含水率與土樣異向?qū)υ瓲罘秋柡忘S土土-水特征影響試驗(yàn)研究

梁 燕，杜 鑫，黃富斌，李汶霖

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

含水率與土樣異向?qū)υ瓲罘秋柡忘S土土-水特征影響試驗(yàn)研究

梁 燕，杜 鑫，黃富斌，李汶霖

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

利用壓力板對(duì)不同初始含水率與不同滲水方向的原狀非飽和Q3黃土進(jìn)行脫濕試驗(yàn)，分析不同初始含水率與不同滲水方向?qū)υ瓲罘秋柡蚎3黃土土水特征的影響。研究表明：在相同的初始含水率情況下，基質(zhì)吸力對(duì)土樣不同方向滲水情況的影響基本相同；在滲水方向相同的情況下，隨著基質(zhì)吸力的增大，體積含水量逐漸降低，基質(zhì)吸力增大到一定程度后，不同初始含水率對(duì)土-水特征曲線(xiàn)的影響幾乎一樣。

巖土工程；原狀非飽和土；基質(zhì)吸力；土-水特征曲線(xiàn)；含水率

0 引 言

中國(guó)黃土的沉積貫穿整個(gè)第四紀(jì)，西北、華北、東北、山東及內(nèi)蒙古等地均有分布[1]，以粉粒為主，大孔隙，壓縮性中等(只有近代堆積的黃土是高壓縮性)，垂直節(jié)理發(fā)育，富含可溶鹽，與同時(shí)期的其他沉積物不同[2]，具有在荷載不變條件下遇水濕陷，因而被列入特殊土的行列[3]。

黃土常處于非飽和狀態(tài)，且一般工程中所遇到的黃土常位于地下水位線(xiàn)以上，基本屬于非飽和黃土。土水特征曲線(xiàn)是描述基質(zhì)吸力與含水率或飽和度之間關(guān)系的曲線(xiàn)。為了確定土水特征曲線(xiàn)的表達(dá)式，R．H．BROOKS等[4]和M．T．VAN GENUCHTEN[5]分別提出了多個(gè)實(shí)用經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，均能較客觀(guān)地對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合；王鐵行等[6]和劉奉銀等[7]則分別研究了密度與干密度對(duì)基質(zhì)吸力的影響。

筆者選取西安周邊地區(qū)非飽和Q3原狀黃土，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)室外滲透試驗(yàn)，并采用壓力板對(duì)不同初始含水率與土樣不同滲水方向進(jìn)行脫濕試驗(yàn)，研究初始含水率與不同滲水方向?qū)|(zhì)吸力及土水特征曲線(xiàn)的影響。

1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)用土取自西安市北郊長(zhǎng)安大學(xué)渭水校區(qū)附近某黃土邊坡的Q3原狀黃土，取土深度為地表以下4.5～5 m。Q3原狀黃土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。為確保試驗(yàn)用土的均勻性與可重復(fù)性，均從同一深度、同一小區(qū)域范圍的土層中選取土樣。

表1 Q3原狀黃土物理性質(zhì)指標(biāo)

2 數(shù)據(jù)獲得方法

通過(guò)滲透試驗(yàn)，取土樣測(cè)含水率并確定滲流范圍，使用壓力板測(cè)定基質(zhì)吸力與體積含水量關(guān)系。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)滲水試驗(yàn)

在土中挖一個(gè)深40 cm的直徑為37.75 cm的圓形試坑，并在坑底鋪設(shè)2 cm厚的砂礫石層，試驗(yàn)過(guò)程中，始終保持坑中水層10 cm。達(dá)到滲流穩(wěn)定后，繼續(xù)試驗(yàn)一段時(shí)間。整個(gè)滲水實(shí)驗(yàn)過(guò)程耗時(shí)150 min。

試驗(yàn)結(jié)束后，沿試坑的對(duì)稱(chēng)面將土剖開(kāi)，可以直接看出水在土中的滲透情況，并在剖開(kāi)面上，沿試坑豎向中心軸方向與其垂直的水平方向依次選取土樣，并測(cè)定含水率。圖1(a)為含水率與豎直方向的關(guān)系，圖1(b)為含水率與距中心軸水平距離的關(guān)系。由圖1可得，沿中心軸滲水深度為60.5 cm，滲流影響范圍半徑為60 cm。

圖1 含水率與位置的關(guān)系Fig.1 Relationship between the water content and the position

2.2 壓力板試驗(yàn)

土樣一共制備了3種含水率，分別為15.85%，20%，25%。每種含水率的土樣都分為豎直與水平方向。土樣均用環(huán)刀裝好，限制了側(cè)向出水與形變。實(shí)驗(yàn)前，先讓陶瓷板處于飽和狀態(tài)，再裝土樣進(jìn)行試驗(yàn)。表2為壓力板所測(cè)數(shù)據(jù)，表中WV表示豎直方向的初始含水率；WH表示水平方向的初始含水率。

表2 基質(zhì)吸力與體積含水量的關(guān)系

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為研究SWCC特征關(guān)系曲線(xiàn)，目前已經(jīng)建立有很多的數(shù)學(xué)模型，筆者選取了在巖土領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的M．T．VAN GENUCHTEN (VG)土-水特征曲線(xiàn)模型[4]，并用其對(duì)體積含水量與基質(zhì)吸力數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合。根據(jù)土的干密度，土粒密度及含水率計(jì)算得到飽和體積含水量為0.494 5，3種初始含水率為15.85%，20%，25%時(shí)對(duì)應(yīng)的體積含水量分別為0.217 4, 0.274 0,0.342 5。

3.1 同一滲水方向不同初始含水率對(duì)SWCC關(guān)系曲線(xiàn)的影響

在土樣的豎直或水平方向，基質(zhì)吸力相同，初始含水率大的，體積含水量高；基質(zhì)吸力不大的情況下，體積含水量相對(duì)來(lái)說(shuō)變化不大；隨著基質(zhì)吸力的增大，體積含水量逐漸降低，但是當(dāng)基質(zhì)吸力增大到一定范圍時(shí)，3者的體積含水量也逐漸相似，并最終重合。即不同的初始含水率對(duì)土-水特征曲線(xiàn)的影響最后是相同的(圖2)。

圖2 不同初始含水率情況下擬合的土-水特征曲線(xiàn)Fig.2 Fitting soil-water characteristic curves with different initial water contents

3.2 同一初始含水率不同滲水方向?qū)WCC關(guān)系曲線(xiàn)的影響

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可得，初始含水率為15.85%，20%，25%時(shí)，豎直與水平方向的數(shù)據(jù)幾乎沒(méi)有差異。因此，基質(zhì)吸力對(duì)土樣的豎直與水平方向的滲水情況的影響基本一樣，土樣在初始含水率不同的情況下，不同滲水方向?qū)WCC關(guān)系曲線(xiàn)的影響非常小。

4 結(jié) 論

筆者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)和利用壓力板對(duì)不同滲水方向與初始含水率條件下的土樣進(jìn)行脫濕試驗(yàn)，得到如下結(jié)論。

1)現(xiàn)場(chǎng)采用試坑法測(cè)取滲水范圍，其中豎直深度與水平方向的滲水半徑的比值為1.008。但試坑法存在一定缺陷，不能排除坑內(nèi)水側(cè)向滲流帶來(lái)的誤差。

2)在土樣的豎直或者水平方向，隨著基質(zhì)吸力的增大，體積含水量逐漸降低，基質(zhì)吸力達(dá)到一定范圍時(shí)，不同初始含水率對(duì)土-水特征曲線(xiàn)的影響是相同的。

3)在初始含水率相同的情況下，基質(zhì)吸力對(duì)土樣的豎直與水平方向的滲水情況的影響幾乎一樣。

[1] 竇明建.公路工程地質(zhì)[M].3版.北京:人民交通出版社,2003:85-87. DOU Mingjian.EngineeringGeologyofHighway[M]. 3rd ed. Beijing: China Communications Press,2003:85-87.

[2] 高大釗.巖土工程的回顧與前瞻[M].北京:人民交通出版社,2001:296-298. GAO Dazhao.AReviewandProspectofGeotechnicalEngineering[M]. Beijing: China Communications Press,2001:296-298.

[3] 劉保健,支喜蘭,謝永利,等.公路工程中黃土濕陷性問(wèn)題分析[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2005,18(4):27-31. LIU Baojian, ZHI Xi’nan, XIE Yongli, et al. Analysis of problems on loess hydrocompaction in highway engineering[J].ChinaJournalofHighwayandTransport, 2005, 18(4):27-31.

[4] BROOKS R H, COREY A T.HydraulicPropertiesofPorousMedia:HydrologyPapers[M].Fort Collins, USA: Colorado State University,1964.

[5] VAN GENUCHTEN M T. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J].SoilSocietyofAmericaJournal,1980,44(5):892-898.

[6] 王鐵行,王曉峰.密度對(duì)砂土基質(zhì)吸力的影響研究[J].巖土力學(xué),2003,24(6):979-983. WANG Tiehang, WANG Xiaofeng. Influence of density on matrix suction of sandy soil[J].RockandSoilMechanics,2003,24(6):979-983.

[7] 劉奉銀,張昭,周冬,等.密度和干濕循環(huán)對(duì)黃土土-水特征曲線(xiàn)的影響[J].巖土力學(xué),2011,32(增刊2):132-136. LIU Fengyin, ZHANG Zhao, ZHOU Dong, et al. Effects of initial density and drying-wetting cycle on soil water characteristic curve of unsaturated loess[J].RockandSoilMechanics,2011,32(Sup2):132-136.

[8] 王協(xié)群,鄒維列,駱以道,等.考慮壓實(shí)度時(shí)的土水特征曲線(xiàn)和溫度對(duì)吸力的影響[J].巖土工程學(xué)報(bào),2011,33(3):368-372. WANG Xiequn, ZOU Weilie, LUO Yidao, et al. SWCCs and influence of temperature on matrix suction under different compaction degrees[J].ChinaJournalofGeotechnicalEngineering,2011,33(3):368-372.

Experimental Research on Influences of Water Content and Soil Samplies of Different Directions on Soil-Water Characteristic Curves of Intact Unsaturated Loess

LIANG Yan, DU Xin, HUANG Fubin, LI Wenlin

(School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, P. R. China)

The desorption process experimental research on undisturbed unsaturated loessQ3with different initial water contents and different seepage directions was conducted by using the pressure plate extractor, and the effects of them on the soil-water characteristics were analyzed. The test results show that under the condition of the same initial water content, the influences of the matrix suction on different water seepage directions are almost the same; under the condition of the same seepage direction, volume water contents gradually reduce with the increase of matrix suction; when matrix suction increases to a certain degree, the influences of different initial water contents on soil-water characteristic curves are nearly the same.

geotechnical engineering; undisturbed unsaturated loess; matrix suction; soil-water characteristic curve; water content

2015-09-24；

2015-12-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41172256)

梁 燕(1968—)，女，山西孝義人，副教授，博士，主要從事巖土工程與地質(zhì)工程方面的研究。E-mail：liangyan66888@163.com。

杜 鑫(1988—)，男，湖南邵陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事巖土工程方面的研究。E-mail：1134108443@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.12

U416.1+4;TU444

A

1674-0696(2016)06-057-03