颗粒级配与土水特征曲线的关系研究

文俊方,孙晓剑，雷嘉慧，王佳瑶，梁航

（天津城建大学，天津 300384）

1 研究目的

在土体颗粒形成的骨架孔隙中，除水以外还存在着连通气体的土称之为非饱和土[1]。工程项目中主要接触到的是非饱和土。非饱和土中固体颗粒之间的孔隙被气体和液体填充，是固、液、气三相介质，其力学性质的复杂程度远远超过饱和土（是固、液两相介质）。目前只能用经验或者饱和土的理论来近似估测非饱和土的参数，然而在估测非饱和土的众多参数过程中，土-水特征曲线扮演着重要的角色。土-水特征曲线（Soil Water Characteristic Curve，简称土-水特征曲线）是土体的宏观和微观孔隙的持水能力随吸力状态变化的规律曲线[1，2]，是估算非饱和土渗透函数、抗剪强度、压缩性能等参数的“桥梁”。

土-水特征曲线受到诸多因素的影响，国内外专家和学者对此方面也做了大量研究。刘艳华[3]认为土的矿物成分、初始孔隙比、固结压力等对土-水特征曲线有重大影响；刘奉银、熊承仁等[4,5]研究了含水量和密实度与土-水特征曲线的关系，并从不同方面解释了变化规律；文宝萍[6]研究了颗粒级配对粘性土基质吸力的影响；Fernando[7]研究了压实功与土-水特征曲线形状之间的关系；Indrawan[8]初步分析了粗粒残积土水土特征曲线的变化特点。

在以上文献中，对密实度、含水量、矿物成分、固结压力、应力历史等方面研究土-水特征曲线的比较多，对于从不同粒组与非饱和土基本性质相关性度，分析颗粒级配对土-水特征曲线的综合影响，却较少研究成果。从文献[7]制备土样的方案中，可以发现影响土的土-水特征曲线包括矿物成分和颗粒级配，不能忽略矿物成分的影响。因此，本项研究通过研磨砂土来保证土样矿物成分相同、颗粒级配不同，从而有效的反映颗粒级配对土-水特征曲线的影响。

2 试样及实验方法

2.1 土样及试样的制备

测定所用砂土和黄土的颗分曲线，了解颗粒级配，经分析，研磨砂土可以可变土的颗粒组成情况，研磨黄土颗粒级配变化不明显，故使用研钵研磨砂土，然后与黄土按等比例混合，进行颗分试验，配制4种矿物成分相同颗粒级配不同的土样。

将所配制的土样喷洒一定量的水并拌匀，装入塑料贴标签，密封静置48h，测定其含水率。在制样器中放入直径5.5cm、高1cm的环刀并倒入制备好的土样，再用千斤顶压成实样。取出土样测量其高度，计算土样干密度。

2.2 试验仪器及实验方法

本项研究采用Fredlund教授和GCTS公司联合研制的土水特征曲线仪。该试验设备基于轴平移原理，对同一试样可测的一组连续的土水特征曲线数据。通过调压阀控制试样的孔隙气压ua,孔隙水压力uw为0,由ua-uw可得基质吸力；通过水体变管测量试样含水量的变化，计算各级基质吸力下对应的饱和度，从而绘制出非饱和土的土水特征曲线。本项研究只测试减湿曲线。

将制备好的试样和陶土板抽真空饱和，安装试样后封闭压力室，排除GCTS中底座、出水管和体变管中的气泡。待记下时间以及体变管中水的的初始读数后，给压力室逐级施加25、50、100、200、500、800kPa的气压力（一定要等到土样排水量达到稳定后，再施加下一级气压力），记录测量管的初始读数和每级气压下排水稳定时测量管的读数。

当试样排出的水量在24h内小于0.1cm3时，可认为吸力达到稳定[9]。本实验每级吸力下排水量达到稳定的时间大约为5d。试验过程中，每隔24h要用注射器冲刷一次陶土板底部聚积的气泡。

试验结束后卸除压力室，称量试样和陶土板的重量以确定其最终含水量，用之与通过各级吸力稳定下的水体变管读数确定的含水量进行对比校正，进而确定含水量。

3 结果分析与讨论

通过研磨的方法，得到矿物成分相同颗粒级配不同的4组土样，4组土样颗粒级配如图5，图5中可看出土样粗颗粒（砂粒）含量逐渐减少，细颗粒（粉粒和黏粒）含量逐渐增加。土颗粒越来越细，也趋于均匀。

由图6中本试验测出的土水特征曲线，可看出土体含水量随着基质吸力的增加而减少。在土体开始由饱和状态向非饱和状态转化的最初阶段，基质吸力对含水量的影响程度大。随着土体饱和度的下降，基质吸力对土体含水量的影响程度逐渐降低并且趋于稳定。本实验测得的土水特征曲线与现已有研究得到的土水特征曲线形态和基本特征大体相同。

在基质吸力小于50kPa范围内，土-水特征曲线的斜率大，含水率对基质吸力的变化及其敏感。随着基质吸力稍稍增加土体含水率急剧降低。可是不同土样含水量变化差值不同，土样越粗，含水量下降越快。在基质吸力大于50kPa小于200kPa范围内，存在着曲线的拐点，曲线斜率减小，但4种土样在此范围内含水量的变化趋势和程度基本一致。当基质吸力大于200kPa时，颗粒级配不同的土样在同一基质吸力变化范围内含水量的下降程度小，此阶段曲线平缓，土体含水量逐渐趋于稳定。

土体持水能力随着土颗粒孔隙比的减小而单调增大：土体颗粒间，较细的颗粒填充较粗颗粒间的孔隙，使得土颗粒结合紧密，土体的渗透稳定性好，从而提高持水能力。土体从饱和到非饱和过程中相同基质吸力变化范围内，含水量变化程度较小，土水特征曲线较缓和。从图2能明显看出各组土样的残余含水量和残余基质吸力的近似值不同。非饱和土的残余含水量随着粘粒、粉粒含量的增加而线性增长，随着砂粒含量的增加而线性负增长，说明非饱和土的残余含水量受土体中粗细颗粒含量共同控制。

4 结 语

①本文的创新之处在于通过研磨砂土来保证土样矿物成分相同、颗粒级配不同，从而有效的反映颗粒级配对土-水特征曲线的影响。

②颗粒级配不同，土体内的孔隙结构也不相同，从而影响土体的持水能力。从土样1～土样4粗颗粒含量逐渐减少、细颗粒含量逐渐增多，土体内孔隙减小，残余含水量以及含水量变化幅度逐渐减小，土水特征曲线趋于平缓，持水能力逐渐增强。

③非饱和土的残余含水量受土体中粗细颗粒含量共同控制。含水量对基质吸力变化的敏感程度随着粗颗粒的增加而提高。

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

[2] 熊承仁,刘宝深,张家生.重塑粘土的基质吸力与土水分及密度状态的关系[J].岩石力学与工程学报,2005(2).

[3] 刘艳华,龚壁卫,苏鸿.非饱和土的土水特征曲线研究[J].工程勘察,2002（3）.

[4] 熊承仁,刘宝深,张家生.重塑粘土的基质吸力与土水分及密度状态的关系[J].岩石力学与工程学报,2005(2).

[5] 刘奉银,张昭,周冬,等.密度和干湿循环对黄土土水特征曲线的影响[J].岩土力学,2011(S2).

[6] 文宝萍,胡艳青.颗粒级配对非饱和粘性土基质吸力的影响规律[J].水文地质学报,2008（6）.

[7] Fernando A,M Marinho,etal.The Influrnce of the compaction energy on the SWCC of a residual soil[C].Proceedings of sessions of Geo-Denver2000.

[8] Indrawan IG B,Rahardjo H,Leong E C.Effects of coarse-grained materialson properties of residualsoil[J].

[9] Pham,Q,H,A Volume-mass constitutive model for unsaturated soils[D].PH.D.thesis,2005,Department of civil Engineering,university of Saskatoon,Saskatchewan,Canada.