温度效应对粉砂土壤水分特征曲线的影响研究

陈 宸，张 沣,2，张 华,2，高 抗，陈童睿

(1.三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002；2．三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002； 3．中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉 430000)

土壤水分特征曲线是非饱和土力学中的重要的曲线，通过土壤水分特征曲线曲线可以直接或间接地了解非饱和土壤中的吸力状况、抗剪强度和渗透性等性质。影响土壤水分特征曲线的因素是十分复杂的，然而在过去的几十年时间里，由于受到试验条件与应用实践的限制，学者们将研究的重点放在了与土体自身物理性质相关的影响因素上如土体类型与结构、初始含水率和干密度、干湿循环、应力路径、应力状态等因素的影响[1-4]。随着工程技术的不断发展，岩土工程领域所涉及的问题越来越复杂，如地下核废料的处置、二氧化碳地下封存、地热资源开发、石油开采、高压电缆的埋设等，这些工程设施往往承受较大的温差。考虑温度效应的土壤水分特征曲线开始逐渐受到研究人员的重视，Philip和de Vries[5]最早进行了温度对非饱和土土壤水分特征曲线影响的研究，指出温度会导致非饱和土中吸力发生变化，并基于Laplace方程提出了吸力随温度变化的关系式；She和Sleep[6]通过对石英砂试样试验发现温度对吸力的影响主要体现在温度对土中孔隙水的表面张力和接触角的影响；王铁行[7]对不同温度和压实度条件的黄土进行了试验研究，指出温度变化对黄土土壤水分特征曲线有一定的影响，但没有密度变化对土壤水分特征曲线的影响程度大；汪龙等[8]对含有石英砂的膨胀土试验研究发现温度和掺砂率对试样土壤水分特征曲线的影响明显大于干密度对土壤水分特征曲线的影响。通过上述学者研究可以看出，温度对于不同类型土的土壤水分特征曲线都具有一定影响，而其影响程度与土样的种类有关。

上述学者[5-8]的研究对象大多为吸力范围较大的黏性土，对于土中黏粒较少的砂性土来说，由于其土壤水分特征曲线的吸力范围很小，常用的轴平移技术难以将特征曲线精确地测量出来。本文以三峡库区秭归砂土为研究对象研究温度效应对砂土土壤水分特征曲线的影响，利用自制的高精度土壤水分特征曲线测试系统测得了不同温度下的土壤水分特征曲线，并根据土壤水分特征曲线不同阶段的孔隙水赋存状态不同，对温度效应对砂土各阶段土壤水分特征曲线的影响进行了分析；结合粉砂、黄土和膨胀土在不同温度下的土壤水分特征曲线，探讨了VG模型中温度对粉砂土的a、n、θr值的影响与对其他类型土a、n、θr值影响的差异。

1 试验材料及方案

1.1 试样制备

本文选取三峡库区秭归砂土作为研究对象，测定了试样的基本物性指标和土体颗粒分布曲线分别如表1和图1所示，该土样细粒组(≤0.075 mm)质量所占比例为44.4%，粉粒组(0.005～0.075 mm)质量所占比例为89.3%，根据《土的工程分类标准》 (GB/T50145-2007)确定该试样为粉土质砂。

表1 土的基本物性指标

图1 土体颗粒分布曲线

试验试样设定初始含水率为最优含水率14.1%，初始干密度为1.60 g/cm3。将野外取回的秭归砂土风干用橡皮锤锤碎后过2 mm筛，然后将过筛后的土样放入温度设定为105 ℃的烘箱内烘12 h。按照试样初始含水率计算好所需水的质量，将称好的水均匀喷洒在土体上充分拌和，将拌好的土样放入密封袋中静置24 h后开始制备土样，土样制好后放入保湿缸中存放，待到要做试验之前将试样拿出放入饱和缸中进行抽真空饱和(见图2)。

图2 试样制备及饱和装置

1.2 仪器设备的采用

本试验土样为砂性土，其土壤水分特征曲线的进气值和残余值都很小。传统轴平移技术所采用的压力源通常为空气压缩机，其压力大小由减压阀控制，由于空压机减压阀精度的限制，很难在二三十千帕的范围内对吸力值进行精准的控制，因此本文研制了一套高精度土壤水分特征曲线测试系统，该系统中采用GDS标准体积/压力控制器取代空压机和减压阀来作为压力源，其精度为±1 kPa，可实现对吸力值的精确控制；压力室的材质为机玻璃，实验过程中从压力室排出的水分由放置在精度为千分之一的天平上的集水瓶收集，通过RS232数据接头可以将天平称量数据接入PC机中实现对排出水量变化的实时监控。高精度土壤水分特征曲线测试系统的布置图如图3所示。

图3 高精度土壤水分特征曲线自动测试系统结构简图

为了实现整个试验过程的自动控制，减小人为因素引起的误差，本试验利用Labview软件编写了一套VI程序并开发了一个程序控制界面，实现试验过程中压力室压力的自动加压和试验数据的自动记录。Labview是美国国家仪器(NI)公司研制开发一套图形化编辑软件，具有强大的数据采集与控制功能，在土工试验方面已经有了较好的应用[9,10]。

1.3 试验结果与分析

根据相关资料显示近50年宜昌地区的最高温度均不超过40 ℃[11]，因此将试验温度区间设定为常温区间25～40 ℃。采用自研的高精度土壤水分特征曲线测试系统，分别测得25、30、35、40 ℃ 4种不同温度下秭归粉砂的土壤水分特征曲线如图4所示。

图4 不同温度下粉砂的土壤水分特征曲线

通过图3计算出不同温度条件下秭归砂性土的饱和含水率及残余含水率和进气值如表2所示。同一吸力下土样体积含水率与温度的关系如图5所示。

表2 不同温度下粉砂进气值、残余含水率及饱和含水率实测值

图5 体积含水率随温度变化

通过图3可以发现随着温度的升高，砂性土试样的土壤水分特征曲线有向左下方偏移的趋势，即在同一吸力条件下，随着温度的升高，土样的持水性能在下降。且温度对土壤水分特征曲线的影响程度在中间阶段相对较大，在初始阶段和残余阶段则相对较小。从图5可以看出，随着温度的升高，同一吸力下的土样含水率大致呈线性降低的趋势，且其降低的幅度随着温度的升高而减小。从表2中的数据可以看出，土壤水分特征曲线的进气值及残余含水率均随着温度的升高而减小。

2 土壤水分特征曲线的温度效应分析

2.1 温度对砂土各阶段土壤水分特征曲线的影响分析

非饱和土由固相(土颗粒)、液相(土中水)和气相(土中气)3部分构成，俞培基[12]根据土体中各阶段孔隙水的饱和度提出土体中液相和气相的存在形态可以分为水封闭、双开敞、气封闭3类。各个阶段非饱和土中水、气赋存状态及其概化模型如图6所示。

图6 非饱和土中水、气赋存状态及概化模型

粉砂土壤水分特征曲线温度效应的影响机理因其水相和气相存在形态不同而发生改变。在土壤水分特征曲线的饱和段，气相主要以封闭气泡的形式存在，由亨利定律可知随着温度升高溶解于液体中的气体量会减少，导致封闭气泡的体积持续增大，原先存在于孔隙中的一部分水被挤出，使得孔隙水减少。所以在该阶段，在同一基质吸力条件下，随着温度的升高土壤的含水率降低。但由于温差不大，且封闭气泡的体积有限，因此温度效应在这一阶段体现得并不明显。

随着吸力的继续增大，土颗粒间大孔隙中的水首先被空气挤出，土体开始由饱和状态转变为非饱和状态。基质吸力、孔隙半径和表面张力之间的关系可用如下公式表示：

(1)

式中：μa-μw为基质吸力，kPa；Ts为液体的表面张力，mN/m；r为孔隙半径，m；α为水-气界面接触角。

非饱和土的进气值表征的是土中最大孔隙开始排水时的基质吸力。由式(1)可知，对于同一种土，其孔隙半径一定，温度的影响主要体现在对表面张力及接触角的改变上。随着温度的升高，水的表面张力减小，接触角变大[13]，基质吸力减小,因此，在此阶段的土壤水分特征曲线中，基质吸力随着温度的升高而减小。此阶段土中孔隙水处于双开敞状态，其排水量主要受毛细作用的控制。随着温度的升高，孔径持水能力下降，在同一气压力值的情况下，相对较小的孔隙也开始排水，再加上封闭气泡体积膨胀的影响，因此其排水量较大。由于粉砂粗颗粒含量较多，颗粒孔隙相对较大，温度对孔径持水能力的影响更大，导致该段区域成为温度对粉砂土壤水分特曲线影响程度最大的区域。

随着基质吸力的继续增大，其含水率继续降低，当其含水率低于残余含水率时，颗粒孔隙间存在的自由水大部分已经被排空，孔隙被气相占据而处于水封闭状态，其吸力主要源自短程吸附作用。吸力的大小主要有分子间的范德华耳兹力和距离决定[14]。当土体温度升高时，水分子的热运动加剧，动能增加，当范德华耳兹力不足以束缚水分子的热运动时，土颗粒最外层的弱结合水将脱离束缚而转变成自由水，然后在基质吸力的作用下被排出。温度越高，水分子的热运动越剧烈，能量也越大，从最外层向内将有更多的水分子脱离束缚而转变成自由水，因此其排出的水量也越多，残余含水率越低。由于本试验试样以粉砂粒为主，细颗粒的如粒含量较少，短程水合效应吸附的孔隙水较少。因此，在残余区温度对该粉砂土壤水分特征曲线的影响程度并不大。

2.2 温度对VG模型参数的影响

在现有的土壤水分特征曲线预测模型当中，van Genuchten[15]提出的VG模型是被最为广泛应用的模型之一，其公式表达形式为：

(2)

式中：θw为体积含水率；θs为饱和含水率；θr为待测残余含水率；ψ为吸力值；a、n为待定参数。

一般认为参数a表示土壤水分特征曲线中的进气值，而参数n则代表了土壤水分特征曲线过渡段的斜率。将秭归粉砂土试样在不同温度下测得的土壤水分特征曲线的数据代到VG模型中，得到不同温度下模型参数a、n、θr的值，同时之前有学者如王铁行[7]和Gens[16]分别对西安黄土和FEBEX膨胀土测试了不同温度下的土壤水分特征曲线，其中西安黄土为湿陷性黄土，塑限为18.4 %，液限为30.7 %，西安黄土主要颗粒成分为粉土颗粒，占颗粒总质量50%以上，小于0.005 mm的黏土颗粒占20%～30%；FEBEX膨胀土的液限为102%，粒径小于0.002 mm的颗粒占总质量67%。以上为了比较粉砂土在VG模型中不同温度下的模型参数与其他类型土VG模型参数的差异，本文也利用王铁行[7]和Gens[16]测得的实验数据在VG模型中解出模型参数a、n、θr的值，上述3种土在不同温度下不同类型土的VG模型参数值入表3所示。

表3 不同温度下不同类型土的VG模型参数值

图7 参数a、n值、残余含水率随温度的变化趋势

模型中参数a、n、θr随温度的变化趋势分别如图7所示。从图7可以看出，随着温度的升高，VG模型中的参数a、n、θr都有减小的趋势，不同类型土的参数值对温度的敏感度也不一样：从图7(a)中可以看出粉砂土的a值随温度的变化趋势与黄土a值的变化趋势比较接近，而膨胀土的a值随温度升高的下降趋势比粉砂土明显很多，说明在土壤水分特征曲线中温度对粉砂土曲线进气值的影响比膨胀土这类黏土的曲线进气值的影响小得多；图7(b)中显示粉砂土的n值随着温度的升高出现了较大的减幅，而温度对黄土和膨胀土的n值影响却不是很大，只有小幅度的升高或降低；图7(c)中可以看出对于残余含水率而言，粉砂土的残余含水率大小介于黄土和膨胀土之间，而其残余含水率则随温度升高的下降幅度最大。

在上述3种土中，由各种土的颗粒成分可以看出对于黏粒含量而言，秭归粉砂土的含量最低，西安黄土次之，而FEBEX膨胀土的黏粒含量最高。图7(a)中显示膨胀土的a值随温度变化的敏感性最高，而图7(b)和图7(c)则显示粉砂土的n值和θr值随温度变化的敏感性最高。这种现象说明土中黏粒含量对VG模型中各待测参数对温度的敏感性有一定影响，表现在对于黏粒含量较高的土，用VG模型预测其土水特征曲线时模型中的参数a值更容易受温度的影响；而VG模型中参数n值和θr值却在黏土含量低的土中受温度的影响很大。

3 结 语

(1)根据粉砂土水特征曲线基质吸力范围较小的特点研制了一套高精度土水特征曲线测试系统，可将吸力值精确度控制在±1 kPa以内。

(2)温度对粉砂的土壤水分特征曲线有影响，体现在随着温度的升高，粉砂的持水能力在下降，且同一吸力下的土样含水率大致呈线性降低的趋势，其降低的幅度随着温度的升高而减小。同时温度对土壤水分特征曲线的影响程度在中间阶段相对较大，在初始阶段和残余阶段相对较小。

(3)随着温度的升高，粉砂土和其他不同类型土的VG模型参数a、n、θr都有减小的趋势，且不同类型土的参数值对温度的敏感度也不一样，总体来看，土中黏粒 含量对VG模型中各待测参数对温度的敏感性有一定影响，而VG模型中黏粒含量少的粉砂土的n值和θr值对温度的敏感程度明显比其他两种类型土要大一些。由于本文中不同温度下的土壤水分特征曲线样本数较少，具体的VG模型参数值与温度之间的定量关系还有待进一步分析。

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