非饱和残积土土－水特性研究及基质吸力估算

丁少林，左昌群，刘代国，李林森，陈建平

（中国地质大学（武汉） 工程学院，武汉 430074）



非饱和残积土土－水特性研究及基质吸力估算

丁少林，左昌群，刘代国，李林森，陈建平

（中国地质大学（武汉） 工程学院，武汉 430074）

摘 要：残积土在我国南方分布十分广泛，是工程建设及地质灾害评估中主要遇到的土体之一。非饱和状态下，残积土边坡土体的工程性质不仅取决于土的组成、结构和应力状态，还与土中的吸力密切相关；土－水特征曲线表达了土体中含水量与吸力的关系，是非饱和土研究的重要内容之一。选取福建省有典型代表的凝灰质砂砾岩残积土、凝灰岩残积土以及花岗斑岩残积土3种类型土作为试验土样，测定土样完整的脱湿、吸湿循环过程的土－水特征曲线。鉴于基质吸力测量困难，在Barden非饱和土分类方法的基础上，通过分析具有实际工程意义的含水量情况（饱和度介于50%～90%），总结出的利用饱和度预测基质吸力的简易方法具有针对性和实用性。

关键词：残积土；土－水特征曲线；Barden非饱和土分类；基质吸力；饱和度

1 研究背景

残积土在我国南方分布十分广泛，是工程建设及地质灾害评估中主要遇到的土体之一。残积土是一种特殊的土体，其特性不同于一般的土体和岩体，性质比一般土质边坡和岩质边坡都复杂，一直是专家学者研究的热点。

土－水特征曲线描述了非饱和土含水率和基质吸力的关系，可以探究非饱和土应力应变［1］、强度［2］、非饱和土的渗透性［3］等性质，是研究非饱和土性质的重要手段，具有重要的研究意义。针对非饱和残积土的土－水特性，专家学者进行了大量研究，如：吴宏伟等［4］对残积土边坡稳定性随基质吸力的变化规律进行了系统研究；龚壁卫等［5］研究了应力状态对土水特征曲线的影响；蒋刚等［6］编制了考虑降雨渗流的边坡非线性有限元计算程序，分析了降雨渗流对残积土边坡基质吸力的影响；汤连生等［7］采用渗析法测定花岗岩残积土的土水特征曲线，对花岗岩残积土的土－水特征曲线进行了分析；陈东霞等［8］讨论了初始含水率、干密度、竖向应力及干湿循环对非饱和残积土脱湿过程土－水特征曲线的影响。另外，常波等［9］、唐延贵等［10］等对土水特征曲线也进行了研究，并得出了相关结论。但上述大部分研究主要针对单一的脱湿或吸湿过程，没有分析完整的脱湿—吸湿循环过程，缺少对脱湿和吸湿过程差异性表现的对比分析，可能与土－水特征曲线（SWCC）的试验方法周期长成本高的特点有关；并且前人研究土样一般也仅为1种，缺乏多种典型残积土土水特性的差异性对比。同时，基质吸力的测量较为复杂，目前主要的基质吸力测试技术和设备主要分为2类，即间接测试技术和直接测试技术。直接测试技术方法主要有张力计［11］、压力板仪和湿度计等；间接测试技术方法主要有新热传导探头［12］、时域反射计［13］、电热式吸力仪、滤纸法［14］等。但是上述方法在实际工程中运用并不广泛，一方面是因为我国目前土工测试技术水平的限制，很多试验仪器并不具备；更重要的是基质吸力测量过程繁琐复杂，且耗时长。由于基质吸力测量的复杂性，涉及基质吸力的相关强度理论在工程上运用较少。

本文选取福建省3种典型残积土土样，测定土样完整的脱湿、吸湿过程的土－水特征曲线，探究了不同水力路径作用下土水特征参数的变化规律，并总结出利用饱和度预测基质吸力的简易方法，避免了复杂的测量过程，具有针对性和实用性，可为工程实践提供参考。

2 土样物理性质分析

本文选取福建省有典型代表的凝灰质砂砾岩残积土、凝灰岩残积土及花岗斑岩残积土3种原状土样为试样，研究非饱和残积土的土水特性，见图1。

图1　试验土样Fig．1 Test soil samples

2．1 土样基本物理性质

土样物理性质如表1所示。

表1　土样物理参数Table 1 Physical parameters of soil samples

2．2 土样矿物成分分析

为确定土样的矿物成分，分别对3种不同残积土土样进行X射线测试，X射线粉晶衍射方法是目前用于物相定性和定量分析的主要手段之一。使用的分析仪器为德国Bruker AXS D8－Focus X射线衍射仪。土体样品中所含的黏土矿物种类与含量见表2。

表2　残积土矿物种类和相对含量Table 2 Residual soil mineral species and their relative contents

3 土水特性试验方案

本次土－水特性试验主要在福建省地质灾害重点实验室完成，采用土－水特征曲线压力板仪系统进行试验。试验按照0～300 kPa，每10 kPa为一个施压级别，加压顺序逐级升高压力室内的空气压力进行脱水试验。待每级基质吸力平衡后，即水不再继续从土样中排出时，读取量管内液面读数。最后一级基质吸力测试完成后，在土样烘干器中烘干并称量试样的质量，利用之前记录的读数计算土样在不同级别基质吸力状态下对应的体积含水量；脱湿过程结束，然后再将土样进行吸湿试验，直至土样再次饱和，获得完整的脱湿、吸湿循环土水特征曲线数据。

4 残积土土－水特性研究

通过压力板仪系统得到了土样脱湿和吸湿过程基质吸力－体积含水率的数据，限于篇幅，不一一列出。在对非饱和土土－水特征曲线（SWCC）的研究中，大量的曲线模型被提出；常用的模型包括van Genuchten（VG）模型［3］、Fredlund＆Xing3（FX3）参数模型和Fredlund＆Xing 4（FX4）参数模型［15］。通过各种模型对试验结果进行拟合，发现FX3参数模型拟合效果最好，其模型公式为

式中：θ为体积含水率；θs为饱和体积含水率；ψ为土体基质吸力；a，n和m为拟合参数。a与空气进气值有关，一般认为参数a越大，进气值越大［16］；n为土体孔隙尺寸分布系数；m为与残余含水率有关的土性参数。

图2　土－水特征曲线试验结果及拟合曲线Fig．2 Test result of SWCC and fitting curves

拟合后得到研究土样的土－水特征曲线，如图2所示；对应的Fredlund＆Xing模型参数如表3所示。

表3　土样拟合参数Table 3 Fitting parameters of soil samples

由图2及表3可知，残积土的土－水特征曲线脱湿路径随基质吸力的增大，曲线由平缓变为陡降，接近残余含水量时，曲线逐渐平缓；吸湿路径随着体积含水量的增加，基质吸力逐渐减小，曲线由缓升变为陡升，接近饱和含水量时，曲线变为平缓。脱湿进程时的土－水特征拟合曲线在形状和位置上与吸湿进程的差别明显，存在明显的滞回圈；且由表3可知拟合参数差别较大。以脱湿过程特征参数为横坐标，吸湿过程特征参数为纵坐标，将脱湿路径和吸湿路径土－水特征曲线特征参数以数据点的形式绘制在坐标系中，见图3所示。图中直线为1∶1线，直线上的点横坐标与纵坐标相等，直线上方的数据点横坐标小于纵坐标；直线下方的数据点横坐标大于纵坐标。

图3　特征参数拟合Fig．3 Fitting results of characteristic parameters

土体的进气值是指空气开始进入土体中的所需的气压值，由土中最大孔隙大小和数量决定；由图3（a）中数据点可知，同一土体在分别经受脱湿进程和吸湿进程作用时，反映土样进气值大小的参数a有一定的差异；3种土样数据点均位于1∶1线的下方，说明脱湿过程的a值大于吸湿过程，脱湿进程的进气压力值也相应大于吸湿进程的，这体现了土体排水比浸湿更难以进行的实际状况。该种现象的产生，说明不同水力路径阶段时，土样孔隙大小发生了改变，并且吸湿阶段孔隙大于脱湿阶段土样孔隙。从表3中不难发现，花岗斑岩残积土脱湿路径的参数a最大，说明初始状态下花岗斑岩残积土的进气值也最大；从表2中可以看出，由于花岗岩残积土中含有的石英、长石等大颗粒的矿物碎屑的比例最低，导致残积土中具有的大孔隙数量最少，因此进气值相对较高。

对于土体孔隙尺寸分布系数n而言，脱湿进程和吸湿进程2种水力条件下n值相差较大，说明试验所用的土样在经历脱湿和吸湿过程后，其内部结构因水力路径的改变而产生较大的变化。从图3（b）及表3可以看出3种土样中，n值变化最大的为凝灰岩残积土，脱湿与吸湿差值为14．31。从表2中可以看出，凝灰岩残积土中含有的亲水性矿物蒙脱石最多，含量为15%；而高岭石，伊利石含量低。蒙脱石为2∶1型双八面体层状结构，伊利石为2∶1型鳞片状结构，高岭石为1∶1型片状结构，这种结构类型使得蒙脱石亲水性质大大强于高岭石、伊利石，从外部环境中获取的水分含量也远高于高岭石、伊利石，而含水量越高，土颗粒之间的黏结力越弱。因此，富含蒙脱石矿物的凝灰岩残积土土样，往往膨胀性、压缩性、可塑性都远远高于富含其他黏土矿物的土样。

由此可见，凝灰岩残积土在脱湿过程中失水收缩的程度和吸湿过程中吸水膨胀的程度都要超过其他土样；完整的脱湿过程和吸湿过程相当于经历了一次干湿循环；吸湿过程中，水分进入，加厚了土颗粒间的结合水膜，胶结物溶解使部分颗粒发生了相对位移，土体结构扰动；脱湿过程中，土骨架收缩使内部结构再次扰动［16］；所以凝灰岩残积土土体结构受到水力路径的影响更大一些。

同样，由图3（c）及表3可知，2种水力路径条件下的饱和含水量θs会相差很大，3种土样数据点均位于1∶1线的下方，说明脱湿进程的饱和含水量大于吸湿进程。造成这种现象的主要原因在于，土体脱湿后再次重新进水饱和时，会带进一定量的空气，这些空气会部分的以气泡的形式存在于孔隙水中，土体孔隙被水都填充后，这些气泡会占据部分原本应由孔隙水所占据的土体孔隙空间，并且此时的土体基质吸力也为0值［16］。因此，相应的吸湿进程的饱和含水量要较小一些。其中，相差最大的为花岗斑岩残积土，差值为15．04%；最小的为凝灰岩残积土，差值为13．40%。主要原因为：土体矿物成分不同，吸水时携带空气的含量并不相同；蒙脱石吸水能力强，吸收的水分中夹杂的空气相对较少；而高岭石、伊利石吸水能力相对较弱，水分中含有较多的空气。从表2中可知，土体样本中凝灰岩残积土含有的亲水性黏土矿物蒙脱石含量最高，因而饱和含水量相差也较小。

5 残积土基质吸力的估算

5．1 Barden非饱和土分类

Barden按照非饱和土的饱和度和干湿程度将非饱和土分为5种［17］，见表4所示。

表4　Barden非饱和土分类方法Table 4 Classification of unsaturated soil by Barden

Barden指出干土的强度和变形特性己经与饱和度没有什么关系，而饱和土研究比较成熟，近饱和土可视为饱和土处理，所以一般情况下它们不是非饱和土研究的重点［17］。不同含水状态时，非饱和土表现的土性也各不相同，工程意义也不同。在实际工程中，大部分土体在未达到饱和时就已经发生破坏，而且很干或稍湿的土体稳定性较好，不易发生破坏［17］。只有当土样干湿程度为湿的状态，即饱和度位于50%～90%时，研究土样的土水特性及基质吸力的作用规律才最具有工程实际意义。

将压力板测出的基质吸力－体积含水率数据利用公式（2）转化为基质吸力－饱和度数据，限于篇幅，故不一一列出。

Sr＝θ／θs。（2）

当饱和度变化范围为50%～90%时，根据换算的基质吸力－饱和度数据，确定相应的基质吸力变化范围，见表5所示。

表5　饱和度与基质吸力对应变化范围Table 5 Ranges of saturation and corresponding matric suction variations

5．2 残积土基质吸力的估算

基质吸力的测量非常复杂，限制了既有研究成果在残积土工程中的应用；虽然可以利用土水特征曲线公式如Fredlund＆Xing模型、van Genuchten模型等计算不同含水状态的基质吸力，但公式形式一般较为复杂，且有关拟合参数难以确定，应用不便。

根据Barden研究得出的结论［17］，干土的强度和变形特性己经与饱和度没有什么关系，而饱和土研究比较成熟，近饱和土可视为饱和土处理，所以一般情况下它们不是非饱和土研究的重点，只有当饱和度变化范围为50%～90%时，研究土样的土水特性及基质吸力的作用规律才最具有工程实际意义。本文旨在分析具有实际工程意义的含水量情况（饱和度介于50%～90%），寻求利用饱和度预测残积土基质吸力的简易方法，使其具有针对性和实用性。

对变化范围为50%～90%的饱和度及相应基质吸力数据进行分析后发现，土样基质吸力的对数lnψ与饱和度Sr有良好的线性关系。令lnψ为纵坐标，Sr为横坐标，在坐标系中绘制lnψ⁃Sr数据点和拟合线，如图4所示，表6为土样的拟合公式及相关系数。

图4　lnψ⁃Sr线性关系曲线Fig．4 Linear relationship between lnψ and Sr

从表6可以看出，土样基质吸力的对数lnψ与饱和度Sr的线性相关系数均大于0．9，可认为lnψ与Sr线性相关。所以当饱和度位于50%～90%时，土样基质吸力的ψ与饱和度Sr的关系可以表示为

lnψ＝kSr＋b， （50%≤Sr＜90%） 。（3）

即

ψ＝ekSr＋b＝cekSr， （50%≤Sr＜90%）。（4）

式中：Sr为饱和度；ψ为基质吸力；k，b为不变的参数；只需测定2组基质吸力ψ及对应的饱和度Sr，就可以确定参数c，k的值。

参数c，k确定后，当土样饱和度介于50%～90%之间时，就可以根据公式（4）估算土样此时的基质吸力，在工程上具有一定的实用性。

该公式的特点是可根据具有实际土样工程意义的含水量情况（50%≤Sr＜90%），估算土体的基质吸力；公式中的拟合参数容易确定，应用起来十分方便，并且所得公式对脱湿和吸湿过程基质吸力的预测均适用，适用性较广。

表6　土样拟合方程Table 6 Fitting equations of soil samples

6 结 论

（1）采用Fredlund 3参数模型对土样脱湿和吸湿过程的土－水特征曲线进行拟合，拟合效果较好，并分析了主要拟合参数在脱湿和吸湿过程中的变化规律；

（2）以Barden非饱和土分类方法为基础，总结出了土样最具实际工程意义的含水量情况时（50%≤Sr≤90%）的基质吸力的预测公式。

（3）鉴于我国目前的土工测试技术水平，建立简单实用的基质吸力预测公式，在工程上具有重要的现实意义，可为探究非饱和土体基质吸力的变化规律及作用效应提供参考和借鉴。

参考文献：

［1］ FREDLUND D G，XING A．Equations for the Soil Water Characteristic Curve［J］．Canadian Geotechnical Journal，1994，31（4）：521－532．

［2］ FREDLUND D G，VANAPALLI S K，XING A，et al．Prediction of the Shear Strength for Unsaturated Soils U⁃sing the Soil Water Characteristic Curve［C］∥Proceed⁃ings of the1995 International Conference on Unsaturated Soils．Paris，1995：63－691．

［3］ VAN GENUCHTEN．Predicting the Hydraulic Conductivi⁃ty of Unsaturated Soils［J］．Proceedings of Soil Science Society of America，1980，44（5）：892－898．

［4］ 吴宏伟，陈守义，庞宇威．雨水入渗对非饱和土坡稳定性影响的参数研究［J］．岩土力学，1999，（1）：2－15．

［5］ 龚壁卫，吴宏伟，王 斌．应力状态对膨胀土SWCC的影响研究［J］．岩土力学，2004，（12）：1915－1918．

［6］ 蒋 刚，林鲁生，刘祖德．降雨渗流作用下残积土边坡的数值分析［J］．南京工业大学学报，2005，（5）：27－31．

［7］ 汤连生，颜 波，李振嵩，等．花岗岩残积土水土特征曲线的试验研究［J］．水文地质工程地质，2008，（4）：62－65，79．

［8］ 陈东霞，龚晓南．非饱和残积土的土－水特征曲线试验及模拟［J］．岩土力学，2014，（7）：1885－1891．

［9］ 常 波，吴益平，何高峰，等．临江Ⅱ号崩滑体土水特征曲线试验研究［J］．长江科学院院报，2012，（9）：53－58．

［10］唐延贵，吴礼舟．粉质砂土的土－水特征及一维应力变形试验研究［J］．长江科学院院报，2013，（10）：62－65．

［11］RIDLEY A M，BURLAND J B．A New Instrument for the Measurement of Soil Moisture Suction［J］．Geotechnique，1993，43（2）：321－324．

［12］SHUAI F，FREDLUND D G．Use of New Thermal Con⁃ductivity Sensor to Measure Soil Suction［C］∥Advances in Unsaturated Geotechnics：Proceedings of Sessions of Geo－Denver．Denver Colorado，August 5－8，2000：1－12．

［13］陈仁朋，DAITA R K，DRNEVICH V P，等．室内TDR试验监测石灰矿渣加固粘性土的物理化学反应过程（英文）［J］．岩土工程学报，2006，（2）：249－255．

［14］王 钊，杨金鑫，况娟娟，等．滤纸法在现场基质吸力量测中的应用［J］．岩土工程学报，2003，25（4）：405－408．

［15］FREDLUND D G，XING A．Equations for the Soil⁃Water Characteristic Curve［J］．Canadian Geotechnical Journal，1994，31：521－532．

［16］侯 龙．非饱和土孔隙水作用机理及其在边坡稳定分析中的应用研究［D］．重庆：重庆大学，2012．

［17］BARDEN L．Consolidation of Compacted and Unsaturated Clays［J］．Geotechnique，1965，15（3）：267－286．

（编辑：王 慰）

Soil⁃Water Characteristics of Unsaturated Residual Soil and Estimation of Matric Suction

DING Shao⁃lin，ZUO Chang⁃qun，LIU Dai⁃guo，LI Lin⁃sen，CHEN Jian⁃ping
（Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

Abstract：Residual soil which widely distributes in south China is one of the major soils encountered in engineering construction and geological disasters evaluation．The engineering properties of residual soil are dependent on the composition，structure，and stress of soil，and also on the matric suction．Soil⁃water characteristic curve expressing the relationship between soil water content and matric suction is an important part of research on non⁃saturated soil．In this research we select granite porphyry residual soil，tuff residual soil and conglomerate residual soil，which are typically representative in Fujian province，as test sample soils to determine the soil⁃water characteristic curve in the process of Dehumidification and moisture absorption．Then we explain lag effects of soil water characteristic curve from the microscopic point of view．Based on Barden’s unsaturated soil classification，we put forward a sim⁃ple method to predict the matric suction with saturation by analyzing the practical engineering significant moisture （saturation between 50%⁃90%）in view of the difficulties in measuring matric suction．

Key words：residual soil；soil⁃water characteristic curve；Barden’s unsaturated soil classification；matric suction；saturation

作者简介：丁少林（1990－），男，湖北仙桃人，硕士研究生，研究方向为地质工程，（电话）13429845692（电子信箱）1096382033＠qq．com。

基金项目：国家自然科学基金项目（41202201，41102196，51379194）；中央高校基本科研业务费专项（CUGL110215）；国土资源部公益性行业科研专项（201211039）

收稿日期：2014－11－04；修回日期：2015－01－13

中图分类号：X43

文献标志码：A

文章编号：1001－5485（2016）03－0098－06