非饱和土土水特性试验研究

陈贤挺 闫纲丽

(1.广西电力工业勘察设计研究院地质部，广西南宁 530023;2.黄河水利职业技术学院土木系，河南开封 475004)

1 概述

存在于非饱和土中的吸力是其区别于饱和土的根本特征，基质吸力对非饱和土的力学特性有着重要的影响，它随着含水率、饱和度的变化而变化。含水率或饱和度与基质吸力的关系称为土—水特征曲线(SWCC)，是非饱和土的主要本构关系之一[1]。

当前还不能根据非饱和土特性由理论分析得出SWCC，只能用试验获取数据并通过数学方法和模型统计来取得。数学拟合模型方法优势在于误差小、适用性好并考虑了土壤水分滞后作用。针对SWCC的数学模型研究，Hutson J L，Cass A用物理模型对土—水特性进行模拟研究并提出了S形曲线模型[2]，戚国庆等对土水特征曲线的通用数学模型进行了研究[3]。本文拟通过洛阳地区非饱和粉质黏土三轴试验对非饱和土土水特性开展分析研究。

2 试验方案

试验仪器采用河南省岩土力学与结构工程重点实验室的FSY30型非饱和三轴仪。采用轴平移技术来消除气蚀问题，在试验中选用高进气值陶瓷板来实现轴平移。试件采自洛阳地区粉质黏土和粉土，采用分层压实法配置不同饱和度的重塑试件，为直径6 cm、高12 cm的圆柱体。土样的物理性质指标为粉质粘土干密度1.51 g/cm3、初始孔隙比 0.793、比重 2.71;粉土干密度1.48 g/cm3、初始孔隙比 0.824、比重 2.70。

试验采用四级围压试验法，即制作粉质黏土和粉土的四种不同饱和度试样各一组，每组四个试样，试验中在各组的四个试样上分别施加100 kPa，200 kPa，300 kPa和400 kPa围压，量测其基质吸力，如此便可建立起不同围压下饱和度与基质吸力之间的关系。

3 非饱和土土水特性研究

图1给出的是粉质黏土和粉土不同饱和度在不同围压下土水特性实测值及拟合曲线，从图中可以发现同一围压下基质吸力随饱和度的变化成反向变化，且变化幅度随饱和度的升高而减缓;不同围压下的SWCC具有相似的形状和走势，更低围压下的SWCC具有更大的变化范围、更平缓的变化趋势及在同饱和度下更大的基质吸力取值。在高饱和度下基质吸力随含水量变化的变化幅度很小，在低饱和度下基质吸力随饱和度的增大而缓慢减小，在中间段(天然饱和度)变化迅速，在实际工程中土的饱和度多处于中间段，可见在天然饱和度下非饱和土的工程性质受饱和度的影响很大。

利用多项式拟合方法对试验中不同围压下的饱和度、基质吸力取值进行拟合，其拟合函数为:

式中:Sr——饱和度;

ψ——基质吸力;

a，b，c——拟合参数。

在试验中的取值见表1，拟合曲线见图1。

表1 洛阳地区非饱和土各围压土水特征曲线拟合参数

图1 洛阳地区非饱和土不同围压土水特征曲线

从图1中可看到拟合结果与实测数据相差极小，相关系数均能达到0.998以上，我们可得到饱和度同基质吸力之间的关系是连续的。参数a的值与自变量Sr值近似相等，其物理定义为在基质吸力为零的饱和状态的饱和度;针对参数b，c及为提高精度而增加的多项式高次项的系数的物理意义定义进行了数据拟合统计和辅助试验，发现这些参数并无具体物理意义，仅仅是受土体进气值和饱和度影响的拟合参数，这也和多项式的展开形式中各项系数的表达式及可增加多项式的项数来更准确的拟合曲线相符，参数b反映曲线变化的陡缓，参数c及后续高次项系数反映曲线变化段的曲率(即可使拟合曲线更贴近实际)。

4 结语

通过对非饱和土开展三轴试验，并据此对土水特性及试样重塑对基质吸力的影响进行分析研究，得到以下结论:

1)饱和度与基质吸力的关系是连续的;同一围压下基质吸力随饱和度的变化成反向变化，且变化幅度随饱和度的升高而减缓;不同围压下的SWCC具有相似的形状和走势，更低围压下的SWCC具有更大的变化范围、更平缓的变化趋势及在同饱和度下更大的基质吸力取值;

2)在高饱和度下基质吸力随含水量变化的变化幅度很小，在低饱和度下基质吸力随饱和度的增大而缓慢减小，在中间段变化迅速。

[1]D G弗雷德隆德，H拉哈尔佐.非饱和土土力学[M].陈仲颐，译.北京:中国建筑工业出版社，1997.

[2]Hutson J L，Cass A.A retentivity function for use in soil water simulation models[J].Journal of Soil cience，1987，38(5):157-166.

[3]戚国庆，黄润秋.土水特征曲线的通用数学模型研究[J].工程地质学报，2004，12(2):182-186.