,袁俊平,楊 松

(1.南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院,江西南昌 330063;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098; 3.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京 210098;4.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電與建筑學(xué)院,云南昆明 650201)

基于濾紙法的裂隙膨脹土土水特征曲線試驗(yàn)

吳珺華1,袁俊平2,3,楊 松4

(1.南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院,江西南昌 330063;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098; 3.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京 210098;4.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電與建筑學(xué)院,云南昆明 650201)

針對傳統(tǒng)測量吸力試驗(yàn)方法存在的缺陷,采用濾紙法進(jìn)行了裂隙膨脹土的吸力測定試驗(yàn),得到了裂隙膨脹土的土水特征曲線,該曲線形態(tài)與無裂隙膨脹土的基本相同,均可分為3個(gè)階段,為倒“S”形。相同含水率條件下,脫濕路徑下制備的試樣基質(zhì)吸力比吸濕路徑下的大,存在明顯的滯回現(xiàn)象,可用已有的土水特征曲線計(jì)算模型進(jìn)行擬合分析。試驗(yàn)結(jié)果表明,濾紙法可獲得任意狀態(tài)下土體的吸力,不干擾土體的初始狀態(tài),可作為測量裂隙膨脹土等特殊性土吸力的一種有效方法。

膨脹土;裂隙;濾紙法;基質(zhì)吸力;土水特征曲線

土水特征曲線(SWCC)是土體基質(zhì)勢與飽和度的關(guān)系曲線,表示土體水的能量與數(shù)量之間的關(guān)系,反映了土體的持水性能[1]。土水特征曲線能很好地反映非飽和土的工程力學(xué)特性,一直是非飽和土的研究重點(diǎn)。膨脹土的飽和度吸力隨外界條件變化而變化,同時(shí)導(dǎo)致土體強(qiáng)度、變形、滲流等性質(zhì)發(fā)生改變。已有學(xué)者對膨脹土進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究,系統(tǒng)分析了膨脹土礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力歷史等因素對土水特征曲線的影響[2-9]。由于膨脹土在干濕循環(huán)作用下易產(chǎn)生脹縮裂隙,此時(shí)土體的持水性能與完整土體的相比大不相同,而目前關(guān)于裂隙膨脹土的吸力研究并不多見。本文采用濾紙法測量裂隙膨脹土的基質(zhì)吸力,得到了裂隙膨脹土的土水特征曲線,可為深入研究裂隙膨脹土性質(zhì)提供試驗(yàn)參考。

1 試驗(yàn)方法

目前有多種方法來直接或間接測量土體的吸力,包括濕度計(jì)法、張力計(jì)法、軸平移法、熱傳導(dǎo)法、濾紙法等。濾紙法可用于測定土中的吸力,該方法具有價(jià)格低廉、操作簡單、量程大和精度高等優(yōu)點(diǎn),且可測量較大的吸力范圍[10],已廣泛應(yīng)用于巖土工程[11-13]。該方法遵循熱力學(xué)平衡原理,當(dāng)土體濾紙空氣間的水氣達(dá)到平衡時(shí),由濾紙的平衡含水率來反映土體的吸力值[14]。當(dāng)濾紙與土體直接接觸時(shí),濾紙的平衡含水率相當(dāng)于土體的基質(zhì)吸力;當(dāng)濾紙與土體不接觸時(shí),濾紙的平衡含水率相當(dāng)于土體的總吸力[10]。

本文試驗(yàn)的試樣是在失水至不同含水率的條件下獲得的,伴隨著裂隙的演化,不同含水率的試樣裂隙的發(fā)育程度也不一樣。由于采用常規(guī)試驗(yàn)儀器(壓力板儀、非飽和固結(jié)儀等)進(jìn)行測量時(shí),得到的是初始狀態(tài)相同試樣的一系列試驗(yàn)點(diǎn),而此處不同時(shí)刻的試樣,含水率和裂隙形態(tài)均不相同,即初始狀態(tài)并不相同。若采用常規(guī)試驗(yàn)儀器進(jìn)行測量,一方面試樣受到限制難以形成裂隙,不能完全反映干濕循環(huán)產(chǎn)生的裂隙特征;另一方面,若直接采用裂隙試樣進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果只能大致反映初始試樣的特征,并不能獲得由于含水率變化會引起裂隙形態(tài)變化這一特征對基質(zhì)吸力的影響。事實(shí)上,隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行,裂隙逐漸演化,吸力受含水率及裂隙形態(tài)的共同影響。由于濾紙法可獲得任意狀態(tài)下土體的吸力,原理清晰,試驗(yàn)設(shè)備簡單,不干擾土體的狀態(tài),適用于大批量的作業(yè),因此本文采用濾紙與試樣直接接觸來測量不同含水率下裂隙膨脹土試樣的基質(zhì)吸力。

2 試驗(yàn)過程

2.1 濾紙率定

采用濾紙法測量試樣的基質(zhì)吸力,首先要得到濾紙的率定曲線,即濾紙含水率與對應(yīng)吸力之間的定量關(guān)系。試驗(yàn)采用Whatman No.42型標(biāo)準(zhǔn)濾紙,其率定關(guān)系見式(1)[15],該型濾紙的含水率ω與吸力us的關(guān)系曲線為雙折線。

2.2 試樣制備

采用輕型擊實(shí)儀制備的試樣,在人工干濕循環(huán)條件下,既可以保證裂隙發(fā)育良好,又能大幅度降低制樣的工作量。土樣基本參數(shù)為:液限42.7％,塑限19.2％,塑性指數(shù)24,自由膨脹率56.8％,最大干密度1.81 g/cm3,相對密度2.74,試樣干密度1.68 g/cm3。試樣制備過程如下:

a.采用輕型擊實(shí)儀將配制好的土料制成大圓狀樣,高度控制在40 mm。擊實(shí)完成后,采用螺旋式千斤頂將試樣推出,并將表面整平。然后將試樣置于抽氣飽和裝置中抽氣飽和,抽氣完成后放置水中。至此一個(gè)圓狀樣制備完畢。

b.將飽和試樣從飽和裝置中移出,并置于室內(nèi)恒溫(20℃)環(huán)境下。采用微型電風(fēng)扇吹試樣表面,風(fēng)扇葉面與試樣表面平行,距試樣表面為600 mm。定期稱量試樣質(zhì)量以確定含水率,當(dāng)試樣質(zhì)量基本不變時(shí),表明失水過程結(jié)束。對于浸水過程,通常采用試樣失水穩(wěn)定后再抽氣飽和的方法來模擬[16]。實(shí)際上,雨水通常只從試樣表面浸入,上述方法并不完全符合降雨過程中水分浸入試樣的特點(diǎn)。試驗(yàn)采用噴壺噴灑試樣表面的方法模擬自然降雨過程,當(dāng)表面積水在30 min內(nèi)不再浸入試樣內(nèi)部時(shí)停止噴水,然后用塑料薄膜將其密封至少24 h。至此一個(gè)干濕循環(huán)完成,重復(fù)上述步驟即為多次干濕循環(huán)。圖1為經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)后,試樣表面裂隙的演化情況。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,主裂隙首先生成,形態(tài)特征明顯;當(dāng)循環(huán)至一定次數(shù)后,主裂隙邊緣土顆粒剝落,形態(tài)逐漸模糊,并有新的小裂隙生成,土體表面破碎程度加劇,這與實(shí)際情況下的裂隙發(fā)育過程較一致。因此采用上述方法能很好地模擬土體受干濕循環(huán)作用而產(chǎn)生的裂隙。

圖1 干濕循環(huán)下膨脹土裂隙發(fā)育過程

c.當(dāng)試樣含水率達(dá)到試驗(yàn)指定要求后,將兩環(huán)刀內(nèi)側(cè)涂抹凡士林,背靠背地置于試樣中心,刀口朝下。在上部環(huán)刀頂部放置大的平整金屬塊,用螺旋式千斤頂緩慢地將環(huán)刀壓入試樣約30 mm。壓入速率不宜過大,尤其對于含水率低的試樣,其表現(xiàn)出較高的硬度和較大的脆性,壓入太快容易導(dǎo)致試樣產(chǎn)生脆性斷裂而無法獲得完整樣。不同壓入速率的試驗(yàn)結(jié)果表明,低含水率試樣壓入速率宜為0.3～0.5 mm/s,高含水率試樣壓入速率宜為0.7～1.0 mm/s。壓入指定深度后,將上部環(huán)刀移開,削去下部環(huán)刀外側(cè)土樣測含水率。將環(huán)刀及內(nèi)部試樣稱量,由實(shí)測含水率可獲得試樣的初始干密度和飽和度。

2.3 試驗(yàn)方案與步驟

由于時(shí)間的限制,未進(jìn)行不同干濕循環(huán)次數(shù)下的試驗(yàn),試樣為經(jīng)歷3次干濕循環(huán)后的試樣。為研究不同水分變化路徑對裂隙膨脹土吸力的影響,分別進(jìn)行了脫濕路徑、吸濕路徑下的濾紙法測吸力試驗(yàn)。采用接觸法測量試樣的基質(zhì)吸力,每組取相同試樣2個(gè)及干濾紙3張。濾紙尺寸小于試樣(1張直徑為55 mm,另2張直徑為58 mm,均小于試樣直徑60 mm),將小直徑的濾紙夾在2張大直徑濾紙之間并置于下部試樣的頂部,然后將上部試樣置于濾紙上方緊密接觸(圖2)。用塑料膜將整體包裹后蠟封,置于恒溫環(huán)境下至少7 d[13],保證濾紙與試樣達(dá)到水分交換平衡。取濾紙過程需要2人配合完成,一人將上下試樣分開,另一人迅速用鑷子將濾紙夾出,裝入鋁盒中密封并稱量。稱量完成后打開盒蓋放入烘箱中,連續(xù)烘干10 h。烘干完成后,在烘箱里將盒蓋蓋好后取出并稱量。根據(jù)鋁盒的質(zhì)量可以準(zhǔn)確地得到濾紙的含水率,由式(1)即可計(jì)算得到該試樣的基質(zhì)吸力。同時(shí)采用蠟封法測量上下試樣的體積,稱量上下試樣的質(zhì)量,以獲得試樣的體積含水率,即可得到試樣的土水特征曲線。試驗(yàn)方案見表1。

圖2 濾紙法示意圖[10]

表1 濾紙法試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)得到的濾紙含水率,由式(1)計(jì)算得到不同含水率的濾紙所對應(yīng)的基質(zhì)吸力,結(jié)果見表2。結(jié)合表1中試樣的體積含水率,可得到不同水分變化路徑下試樣的土水特征曲線(圖3)。圖3表明,采用濾紙法可獲得大吸力范圍下裂隙試樣的土水特征曲線。裂隙試樣的土水特征曲線形態(tài)都可分為3個(gè)階段,為明顯的倒“S”形,和無裂隙膨脹土試驗(yàn)結(jié)果[17]基本相同。吸濕和脫濕條件下獲得的土水特征曲線,其低含水率和高含水率時(shí)的基質(zhì)吸力基本相同。相同含水率條件下,脫濕路徑下獲得的裂隙試樣的基質(zhì)吸力比吸濕路徑下的大,存在明顯的滯回現(xiàn)象,這與已有結(jié)論一致[1,8,10]。此外,對一些受水分作用影響明顯的特殊性土(裂隙土、黃土等),傳統(tǒng)的吸力測量方法不能完全真實(shí)地反映其持水特性,而濾紙法不干擾試樣的初始形態(tài),試驗(yàn)條件的要求不高,故其可作為測量該類特殊土吸力的一種有效方法。

表2 濾紙法測吸力試驗(yàn)結(jié)果

圖3 濾紙法測吸力試驗(yàn)結(jié)果及擬合曲線

得到不同體積含水率下試樣的基質(zhì)吸力后,需要用土水特征曲線計(jì)算模型進(jìn)行分析。本文采用Fredlund[17]提出的式(2)對結(jié)果擬合:

式中:θr為標(biāo)準(zhǔn)化的體積含水率;ψ為基質(zhì)吸力, kPa;θ為基質(zhì)吸力為ψ時(shí)的體積含水率;θs為飽和體積含水率,取0.347;Pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,101.3kPa,目的是使參數(shù)a無量綱化;a、b、c為擬合參數(shù)。脫濕條件下,a=2.104,b=1.872,c=0.746;吸濕條件下,a=1.103,b=1.544,c=0.765,擬合曲線見圖3,可以看出擬合結(jié)果與實(shí)測值吻合較好。基于濾紙法得到的裂隙膨脹土的土水特征曲線,可采用傳統(tǒng)的土水特征曲線計(jì)算模型進(jìn)行擬合分析。

4 結(jié) 論

a.干濕循環(huán)條件下,裂隙不斷演化,膨脹土的吸力受含水率及裂隙形態(tài)的共同影響。采用濾紙法可有效測量裂隙膨脹土的基質(zhì)吸力。裂隙試樣的土水特征曲線形態(tài)與無裂隙試樣的基本相同,土水特征曲線亦可分為3個(gè)階段,為倒“S”形。相同含水率條件下,脫濕路徑下制備的試樣的基質(zhì)吸力比吸濕路徑下的大,存在明顯的滯回現(xiàn)象。

b.基于濾紙法得到的裂隙膨脹土的土水特征曲線,可采用已有的土水特征曲線計(jì)算模型進(jìn)行擬合分析,為后續(xù)深入研究提供理論基礎(chǔ)。

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Experimental study on SWCC of expansive soil with cracks using filter paper method//WU Junhua1,YUAN Junping2,3,YANG Song4

//(1.College of Civil Engineering and Architecture,Nanchang Hangkong University,Nanchang330063,China;2.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China;3.Geotechnical Research Institute,Hohai University,Nanjing210098,China; 4.College of Hydraulic and Architectural Engineering,Yunnan Agricultural University,Kunming650201,China)

To overcome the shortage of traditional suction test methods,the filter paper method was applied to measure the matric suction of expansive soil with cracks and the corresponding soil water characteristic curve(SWCC)was obtained. The characteristics of expansive soil with cracks are found to be similar with the characteristics of the soil without cracks. The SWCC is composed of three parts and is shown as an inverted‘S'shape.Under the same water content conditions, the matric suction of expansive soil under the conditions of drying is greater than that under the condition of wetting.The drying and wetting curves form a hysteretic loop and a hysteretic phenomenon is clearly shown.The test results can be fitted and analyzed by existing calculation models of SWCC.It is revealed that the filter paper method can be used to obtain the soil suction under any status avoiding the interference to the soil original status.It is an effective method to measure the suction capacity of expansive soil with cracks and other special soils.

expansive soil;cracks;filter paper method;matric suction;SWCC

10.3880/j.issn.10067647.2013.05.014

TU443

A

10067647(2013)05006104

20121102 編輯:熊水斌)

南昌航空大學(xué)博士啟動(dòng)基金(EA201211115);國家自然科學(xué)基金(51008117,51209182)

吳珺華(1985—),男,江西吉安人,講師,博士,主要從事非飽和土基本理論及邊坡穩(wěn)定研究。E-mail:wjh0796@163.com