非飽和紅粘土基質(zhì)吸力與密度及溫度關(guān)系試驗(yàn)研究

蔣 鑫

(湖南省核工業(yè)地質(zhì)局三〇六大隊(duì)，湖南 衡陽 421003)

1 引言

根據(jù)非飽和土力學(xué)理論，非飽和紅粘土強(qiáng)度與基質(zhì)吸力有關(guān)，因此，正確量測基質(zhì)吸力與外界條件的關(guān)系對研究非飽和土的性狀具有非常重要的意義?；|(zhì)吸力的量測有直接法或間接法，常見的方法有濾紙實(shí)驗(yàn)法、壓力板測試儀法以及三軸儀測量法等，不同的測量方式其優(yōu)點(diǎn)也各不相同。相關(guān)研究結(jié)果顯示，采用濾紙測試的方法不但可以對總吸力進(jìn)行有效測量，同時也是較為有效的間接基質(zhì)吸力測試方法。相較于其他方式，該方案成本投入更低、操作更為簡便且測量準(zhǔn)確度更好。目前，國外針對該技術(shù)的應(yīng)用主要采用Whatman′s No.42和Schleicher & Schuell No.589-WH兩種型號的濾紙。而國內(nèi)在該方面的研究有待提高，研究成果不多，且多數(shù)僅涉及國產(chǎn)“雙圈”牌濾紙的吸力率定試驗(yàn)。本文通過濾紙法研究分析湖南郴州地區(qū)紅粘土基質(zhì)吸力隨密度及溫度變化的規(guī)律。

2 試驗(yàn)用土的基本性質(zhì)

試驗(yàn)選用土樣均大量來源于廈成高速公路湖南郴州試驗(yàn)段高液限紅粘土土樣，所取土樣均為重塑樣，土樣呈紅褐色，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)符合試驗(yàn)用土的基本性質(zhì)。

3 濾紙法量測

3.1 濾紙法原理

濾紙測試方案的主要工作原理為，在整個測試過程中將其視為一個可靠的傳感器設(shè)備，并假定在整個過程中濾紙可以和具備一定吸力的土體(在水分流動意義上)達(dá)到平衡。測量過程中，若土樣與濾紙是接觸的，則得到的是土中基質(zhì)吸力與土中水的關(guān)系。

3.2 儀器

電子天平(0.0001 g)、烘箱(105±5 ℃)、大密封罐、小密封罐、恒溫箱、溫度計(jì)、保鮮袋、絕緣膠帶，國產(chǎn)“雙圈”牌No.203型定量分析濾紙。其相應(yīng)基質(zhì)吸力率定方程如下式：

(1)

式中，s為基質(zhì)吸力，kPa；w為濾紙的含水率。

3.3 試驗(yàn)內(nèi)容

按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求，根據(jù)室內(nèi)輕型擊實(shí)試驗(yàn)，得到高液限紅粘土的最佳含水量wop為20.6%，最大干密度ρdmax為1.6 g/cm3。試驗(yàn)中，試樣初始含水率均設(shè)為26.1%；設(shè)計(jì)初始干密度分別為1.36，1.44，1.50 g/cm3三組密度狀態(tài)；溫度分別控制為16，26，36 ℃三組溫度狀態(tài)。

3.4 測試過程

室內(nèi)濾紙法量測基質(zhì)吸力的試驗(yàn)主要分為試樣制備和取樣測試兩個步驟。

3.4.1 試樣制備

按《土工試驗(yàn)規(guī)程》要求，首先將高液限紅粘土風(fēng)干、振搗，并使用2 mm的分樣篩進(jìn)行篩選，將最終篩選得到的樣本支撐水含量為26.1%左右的土料。再采用控制干密度的三軸制樣法，將高液限紅粘土土樣由初始含水率為26.1%的土料分別壓實(shí)至1.36，1.44，1.50 g/cm3(試樣均為Φ61.8mm×42mm的圓柱形試樣，按重量等分為兩份逐個壓實(shí)操作)；此外，分別將其進(jìn)行風(fēng)干、脫水以及密封等多項(xiàng)工藝，為了得到不同的基質(zhì)吸力值，控制其濕度情況；然后，在經(jīng)過濕度控制后的試樣基于水平放置的形式與干濾紙進(jìn)行可靠接觸(設(shè)計(jì)濾紙一共分為三層，中檢測是測試層，通常半徑為2.5cm；而其他兩層則主要用于防護(hù)作用，一般半徑在3cm左右。)濾紙放置好后用絕緣膠牢牢固定接縫位置，并用保鮮袋對整個試樣進(jìn)行徹底包覆，隨后將其放置于大規(guī)格的密封罐內(nèi)再次使用絕緣膠帶等進(jìn)行可靠密封處理；最后，將制作完成的各個試樣分別置于溫度可控的恒溫箱內(nèi)靜置10d。

3.4.2 取樣測試

待靜置一段時間后，對各個試樣中的濾紙以及圖樣的含水量情況進(jìn)行測試。在對土樣進(jìn)行測量時應(yīng)當(dāng)注意選擇整個土樣的中心位置，而對濾紙進(jìn)行測試時，則需要依照下述相關(guān)步驟進(jìn)行：首先，在短時間內(nèi)確定冷鋁盒以及冷鋁盒含濕濾紙的重量情況，從而計(jì)算得到濕濾紙當(dāng)前的重量；其次，將冷鋁盒含濕濾紙放置于烘箱內(nèi)恒溫烘烤24h，溫度控制在105 ℃即可，且整個過程中務(wù)必保持鋁盒蓋處于半開狀態(tài)；接著，將烘箱打開并蓋上鋁盒蓋，靜置3min，隨后去除冷鋁盒含干濾紙使用鋁棒進(jìn)行充分冷卻30s，此時快速稱取冷鋁盒含干濾紙以及熱鋁盒的重量情況，最后得到該情況下的干濾紙的重量，依據(jù)所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)對濾紙的含水情況進(jìn)行有效計(jì)算即可。

4 結(jié)果分析

4.1 基質(zhì)吸力與干密度的關(guān)系

通常認(rèn)為，對同一含水率的壓實(shí)土而言，其基質(zhì)吸力不隨干密度的變化而變化。而本次試驗(yàn)證明，這一結(jié)論并不是嚴(yán)格成立的。據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得出基質(zhì)吸力與干密度的關(guān)系曲線，見圖1。

圖1 紅粘土基質(zhì)吸力與干密度關(guān)系

由圖1可知，相同初始含水率和溫度(26 ℃)的情況下，基質(zhì)吸力隨干密度的增大有減小的趨勢。當(dāng)含水率w≤28.5%時，這一變化規(guī)律特別明顯；當(dāng)含水率w>28.5%時，基質(zhì)吸力隨干密度增大而減小的趨勢減緩。這進(jìn)一步說明基質(zhì)吸力在含水率較低時對密度狀態(tài)的變化較敏感，而在含水率較高時對密度狀態(tài)的變化不敏感。

從圖1可看出非飽和紅粘土基質(zhì)吸力與干密度的關(guān)系基本上符合線性關(guān)系，利用一次函數(shù)來擬合。由一次函數(shù)來擬合，不難發(fā)現(xiàn)干密度和基質(zhì)吸力之間存在一定的關(guān)聯(lián)，均高于0.92，這也切實(shí)反映了基質(zhì)吸力與干密度之間較為可靠的關(guān)聯(lián)度。學(xué)者劉小文等(2009)曾對南方紅土以及汪東林等(2009)對重塑粘土的基質(zhì)吸力實(shí)驗(yàn)也都得到了類似的結(jié)論，可見本文所得結(jié)論具有一定的實(shí)用性。

4.2 基質(zhì)吸力與溫度的關(guān)系

據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得出3種密度狀態(tài)、6種含水率狀態(tài)下基質(zhì)吸力與溫度的關(guān)系曲線，見圖2～圖4。

圖2 干密度為1.36 g/cm3時基質(zhì)吸力與溫度關(guān)系

圖3 干密度為1.44 g/cm3時基質(zhì)吸力與溫度關(guān)系

圖4 干密度為1.50 g/cm3時基質(zhì)吸力與溫度關(guān)系

從圖2～圖4可看出，非飽和紅粘土基質(zhì)吸力具有隨溫度升高而減小的趨勢，3種干密度與6種含水率下回歸分析基質(zhì)吸力隨溫度的變化。

據(jù)圖2～圖4與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，溫度與基質(zhì)吸力的相關(guān)性非常高，均在0.99以上，表明在常溫下紅粘土的基質(zhì)吸力隨溫度升高逐漸減??；在同一干密度下，從斜率大小可看出，含水率越低，溫度對基質(zhì)吸力的影響就越大。當(dāng)含水率w<28.5%時，這一變化規(guī)律較明顯；當(dāng)w≥28.5%時，基質(zhì)吸力隨溫度升高而減小的趨勢減緩。該試驗(yàn)結(jié)果與汪建峰等人(2010)的研究成果極其相似，可見本文所得結(jié)論具有一定的實(shí)用性。

5 結(jié)論

(1)選擇室內(nèi)濾紙的測量方式可以較為可靠地實(shí)現(xiàn)針對非飽和紅黏土的基質(zhì)吸力的測量。整個過程操作相對簡單，可用于多種場合，但要求操作人員具備一定的職業(yè)素養(yǎng)，對操作環(huán)境也有一定的要求。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)測量期間，應(yīng)當(dāng)對濾紙法測量土體的含水量等范圍進(jìn)行明確。

(2)相同初始含水率和溫度下，基質(zhì)吸力對干密度的變化較敏感，隨著干密度的增加，基質(zhì)吸力具有逐漸減小的趨勢。當(dāng)含水率w≤28.5%時，這一變化規(guī)律特別明顯；當(dāng)含水率w>28.5%時，基質(zhì)吸力隨干密度增大而減小的趨勢減緩。

(3)在常溫下紅粘土的基質(zhì)吸力隨溫度升高逐漸減小；在同一干密度下，含水率越低，溫度對基質(zhì)吸力的影響就越大。當(dāng)含水率w<28.5%時，這一變化規(guī)律較明顯；當(dāng)w≥28.5%時，基質(zhì)吸力隨溫度升高而減小的趨勢減緩。