桂林、柳州两种红黏土的土-水特征曲线

常红帅,刘 丽,季春生,吕海波,

(1.桂林理工大学 广西岩土力学与工程重点实验室,广西 桂林 541004;2.广西大学 土木建筑工程学院,南宁 530004)

桂林、柳州两种红黏土的土-水特征曲线

常红帅1,刘 丽2,季春生1,吕海波1,2

(1.桂林理工大学 广西岩土力学与工程重点实验室,广西 桂林 541004;2.广西大学 土木建筑工程学院,南宁 530004)

采用压力板法和滤纸法联合测定柳州、桂林两种红黏土的土-水特征曲线,发现同一含水率下桂林红黏土的基质吸力大于柳州红黏土,具有较强的持水能力。对相关试验结果的分析表明:(1)从物性指标比较,桂林红黏土具有较高的液、塑限及黏粒含量,黏性较高;(2)从矿物成分分析,桂林红黏土中的矿物含有三水铝石和针铁矿,且针铁矿含量为15.6%,是柳州红黏土的2倍,表明桂林红黏土处于更高的红土化水平,土中团粒化更为发育,形成利于持水的孔隙结构。最后,使用van Genuchten (V-G)模型对两种红黏土的土-水特征曲线进行拟合,结果表明V-G模型可用于两种红黏土的土-水特征曲线的拟合,且具有较高的相关度。

红黏土;土-水特征曲线;压力板法;滤纸法;V-G模型；桂林；柳州

0 引 言

红黏土是一种区域性土,由于成因复杂导致了其工程性质特殊。国内很多学者对红黏土的成因进行了研究,总结了红黏土的强度、压缩性以及填筑性特点：文献[1-2]对红黏土的填筑性进行了研究,文献[3-6]从不同角度分析了红黏土的抗剪强度。在实际环境中,红黏土常常处于地表非饱和区,因此其非饱和土力学性质被多种工程所关注。目前,国外对非饱和土的研究集中于对其本构关系的构建。非饱和土的水分运动参数主要由土-水特征曲线(SWCC)、水力传导度或扩散率组成,通过土-水特征曲线可求出比水容量C,进而推导出扩散率D(θ),因此土-水特征曲线是求土壤水运动参数的基础[7]。尽管土-水特征曲线在非饱和土中的重要性已为研究者所认同,并针对不同的土类开展了大量测试工作，但具体到红黏土,针对这一特性的测定试验仍进行得较少。从已公开发表的文献来看,仅有孙德安等[8]测定和分析了压实桂林红黏土全吸力范围内的土-水特征曲线,并研究了干密度对土-水特征曲线的影响;谈云志等[9]对压实的4种干密度下的红黏土的土-水特征曲线进行了测定与比较，并从微观角度解释了其持水机制。可见,目前红黏土的土-水特征曲线试验成果积累较少,不足以总结该类土体的整体特点,需要加强研究。另外,由于红黏土的区域性较强,土质特别,因此如何从土质学的角度解释不同红黏土的土-水特征曲线的差异也值得深入探讨。为此本文对取自桂林、柳州两地的红黏土进行了土-水特征曲线的试验,并从矿物成分组成角度初步解释了两种土样的土-水特征曲线产生差异的原因。

1 试验部分

1.1 试验材料

试验土样为重塑的桂林红黏土和柳州红黏土,其中桂林红黏土取自桂林市雁山区桂林理工大学,取土深度为2.4～3.6m;柳州红黏土取自柳州市工

人医院建筑工地,取土深度为2～3m。两种红黏土均属碳酸盐岩风化残坡积形成。根据已有的研究资料[10]和本文进行的试验,其基本的物理性质、矿物成分和颗粒组成见表1、表2和图1。

表1 土样的基本物理性质

表2 土样的主要矿物[9]

由表1和图1可知,根据桂林、柳州两地红黏土的液塑限指标和颗粒成分可判定两者都属于高液限黏土。由表2可知,石英、高岭石、针铁矿为两种红黏土的主要矿物成分,但所占比例不同。柳州红黏土中石英为优势矿物,含量高达44.3%;而桂林红黏土中高岭石为主要矿物,含量为56.6%。对于红黏土性质具有重要影响的针铁矿,桂林红黏土的含量则是柳州红黏土含量的2倍多。两种红黏土各自独有的矿物分别是柳州土样含伊利石,而桂林土样含三水铝石。

1.2 试验方法

目前,测定土-水特征曲线常用的试验方法有压力板法、滤纸法和饱和盐溶液法等。在工程实践中,需要的土-水特征曲线的范围一般在40MPa之内,因此本文采用测试范围为0～1.5MPa的压力板法和测试范围为0～40MPa的滤纸法对柳州红黏土的土-水特征曲线进行联合测定,而桂林红黏土的数据则引自采用了同样测试方法的文献[8]。

1.2.1 压力板法 压力板法是利用轴平移技术通过高进气值陶土板来测量负孔隙水压力。首先将柳州红黏土进行风干、碾碎后过2mm筛,测定风干含水率后配制含水率为25%的湿土,密封静置24h后搅拌均匀(防止土样出现团聚结构),再次密封静置12h(使含水率均匀)后使用油压千斤顶、模具和直径为61.8mm、高为20mm的环刀按干密度1.4g/cm3进行制样。

将制好的试样抽真空饱和后称重,计算饱和含水率;然后将其放入仪器中,按照预先设定的应力路径5→10→15→30→50→80→160kPa对柳州红黏土试样进行加压。采用此应力路径主要是为了测定柳州红黏土的进气值以及对由滤纸法测定的试样土-水特征曲线的边界效应段进行补充和比较。

1.2.2 滤纸法 滤纸法是一种简便实用并可以解决非饱和土工程实际问题的测量吸力的方法。滤纸法既可用于测定土壤的基质吸力也可用于测定土壤的总吸力,其原理是将滤纸作为媒介,当滤纸与土壤之间的水分或水蒸气达到平衡时,滤纸与土具有相同的吸力。描述滤纸含水率与吸力之间关系的曲线称为率定曲线,通过测定滤纸的吸力间接测定土壤的吸力。

将风干、过筛后的土样配制成含水率为7%、10%、13%、…、34%(间隔为3%)的湿土,按上述标准制样。滤纸法试验步骤(图2):① 将3张滤纸放置于密封盒底部,中间滤纸直径为55mm,上下滤纸直径为57mm;② 将试样紧贴滤纸放置;③ 在试样上方放置滤网并将滤纸放于滤网上方(使滤纸架空在土样上方);④ 密封容器并置于恒温恒湿箱中两周。

试验所用WhatmanNo.42滤纸为同一批次(减少误差),其率定曲线关系见式(1)～式(5)[11],该滤纸的吸力ψ和含水率ω呈双线性关系:

基质吸力为

lgS=2.909-0.022 9ωf,ωf≥47;

(1)

lgS=4.945-0.067 3ωf, 26≤ωf<47;

(2)

lgS=5.31-0.087 9ωf,ωf<26。

(3)

图2 滤纸法试验过程

总吸力为

lgS=8.778-0.222ωf,ωf≥26；

(4)

lgS=5.31-0.087 9ωf,ωf<26。

(5)

式中:S为吸力;ωf为滤纸平衡后含水率。

2 试验结果和分析

通过压力板法和滤纸法测定得到柳州红黏土的基质吸力土-水特征曲线(脱湿)，对该曲线进行分析,并与桂林红黏土的土-水特征曲线(脱湿)进行对比。

2.1 压力板法试验结果

由压力板法测定的柳州红黏土土-水特征曲线见图3。

图3 柳州红黏土的土-水特征曲线(压力板法测定)

根据试验结果可知,在15kPa时红黏土试样开始失水，根据进气值定义可知柳州红黏土的进气值约为15kPa。

2.2 滤纸法试验结果

由滤纸法测定的柳州红黏土土-水特征曲线如图4所示,可见试样在过渡段的土-水特征曲线比较平缓并近似为一条直线。

图4 柳州红黏土的土-水特征曲线(滤纸法测定)

2.3 试验结果比较和分析

将由压力板法、 滤纸法联合测定的红黏土基质吸力土-水特征曲线(脱湿)进行合并, 由图5可知, 在同一吸力条件下桂林红黏土的含水率高于柳州红黏土, 或在同一含水率下桂林红黏土的基质吸力明显大于柳州红黏土, 具有较强的持水能力。

从表征粘性的液、 塑限指标分析, 桂林红黏土

图5 两地红黏土的土-水特征曲线

具有较高的液、 塑限及塑性指数, 黏粒(<5μm)含量也高于柳州红黏土,因此,直观上判断桂林红黏土具有较强的黏性, 粒间的吸附作用更为发育, 所形成的孔隙在数量及复杂性上较高。 尽管影响红黏土土-水特征曲线的因素较多, 但结合两种红黏土的矿物成分, 可对两种红黏土的土水特征曲线的差异进行更深入的分析。

由表1可知, 两种红黏土的矿物成分有两个主要的差异: 一是桂林红黏土中出现了三水铝石； 二是桂林红黏土中的针铁矿含量较高。 根据文献[12]对红黏土成土过程的分析, 碳酸盐岩风化成土的地球化学过程可分为脱钙镁富硅铝、 富铁锰和脱硅富铝3个阶段, 各阶段相应的标志性矿物分别为黏土矿物、 氧化铁锰矿物和三水铝石。 三水铝石的出现表明碳酸盐岩已经进入了红土化的最高阶段，在这一阶段, 风化成土作用早期形成的高岭石和残积的石英被分解破坏和溶解,SiO2呈水化物或弱硅酸盐游离出来, 发生以下主要化学反应:

高岭石 三水铝石

三水铝石的存在, 表明桂林红黏土已经发生了高度红土化作用;另外, 桂林红黏土中针铁矿的含量为15.6%, 是柳州红黏土的2倍, 这也表明桂林红黏土已经经历了富铁锰阶段, 而柳州红黏土则没有完成。红土化形成的氧化铁对土颗粒产生胶结作用, 从而形成典型的团聚结构, 这种团粒具有较强的稳定性, 且内部小孔隙发育, 所赋存的水分较难失去, 因此天然状态下的红黏土往往具有较高的含水率。从这个角度理解, 桂林红黏土中的团粒化作用比柳州红黏土高, 其土-水特征曲线自然表现出较好的持水性。

3 土-水特征曲线的拟合

目前,土壤水吸力与含水率的关系尚不能由理论分析得出,因此土-水特征曲线必须通过试验测定。但在大量试验基础上总结出来的拟合模型对结果验证及数值计算具有一定的帮助,因此对本次试验数据采用了目前较为普遍使用的vanGenuchten模型进行拟合。

vanGenuchten模型公式为

(6)

式中:θs为饱和含水率(cm3/cm3);θr为残余含水率(cm3/cm3);h为压力水头(cm);α、m、n为拟合参数且m=1-1/n。

根据两地红黏土的土水特征曲线,得到两地红黏土的拟合参数θs、θr和α:桂林红黏土θs=0.515,θr=0.05,α=0.005;柳州红黏土θs=0.50,θr=0.068,α=0.006 7。使用vanGenuchten模型对两地红黏土的土-水特征曲线进行模拟,并将拟合结果与实测数据进行对比,见图6和图7,拟合后参数见表3。

图6 桂林红黏土拟合值和实测值对比

图7 柳州红黏土拟合值和实测值对比

表3 试样拟合参数

Table3Fittingparametersofthesoilsamples

土样θsθrαθs*n*rα*桂林红黏土0.5150.0500.0050.464811.813230.00002柳州红黏土0.5000.0680.00670.502821.419430.00057

注：*为拟合后的参数。

可知,桂林、柳州两地红黏土的模拟结果与实测值误差都比较小,相关系数平方(R2)分别为0.974 7和0.993 9,表明van Genuchten模型可较好地对两地红黏土的土-水特征曲线进行拟合。

4 结 论

(1)使用压力板法和滤纸法联合测定得到桂林与柳州红黏土的土-水特征曲线(脱湿),两种方法的联合使用具有快速简便的优点。

(2)在同一含水率下桂林红黏土的基质吸力大于柳州红黏土,具有较强的持水能力,这是由于桂林红黏土具有较高的液、塑限及黏粒含量,黏性较高。进一步的矿物分析表明,桂林红黏土中的矿物含有三水铝石,且针铁矿含量为15.6%,是柳州红黏土的2倍,表明桂林红黏土处于更高的红土化水平,土中团粒化更为发育,形成利于持水的孔隙结构。两地红黏土在持水性方面存在显著差异,其差异对两地红黏土进行地基处理时的操作有一定的参考价值。

(3)van Genuchten模型可用于两种红黏土的土-水特征曲线拟合,并且拟合结果具有较高的相关度。

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Soil-water characteristic curves of two kinds of lateritic clay from Guilin and Liuzhou

CHANG Hong-shuai1,LIU Li2,JI Chun-sheng1,LYU Hai-bo1,2

(1.GuangXi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China;2.College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004,China)

The pressure method and filter paper method are combined to determine the soil-water characteristic curves (SWCC) of lateritic clay from Liuzhou and Guilin.The SWCC shows that the matrix suction of the Guilin lateritic clay under the same moisture content is higher than that of Liuzhou lateritic clay, and the Guilin lateritic clay has stronger water holding capacity. Relevant experiment results show that: (1) Through the comparison of the physical indexes, the Guilin lateritic clay contains higher liquid limit and plastic limit, and clay content, higher viscosity.(2) Through the mineral composition analysis, Guilin lateritic clay contains gibbsite and goethite. The proposition of goethite is 15.6%, which is as twice as the lateritic clay of Liuzhou. It indicates that Guilin lateritic clay is at a higher level of laterization with more soil aggregate and forms the pore structure which is conducive to hold water.Finally, the van Genuchten (V-G) model was used to fit the SWCC of Guilin lateritic clay and Liuzhou lateritic clay.The results show that V-G model is suitable for both of them and closely relevant to practical situation.Key words: lateritic clay;soil-water characteristic curve;pressure plate method;filter paper method;van-Genuchten model;Guilin;Liuzhou

1674-9057(2015)04-0855-05

10.3969/j.issn.1674-9057.2015.04.027

2015-04-26

国家自然科学基金项目(51169005;41272358);广西自然科学基金创新研究团队项目(2012GXNSFGA060001)

常红帅(1989—),男,硕士研究生,岩土工程专业,897384533@qq.com。

吕海波,博士,教授,lhb@glut.edu.cn。

常红帅,刘丽,季春生,等.桂林、柳州两种红黏土的土-水特征曲线[J].桂林理工大学学报，2015,35(4):855-859.

TU446

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