楊 鋼,楊 慶,劉文化
(大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院 巖土工程研究所,遼寧 大連 116024)
在非飽和土研究中,基質(zhì)吸力與含水量(如重量含水量、體積含水量或飽和度)之間的關(guān)系稱為土水特征曲線(SWCC).土水特征曲線是非飽和土研究中必不可少的工具,對(duì)于理解非飽和土力學(xué)性質(zhì),獲取模型參數(shù)具有重要作用,并在路基工程、廢物控制和滲流場(chǎng)數(shù)值模擬等工程中[1-3]得到應(yīng)用.從土水特征曲線字面來(lái)看,Nuth等[4]認(rèn)為其中的“特征”一詞,表明土水特征曲線是土的固有屬性,即對(duì)于某種土而言,土水特征曲線應(yīng)當(dāng)是唯一的,但大量試驗(yàn)研究證明土水特征曲線受顆粒級(jí)配、礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)、密實(shí)程度和土的應(yīng)力歷史、溫度等因素的影響[5-8],因此試驗(yàn)結(jié)果并不是唯一的.在諸多影響因素研究中,通常將同等條件下制作的試樣看作是均一的.然而許多研究發(fā)現(xiàn)無(wú)論是重塑土樣還是原狀土樣,亦或是膨脹土、黃土等特殊土[9-10],試樣自身的差異都將影響土水特征曲線,但這一情況并沒(méi)有被詳細(xì)研究,僅通過(guò)取平均值的方法來(lái)消除其影響.原狀土樣獲取中易受到擾動(dòng)而難以保證其原始狀態(tài),因此重塑土樣是本次研究的重點(diǎn).
對(duì)于重塑土樣而言,其差異主要是由試樣重塑技術(shù)局限性引起的.目前重塑技術(shù)主要通過(guò)控制初始干密度和初始含水量來(lái)保證試樣孔隙比的一致性,而對(duì)具有明顯隨機(jī)性的孔隙尺寸與分布難以控制,這必然會(huì)對(duì)孔隙連通性產(chǎn)生影響,而孔隙連通性則會(huì)對(duì)土水特征曲線造成嚴(yán)重影響[11].因此即便是同等條件下制作的試樣,它們的土水特征曲線也可能產(chǎn)生差異.李順群等[12]通過(guò)擊實(shí)試樣分段研究發(fā)現(xiàn)土水特征曲線沿高度方向發(fā)生右移.Simms等[13]發(fā)現(xiàn)試樣尺寸將對(duì)孔隙尺寸分布(PSD)產(chǎn)生明顯影響,因而也會(huì)造成土水特征曲線的差異.目前土水特征曲線研究往往通過(guò)環(huán)刀試樣進(jìn)行,這種做法雖然加快了平衡時(shí)間,但必然與三軸試樣的實(shí)際情況不符,本文將對(duì)三軸試樣進(jìn)行研究.
非飽和土研究中,可將孔隙看作不同半徑毛細(xì)管的集合體,因此本文用雙孔隙模型來(lái)闡述孔隙尺寸與分布的隨機(jī)性產(chǎn)生的影響.這里假設(shè)模型僅考慮孔隙的豎向隨機(jī)分布,孔隙水由上部向下排出.兩個(gè)孔隙半徑分別為R1和R2,其中R1>R2,相應(yīng)的孔隙排水條件分別為ua1與ua2.在土水特征曲線研究中,基質(zhì)吸力依次施加、逐級(jí)增大,因此假設(shè)孔隙氣壓力變化為0→ua1→ua2.基于上述假定,孔隙將出現(xiàn)圖1所示的兩種隨機(jī)分布情況.在圖1(a)中,當(dāng)施加孔隙氣壓力ua1,R1中的孔隙水V1將從陶土板排出,而R2中的孔隙水V2將繼續(xù)保持,直到孔隙氣壓力達(dá)到R2排水條件ua2;在圖1(b)中,當(dāng)孔隙氣壓力為ua1時(shí),R1與R2中的孔隙水都將保持不變,表現(xiàn)出“瓶頸”效應(yīng),直到孔隙氣壓力達(dá)到ua2,R1與R2中的孔隙水都將排出.因此當(dāng)ua1<ua<ua2時(shí),圖1(a)中的剩余孔隙水體積Va=V2,而圖1(b)中的剩余孔隙水體積Vb=V1+V2,兩者的含水量明顯不同.但當(dāng)ua>ua2時(shí),兩種情況下孔隙中的水都將排出,剩余孔隙水體積為零.從上述分析可以看出試樣在某一基質(zhì)吸力下可能具有明顯不同的含水量,但是隨著基質(zhì)吸力增大,含水量的差異可能減小.
圖1 雙孔隙結(jié)構(gòu)隨機(jī)分布示意圖Fig.1 The schematic diagram of random distribution for double pores system
試驗(yàn)用土來(lái)自大連地區(qū)典型粉質(zhì)黏土,土料經(jīng)自然風(fēng)干碾碎后過(guò)1mm 篩備用,其天然含水量為5.32%,塑限為12.5,液限為25.6,塑性指數(shù)為13.1.試樣直徑39.1mm,高80mm;初始含水量為16.1%,初始干密度為1.73g/cm3,初始孔隙比為0.552.制樣采用濕搗法,土料分5層裝入飽和容器,分層擊實(shí),并控制各試樣的密度差值小于0.02g/cm3,試樣制備好后進(jìn)行抽真空飽和.為防止平衡過(guò)程中試樣碰撞、拿取受損,本次試驗(yàn)以亞克力材質(zhì)制作對(duì)開(kāi)模.對(duì)開(kāi)模內(nèi)徑為39.3mm,外徑為50.0mm,高度為80.0mm;對(duì)開(kāi)膜中部刻有凹槽,在包裹試樣后,將高彈橡膠圈滑入凹槽內(nèi),以保證試樣與對(duì)開(kāi)膜穩(wěn)定.試驗(yàn)前需在對(duì)開(kāi)模表面涂一層凡士林,以保證對(duì)開(kāi)模與試樣表面的密閉性,減少柱面氣體侵入而引起的排水通道阻隔,以盡量保證孔隙水從上部開(kāi)始向下排水,避免影響到基質(zhì)吸力平衡的測(cè)量.
試樣脫濕平衡采用美國(guó)Soilmoisture 公司1250體積壓力膜儀,高進(jìn)氣陶土板最大進(jìn)氣值為500kPa.儀器采用軸平移技術(shù)控制吸力,通過(guò)設(shè)定孔隙氣壓力與水壓力保證試樣達(dá)到預(yù)定的吸力,體積壓力膜儀孔隙水壓力默認(rèn)為零,因此只需設(shè)定孔隙氣壓力值.體積壓力膜儀未配備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),試樣的含水量變化需通過(guò)記錄試樣質(zhì)量獲取,因此采用Sartorius精密天平稱量試樣,其稱量范圍為610g,精度為0.01g.本次試驗(yàn)僅對(duì)脫濕平衡中獲得的干燥曲線進(jìn)行研究,其基質(zhì)吸力試驗(yàn)量測(cè)范圍為0~350kPa.
飽和試樣稱量后放入體積壓力膜儀中,平衡后取出稱量,根據(jù)式(1)計(jì)算當(dāng)前試樣飽和度.試樣放回體積壓力膜儀前,用細(xì)毛刷蘸水輕刷高進(jìn)氣陶土板表面,在其表面覆蓋一層無(wú)氣水膜,使得試樣放回后與高進(jìn)氣陶土板緊密接觸,保證孔隙連通性.整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,每24h記錄一次數(shù)據(jù),并規(guī)定每級(jí)基質(zhì)吸力至少測(cè)量10d.
試樣體積含水率
式中:Mi為平衡過(guò)程中每次稱量試樣質(zhì)量;ρd 為試樣干密度;V為試樣總體積.
在試驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)4個(gè)試樣采用烘干法測(cè)量其最終含水量,實(shí)測(cè)值占計(jì)算值的95.5%~98.0%.因此整個(gè)過(guò)程中,對(duì)開(kāi)模很好地保護(hù)了試樣,保證了試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表1).
表1 試樣最終含水量的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值Tab.1 The calculated value and measured value of final water content of sample
圖2顯示了體積含水率-基質(zhì)吸力表示的4個(gè)試樣的土水特征曲線,4 個(gè)試樣依次記為S1、S2、S3和S4.由圖中可以看到,體積含水率在每級(jí)基質(zhì)吸力下均存在著差異,特別在100kPa基質(zhì)吸力處出現(xiàn)明顯區(qū)分.根據(jù)進(jìn)氣值與殘余飽和度概念,土的脫濕過(guò)程一般可以分為邊界效應(yīng)段、過(guò)渡段和非飽和殘余段三部分[14].當(dāng)基質(zhì)吸力以圖3所示的單對(duì)數(shù)形式表示,可以看出整個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)屬于過(guò)渡階段,因此在圖2中再次將其劃分為兩個(gè)階段.
圖2 土水特征曲線Fig.2 The soil-water characteristic curve
圖3 單對(duì)數(shù)土水特征曲線Fig.3 The single logarithmic soil-water characteristic curve
在無(wú)序階段,試樣排水情況極不穩(wěn)定.若將同一基質(zhì)吸力下的試樣體積含水率從大到小排列,并用1、2、3、4表示(其中1為同一基質(zhì)吸力下的最大體積含水率,4為同一基質(zhì)吸力下的最小體積含水率),從圖2可以看出:試樣S1 在20kPa基質(zhì)吸力時(shí),為體積含水率最小的試樣,即為4,而在50kPa基質(zhì)吸力下則成為體積含水率最大的試樣,即為1;試樣S2的體積含水率排列情況則在20、50和100kPa基質(zhì)吸力下經(jīng)歷了1→3→2的明顯變化.顯然在這一階段,試樣的體積含水率處于隨基質(zhì)吸力增加而突變的“無(wú)序”狀態(tài).對(duì)比圖1所示情況,這種試樣間體積含水率的躍遷表明試樣內(nèi)部孔隙分布存在明顯差異,并導(dǎo)致“瓶頸”效應(yīng)等情況產(chǎn)生,因此試樣的排水情況極不穩(wěn)定.
Jotisankasa等[15]認(rèn)為在高吸力下,土水特征曲線對(duì)土體結(jié)構(gòu)的依賴將減小,而更趨于均勻.從圖2可知:在4個(gè)試樣中,試樣S2、S3、S4間的體積含水率差異隨著基質(zhì)吸力的增加而明顯減??;試樣S1的體積含水率在350kPa基質(zhì)吸力前變化較小,這表明試樣S1受孔隙隨機(jī)分布影響更為明顯,導(dǎo)致試樣在本試驗(yàn)采用的基質(zhì)吸力范圍內(nèi)排水困難,但隨著基質(zhì)吸力增大,將如雙孔隙模型分析結(jié)果所示,排水增加,體積含水率差異將減??;因此本次試驗(yàn)結(jié)果符合Jotisankasa等的結(jié)論.顯然隨著基質(zhì)吸力的增大,孔隙分布隨機(jī)性對(duì)土水特征曲線的影響將減弱.而對(duì)比無(wú)序階段與線性階段的體積含水率變化可知,在線性階段試樣間的體積含水率未發(fā)生躍遷,變化穩(wěn)定,因此孔隙分布未在線性階段產(chǎn)生新的差異,其最初的差異主要是無(wú)序階段影響的延續(xù).
在脫濕條件下,土水特征曲線的體積含水率與基質(zhì)吸力應(yīng)當(dāng)一一對(duì)應(yīng).對(duì)比上述結(jié)果可知,在無(wú)序階段體積含水率對(duì)基質(zhì)吸力極為敏感,一個(gè)小的基質(zhì)吸力變化會(huì)引起體積含水率明顯變化,而在同一基質(zhì)吸力下對(duì)應(yīng)的體積含水率卻基本一致.因此基質(zhì)吸力的變化是主導(dǎo),而試樣自身引起的體積含水率差異遠(yuǎn)小于基質(zhì)吸力引起的體積含水率變化,因此用平均值來(lái)描述這個(gè)階段的土水特征曲線是合理的.
線性階段的基質(zhì)吸力對(duì)體積含水率的敏感性增強(qiáng),并在試樣間產(chǎn)生類似殘余階段情況,如圖2中體積含水率為16%處,試樣間的基質(zhì)吸力差異超過(guò)100kPa,因此無(wú)序階段之后的各試樣間體積含水率的差異不容忽視.值得注意的是:隨著基質(zhì)吸力增大,試樣S4從100kPa基質(zhì)吸力開(kāi)始突變至與試樣S3 的土水特征曲線保持一致,試樣S2的土水特征曲線逐漸向S3接近,同時(shí)試樣S3的體積含水率基本保持相對(duì)最小.這些現(xiàn)象表明試樣S3的孔隙結(jié)構(gòu)合理,形成了穩(wěn)定的排水通道,考慮Jotisankasa等的研究,可以預(yù)見(jiàn)隨著基質(zhì)吸力的增大,試樣的體積含水率將基于試樣S3的試驗(yàn)結(jié)果而趨于一致.
從上述結(jié)果可以看出,隨著基質(zhì)吸力的增大,各試樣的土水特征曲線將以某一試樣為基準(zhǔn)而趨于一致,因此該試樣在不同基質(zhì)吸力下的孔隙分布多表現(xiàn)出圖1(a)的理想情況,孔隙與基質(zhì)吸力可視為一一對(duì)應(yīng),從本文的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,該試樣的平衡含水率應(yīng)當(dāng)始終保持最低,考慮到土體的復(fù)雜性和變異性,將體積含水率穩(wěn)定保持為最小或接近最小的試樣為線性階段的基試樣.本文中S3即為線性階段的基試樣.
基于上述分析:將整個(gè)階段的土水特征曲線用無(wú)序階段平均值和線性階段基試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)表示,這里定義為表征土水特征曲線(記為Sbz).由于平均法是處理數(shù)據(jù)的常用方法,本文將對(duì)兩種方法獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,其中平均數(shù)據(jù)所得的土水特征曲線記為Savg.
土水特征曲線需轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型,才能應(yīng)用于滲流、本構(gòu)方程等相關(guān)計(jì)算中.目前常用的數(shù)學(xué)模型包括Brooks &Corey模型、Van Genuchten模型和Fredlund & Xing模型.Brooks &Corey模型雖然簡(jiǎn)單,模型中參數(shù)的物理意義也明確,但擬合效果較差,本文未作考慮.Van Genuchten和Fredlund &Xing四參數(shù)模型較為復(fù)雜,但擬合效果最好,為此本文對(duì)這兩個(gè)模型的擬合效果進(jìn)行比較.
Van Genuchten模型:
Fredlund &Xing模型:
式中:θw為體積含水率;θs為 飽和體積含水率;θr為殘余體積含水率;ψ為基質(zhì)吸力;ψr 為殘余體積含水率對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力;a、b、c為材料參數(shù).
Van Genuchten模型和Fredlund &Xing模型擬合結(jié)果分別見(jiàn)表2和表3.
表2 Van Genuchten模型擬合結(jié)果Tab.2 The fitting result of Van Genuchten model
表3 Fredlund &Xing模型擬合結(jié)果Tab.3 The fitting result of Fredlund &Xing model
從擬合結(jié)果看,表3中試樣S4的參數(shù)ψr 的第一次擬合結(jié)果存在異常,遠(yuǎn)小于參數(shù)a,而參數(shù)a一般認(rèn)為與進(jìn)氣值相關(guān),顯然這個(gè)結(jié)果并不合理.通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響分析發(fā)現(xiàn),0kPa基質(zhì)吸力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)擬合結(jié)果完全沒(méi)有影響,而從表2和表3的第一次擬合結(jié)果來(lái)看進(jìn)氣值應(yīng)當(dāng)大于0.1kPa,因此0.1kPa基質(zhì)吸力與飽和含水率可組合為一組有效試驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)而得到第二次擬合結(jié)果.對(duì)比兩次結(jié)果可以看出:除S4在Fredlund&Xing模型中擬合值,其他擬合結(jié)果基本一致,這表明假定0.1kPa為有效數(shù)據(jù)是合理的;對(duì)比S4的兩次擬合值,顯然ψr 第二次擬合結(jié)果更為合理,因此采用第二次擬合數(shù)據(jù)繪制相應(yīng)的擬合曲線圖4和圖5.
從圖4可以看出,Van Genuchten模型擬合的土水特征曲線僅在試驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)基本符合;當(dāng)大于350kPa基質(zhì)吸力后,隨著基質(zhì)吸力的增大,各試樣差異越來(lái)越明顯.而圖5所示的Fredlund &Xing模型擬合曲線,不僅在試驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)符合較好,并且隨著基質(zhì)吸力的增大呈現(xiàn)趨于一致的趨勢(shì)(這種結(jié)果應(yīng)當(dāng)與公式引入修正系數(shù)C(ψ)有直接關(guān)系),因此Fredlund &Xing模型的擬合結(jié)果更符合本次研究的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)結(jié)論.
圖4 Van Genuchten模型擬合土水特征曲線Fig.4 The fitting soil-water characteristic curve with Van Genuchten model
圖5 Fredlund &Xing模型擬合土水特征曲線Fig.5 The fitting soil-water characteristic curve with Fredlund &Xing model
對(duì)比兩種模型擬合得到的曲線Sbz和Savg可以發(fā)現(xiàn):在試驗(yàn)的基質(zhì)吸力范圍內(nèi)Sbz和Savg都表現(xiàn)出較好的一致性,但隨著基質(zhì)吸力增大Van Genuchten 模 型 中Sbz和Savg的 差 異 明 顯,而 在Fredlund &Xing模型中這種差異擴(kuò)大的現(xiàn)象也存在.值得注意的是:兩種模型中Sbz的擬合結(jié)果始終保持了較好的穩(wěn)定性,在超出試驗(yàn)數(shù)據(jù)部分的擬合結(jié)果始終保持了最低的體積含水率,并呈現(xiàn)出隨基質(zhì)吸力增大而不斷降低的趨勢(shì),特別在Van Genuchten模型中,并沒(méi)有因采用S3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)而產(chǎn)生大的變化,并且擬合結(jié)果符合試驗(yàn)分析與Jotisankasa等[15]的研究結(jié)果;Savg作為平均值,受到多個(gè)試樣結(jié)果的影響,在兩種模型中出現(xiàn)明顯的差異,數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差.因此在已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,以基試樣為基礎(chǔ)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以合理地表達(dá)大于試驗(yàn)基質(zhì)吸力后土水特征曲線的發(fā)展規(guī)律,相對(duì)于平均法更具優(yōu)勢(shì).
土水特征曲線是非飽和土研究的基礎(chǔ)性環(huán)節(jié),但其試驗(yàn)往往耗費(fèi)數(shù)月的時(shí)間,這也正體現(xiàn)了非飽和土研究的耗時(shí)性.通過(guò)每日體積含水率與排水量m變化的研究,進(jìn)一步分析脫濕試驗(yàn)中的現(xiàn)象,并對(duì)非飽和土試驗(yàn)研究提出一些建議,以改進(jìn)非飽和土試驗(yàn).
圖6顯示了每日體積含水率的變化情況.從圖中可以看出:在20kPa基質(zhì)吸力下,試樣的體積含水率出現(xiàn)差異,但這種差異并不是一開(kāi)始就存在的,而是隨著時(shí)間的增加逐步增大的,特別在試驗(yàn)最初的幾天,各試樣的體積含水率基本一致,這是由于此時(shí)的排水主要在大孔隙中產(chǎn)生,因此在孔隙氣體侵入試樣初期,排水情況一致;但隨著時(shí)間的增加,試樣的體積含水率逐漸降低,排水過(guò)程中遇到的孔隙情況愈加復(fù)雜,孔隙的隨機(jī)性也將引起排水路徑的變異,進(jìn)而導(dǎo)致各試樣不同的排水情況,造成試樣間體積含水率的明顯差異.在無(wú)序階段,試樣間差異基本保持了這一變化比例,這表明起始基質(zhì)吸力(即首次施加的基質(zhì)吸力)對(duì)整個(gè)土水特征曲線的發(fā)展有重要影響.
圖6 每日體積含水率時(shí)程曲線Fig.6 The curve of volumetric water content versus time
圖7顯示了每日試樣的排水量.從圖中可以看出,在100kPa 基質(zhì)吸力后(脫濕平衡50d后),排水量銳減,其相應(yīng)的平衡時(shí)間也明顯減少,但排水情況保持穩(wěn)定,這表明土體內(nèi)穩(wěn)定的排水通道逐漸形成.試樣平衡的排出水量主要在最初2~3d內(nèi)完成,因此測(cè)量記錄最好在2~3d后開(kāi)始,以減小重復(fù)測(cè)量對(duì)試樣平衡的影響.
圖7 每日排水量時(shí)程曲線Fig.7 The curve of water discharge versus time
(1)試樣差異性影響下的土水特征曲線可以用無(wú)序階段平均值和線性階段基試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合表征的土水特征曲線來(lái)描述.
(2)對(duì)于本次研究而言采用Fredlund &Xing模型更為合理,這應(yīng)當(dāng)與公式引入修正系數(shù)C(ψ)有直接關(guān)系.從擬合過(guò)程來(lái)看,可以通過(guò)合理的假定來(lái)增加有效數(shù)據(jù),以獲得更為合理的擬合結(jié)果.
(3)體積含水率隨時(shí)間的變化表明起始基質(zhì)吸力對(duì)試樣間差異的產(chǎn)生有重要影響,應(yīng)當(dāng)針對(duì)試驗(yàn)情況進(jìn)行合理選擇.排水量隨時(shí)間的變化表明試樣平衡的排出水量主要在最初2~3d完成,因此在主排水結(jié)束之后開(kāi)始測(cè)量可以降低相關(guān)操作引起的土水特征曲線誤差.
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