室内高液限红粘土基质吸力量测与土-水特征研究

摘要：基于非饱和土滤纸法原理，制作了一种室内基质吸力量测装置，得到了一种制作简单、操作方便、成本低廉、结果可靠且对操作者要求严格的非饱和土基质吸力量测装置，通过此装置针对不同初始干密度和温度条件下体积含水率介于30～46%之间的高液限红粘土土水特征曲线。并采用Van Genuchten参数模型，通过MATLAB计算软件及最小二乘法对土水特征试验成果进行拟合分析，得到了一个综合考虑初始干密度和温度的土水特征数学模型，结果表明，该模型可对高液限红粘土土水特征曲线进行较好的拟合。通过对这2种不同影响因素的分析，发现试样本身物理状态及试样外部环境均对土水特征曲线有重要的影响，即初始含水率和温度相同时，初始干密度越大，土样基质吸力越小，储水性能越差;初始含水率和初始干密度相同时，温度越高，土样基质吸力越小，储水性能越差。

关键词：高液限;红粘土;量测装置;土水特征曲线

中图分类号：TU41    文献标识码：A    文章编号：1671-2064（2019）17-0000-00

0 引言

郴州等湘南地区在建公路的地基及填土大部分属于高液限红粘土。由于高液限红粘土中基质吸力是是一个重要的参数，通过该参数能较好的描述非饱和土中水的能态大小，同时还可以实现土体部分工程特征演变规律的准确描述，主要包括土体强度、土内水气运动状态以及土体性质的变化等。所以，针对高液限红粘土中基质吸力进行精确测量，在此基础上实现路基高液限红粘土特征的精确表征具有重要的现实意义，通过高液限红粘土基质吸力量测有助于更好的探讨路基由于温度变化或压实度不足等引起的一系列路基质量问题。

土水特征曲线（SWCC）是描述高液限红粘土的重要参数，是非饱和土中吸力（总吸力或基质吸力s）与重力含水率w（）或体积含水率（）或饱和度S（）之間的关系。实质上是以含水率形式描述的与土中吸力变化相关的非饱和土的储水（持水）性能。土水特征曲线是研究非饱和土的重要手段，通过该曲线能够更好的掌握非饱和土的很多性能。

工程应用中，用来量测非饱和土基质吸力的措施有很多种，常见的包括张力计法、滤纸法等，不同的量测方法都具有各自的特点，得到的结果精度也存在一定的差异。大量的实践经验发现，滤纸法在量测非饱和土基质吸力时具有显著的优势，不仅能够得到准确的结果，同时还具有操作简便、成本低等优势。

1 室内量测装置的设计制作

滤纸法在量测非饱和土基质吸力时其工作原理可以概述为，将滤纸视为一种传感器，并且假定滤纸能与具有一定吸力的土体（在水分流动意义上）达到平衡。测量过程中，若土样与滤纸是接触的，则得到的是土中基质吸力与土中水的关系。传统滤纸法所需的试验设备有滤纸、电子天平、烘箱、大小密封罐、恒温箱、温度计、保鲜袋、绝缘胶带等。为了研制一种室内的基质吸力量测装置，在滤纸法原理的基础上，对试验设备进行改装，以达到试验过程中滤纸与土体能充分的达到水土平衡^[1]。改装后的试验装置所示，其中，大密封罐采用Φ90×50mm（体积为317.9mm³）的塑料密封罐;小密封罐采用HRB235钢铁制作的尺寸为Φ61.8×42mm（体积为125.9mm³）的容器，并用保鲜袋将该容器良好的密封，本研究使用的电子天平具有非常高的精度，为0.0001g;滤纸为国内某厂家生产，其型号为“双圈”牌No.203，该种型号的滤纸能够开展定量研究，基质吸力率定方程描述如：

2试验用土的基本特性

试验选用土样均大量来源于厦成高速公路湖南郴州试验段高液限红粘土土样，所取土样均为重塑样，土样呈红褐色，其基本物理性质指标符合试验用土的基本特性。

3试验方案与步骤

3.1试验方案

按《土工试验方法标准》要求，据室内轻型击实试验，得到高液限红粘土的最佳含水量w_op为20.6%，最大干密度ρ_dmax为1.6g/cm³。试验中，试样初始含水率均设为26.1%;压实度控制为85%、90%、94%，即设计初始干密度分别为1.36g/cm³、1.44g/cm³、1.50g/cm³三组密度状态;温度分别控制为16℃、26℃、36℃三组温度状态。试验所用土样共九组，每组六个^[2]。

3.2试验步骤

3.2.1 试样制备

按《土工试验规程》要求，首先将高液限红粘土风干并捣碎处理，然后利用2mm分样筛对其进行处理，把通过筛孔的样品配制成土样，控制初始含水率在26.1%，再采用控制干密度的三轴制样法，将高液限红粘土土样由初始含水率为26.1%的土料分别压实至1.36g/cm³、1.44g/cm³、1.50g/cm³（试样均为Φ61.8×42mm的圆柱形试样，按重量等分为两份分别进行压实操作）;其次，为了获得不同不同的基质吸力值的土样，需要对不同土样的湿度进行严格控制，不同的处理方法包括风干脱水、密封保湿、浸水饱和和真空饱和;然后将干滤纸水平放置在经过湿度控制后的试样上面进行接触法量测，其中干滤纸总共有三层，上层和下层的直径为6厘米，其作用是保护中间层的滤纸，而中间层的滤纸的直径只有5厘米，只有该层滤纸用于量测。干滤纸安置完成后需要通过绝缘胶带对接缝处进行紧密黏贴，同时还需要将试样置于保鲜袋内进行密封包裹，然后再将包裹好的试样放置在密封罐内并对灌口进行密封处理;最后把准备好的试样分别置于保温箱内处理10天，每个保温箱设置好对应的温度。

3.2.2 取样测试

对于滤纸含水率的量测，其主要操作过程有^[3]：（1）在确保测量结果精度的前提下以最快的速度测量冷铝盒、冷铝盒+湿滤纸的重量，两者之差就是湿滤纸的重量;（2）冷铝盒连同湿滤纸一起放置在烘烤箱内连续烘烤24小时，其中冷铝盒处于半开状态、烘烤箱的温度设置成105℃;（3）将烘箱打开，同时把处于半开状态的铝盒彻底盖上，让铝盒在烘箱内部继续处理3分钟，将热铝盒+滤纸同时取出，利用冷却铝棒对其进行冷却处理，时间持续30秒，用前面同样的方法以最快的速度分别测量铝盒、铝盒+滤纸的重量，两者之差值就是干滤纸的重量;（4）基于湿滤纸和干滤纸两者的重量，就可以计算得到滤纸的含水率。

4 试验结果与分析

4.1考虑初始干密度的土水特征曲线

通过试验得到3种不同初始干密度高液限红粘土在体积含水率为30～46%范围内的土水特征曲线，如图1所示。

结果分析：虽然曲线不够完整，不能看到曲线的进一步发展趋势，但大致可判定不同干密度的土体，其进气值与储水系数不同。从图1可知，干密度对进气值（饱和含水率）以后的曲线斜率有很大的影响，干密度较小的土体储水系数较大。特别是干密度为1.36g/cm³的土样，曲线的斜率变化大，其储水系数明显大于其他两个。由此可以得知，干密度越小，土水特征曲线中起始的体积含水率相对较高，其下降的速度越大，即曲线斜率越大。

4.2考虑温度的土水特征曲线

通过试验得到3种不同初始干密度、3種不同温度的高液限红粘土在体积含水率为30～46%范围内的土水特征曲线，如图2、3、4所示。

结果分析：（1）当试样的初始干密度和含水率相同时，不同温度的土水特征曲线差别不是非常大，且它们的演变规律相似。如果基质吸力较大或体积含水率较低，那么表现出来的土水特征曲线相对比较平缓。具有相同基质吸力的土样，当具有不同温度时其体积含水率基本相同，但是具有相同含水率的土样，当具有不同温度时其基质吸力却有着非常大的不同。基于此，针对非饱和土的力学性质及水分迁移开展分析时，如果温度范围较大时，就必须要充分考虑温度对结果造成的影响。（2）同一初始含水率、不同初始干密度和不同温度的试样，其进气值和储水系数不同。从图2、3、4可知，温度对进气值以后的曲线斜率影响较大，温度越高的土体储水系数越小。初始干密度越大，温度越高，则试样的储水系数越小，持水性能越差。

5 结语

（1）自行设计制作的室内非饱和土基质吸力量测装置，用于高液限红粘土等粘性土的测定具有价格低廉、制作简单、操作便利、结果可靠和对操作者要求严格的特点，适用于大范围吸力的量测。在实际操作中，需对滤纸法测试土体含水率的范围进行界定。（2）虽然曲线不够完整，但大致可判定初始干密度和温度对高液限红粘土土水特征曲线的影响主要体现在：土的进气值和储水系数。初始含水率一定的条件下，初始干密度和温度对进气值以后的曲线斜率有很大影响，初始干密度越大，则土样基质吸力越小，持水性能越差;温度越高，则土样基质吸力越小，储水性能越差。值得注意，在基质吸力较高或体积含水率较小时，温度变化引起的基质吸力变化值较小;反之，基质吸力变化值较大。温差越大，基质吸力变化越大。基于此，针对非饱和土的力学性质及水分迁移开展分析时，若温差较大，则不可忽略温度的影响。（3）基于试验数据的分析，给出了考虑初始干密度和温度影响的土水特征曲线模型关系式，并通过对比分析计算值和实测值，验证了该关系式的准确性。

参考文献

[1]王桂尧，李斌，罗军，等.粉土基质吸力的新型量测装置与土水特征研究[J].岩土力学，2010（11）：3678-3682.

[2]白福青，刘斯宏，袁骄.滤纸法测定南阳中膨胀土土水特征曲线试验研究[J].岩土工程学报，2011（6）：928-933.

[3]唐东旗，彭建兵，孙伟青.非饱和黄土基质吸力的滤纸法测试[J].煤田地质与勘探，2012（5）：37-41.

收稿日期：2019-07-23

作者简介：蒋鑫（1987—）女，湖南衡阳人，硕士研究生，工程师，研究方向：工程地质勘察。