含水率与土样异向对原状非饱和黄土土-水特征影响试验研究

梁 燕，杜 鑫，黄富斌，李汶霖

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

含水率与土样异向对原状非饱和黄土土-水特征影响试验研究

梁 燕，杜 鑫，黄富斌，李汶霖

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

利用压力板对不同初始含水率与不同渗水方向的原状非饱和Q3黄土进行脱湿试验，分析不同初始含水率与不同渗水方向对原状非饱和Q3黄土土水特征的影响。研究表明：在相同的初始含水率情况下，基质吸力对土样不同方向渗水情况的影响基本相同；在渗水方向相同的情况下，随着基质吸力的增大，体积含水量逐渐降低，基质吸力增大到一定程度后，不同初始含水率对土-水特征曲线的影响几乎一样。

岩土工程；原状非饱和土；基质吸力；土-水特征曲线；含水率

0 引 言

中国黄土的沉积贯穿整个第四纪，西北、华北、东北、山东及内蒙古等地均有分布[1]，以粉粒为主，大孔隙，压缩性中等(只有近代堆积的黄土是高压缩性)，垂直节理发育，富含可溶盐，与同时期的其他沉积物不同[2]，具有在荷载不变条件下遇水湿陷，因而被列入特殊土的行列[3]。

黄土常处于非饱和状态，且一般工程中所遇到的黄土常位于地下水位线以上，基本属于非饱和黄土。土水特征曲线是描述基质吸力与含水率或饱和度之间关系的曲线。为了确定土水特征曲线的表达式，R．H．BROOKS等[4]和M．T．VAN GENUCHTEN[5]分别提出了多个实用经验表达式，均能较客观地对试验结果进行拟合；王铁行等[6]和刘奉银等[7]则分别研究了密度与干密度对基质吸力的影响。

笔者选取西安周边地区非饱和Q3原状黄土，进行了现场室外渗透试验，并采用压力板对不同初始含水率与土样不同渗水方向进行脱湿试验，研究初始含水率与不同渗水方向对基质吸力及土水特征曲线的影响。

1 试验用土

试验用土取自西安市北郊长安大学渭水校区附近某黄土边坡的Q3原状黄土，取土深度为地表以下4.5～5 m。Q3原状黄土的基本物理性质指标见表1。为确保试验用土的均匀性与可重复性，均从同一深度、同一小区域范围的土层中选取土样。

表1 Q3原状黄土物理性质指标

2 数据获得方法

通过渗透试验，取土样测含水率并确定渗流范围，使用压力板测定基质吸力与体积含水量关系。

2.1 现场渗水试验

在土中挖一个深40 cm的直径为37.75 cm的圆形试坑，并在坑底铺设2 cm厚的砂砾石层，试验过程中，始终保持坑中水层10 cm。达到渗流稳定后，继续试验一段时间。整个渗水实验过程耗时150 min。

试验结束后，沿试坑的对称面将土剖开，可以直接看出水在土中的渗透情况，并在剖开面上，沿试坑竖向中心轴方向与其垂直的水平方向依次选取土样，并测定含水率。图1(a)为含水率与竖直方向的关系，图1(b)为含水率与距中心轴水平距离的关系。由图1可得，沿中心轴渗水深度为60.5 cm，渗流影响范围半径为60 cm。

图1 含水率与位置的关系Fig.1 Relationship between the water content and the position

2.2 压力板试验

土样一共制备了3种含水率，分别为15.85%，20%，25%。每种含水率的土样都分为竖直与水平方向。土样均用环刀装好，限制了侧向出水与形变。实验前，先让陶瓷板处于饱和状态，再装土样进行试验。表2为压力板所测数据，表中WV表示竖直方向的初始含水率；WH表示水平方向的初始含水率。

表2 基质吸力与体积含水量的关系

3 试验结果与分析

为研究SWCC特征关系曲线，目前已经建立有很多的数学模型，笔者选取了在岩土领域应用较为广泛的M．T．VAN GENUCHTEN (VG)土-水特征曲线模型[4]，并用其对体积含水量与基质吸力数据进行最小二乘拟合。根据土的干密度，土粒密度及含水率计算得到饱和体积含水量为0.494 5，3种初始含水率为15.85%，20%，25%时对应的体积含水量分别为0.217 4, 0.274 0,0.342 5。

3.1 同一渗水方向不同初始含水率对SWCC关系曲线的影响

在土样的竖直或水平方向，基质吸力相同，初始含水率大的，体积含水量高；基质吸力不大的情况下，体积含水量相对来说变化不大；随着基质吸力的增大，体积含水量逐渐降低，但是当基质吸力增大到一定范围时，3者的体积含水量也逐渐相似，并最终重合。即不同的初始含水率对土-水特征曲线的影响最后是相同的(图2)。

图2 不同初始含水率情况下拟合的土-水特征曲线Fig.2 Fitting soil-water characteristic curves with different initial water contents

3.2 同一初始含水率不同渗水方向对SWCC关系曲线的影响

根据表2数据可得，初始含水率为15.85%，20%，25%时，竖直与水平方向的数据几乎没有差异。因此，基质吸力对土样的竖直与水平方向的渗水情况的影响基本一样，土样在初始含水率不同的情况下，不同渗水方向对SWCC关系曲线的影响非常小。

4 结 论

笔者通过现场渗透试验和利用压力板对不同渗水方向与初始含水率条件下的土样进行脱湿试验，得到如下结论。

1)现场采用试坑法测取渗水范围，其中竖直深度与水平方向的渗水半径的比值为1.008。但试坑法存在一定缺陷，不能排除坑内水侧向渗流带来的误差。

2)在土样的竖直或者水平方向，随着基质吸力的增大，体积含水量逐渐降低，基质吸力达到一定范围时，不同初始含水率对土-水特征曲线的影响是相同的。

3)在初始含水率相同的情况下，基质吸力对土样的竖直与水平方向的渗水情况的影响几乎一样。

[1] 窦明建.公路工程地质[M].3版.北京:人民交通出版社,2003:85-87. DOU Mingjian.EngineeringGeologyofHighway[M]. 3rd ed. Beijing: China Communications Press,2003:85-87.

[2] 高大钊.岩土工程的回顾与前瞻[M].北京:人民交通出版社,2001:296-298. GAO Dazhao.AReviewandProspectofGeotechnicalEngineering[M]. Beijing: China Communications Press,2001:296-298.

[3] 刘保健,支喜兰,谢永利,等.公路工程中黄土湿陷性问题分析[J].中国公路学报,2005,18(4):27-31. LIU Baojian, ZHI Xi’nan, XIE Yongli, et al. Analysis of problems on loess hydrocompaction in highway engineering[J].ChinaJournalofHighwayandTransport, 2005, 18(4):27-31.

[4] BROOKS R H, COREY A T.HydraulicPropertiesofPorousMedia:HydrologyPapers[M].Fort Collins, USA: Colorado State University,1964.

[5] VAN GENUCHTEN M T. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J].SoilSocietyofAmericaJournal,1980,44(5):892-898.

[6] 王铁行,王晓峰.密度对砂土基质吸力的影响研究[J].岩土力学,2003,24(6):979-983. WANG Tiehang, WANG Xiaofeng. Influence of density on matrix suction of sandy soil[J].RockandSoilMechanics,2003,24(6):979-983.

[7] 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,2011,32(增刊2):132-136. LIU Fengyin, ZHANG Zhao, ZHOU Dong, et al. Effects of initial density and drying-wetting cycle on soil water characteristic curve of unsaturated loess[J].RockandSoilMechanics,2011,32(Sup2):132-136.

[8] 王协群,邹维列,骆以道,等.考虑压实度时的土水特征曲线和温度对吸力的影响[J].岩土工程学报,2011,33(3):368-372. WANG Xiequn, ZOU Weilie, LUO Yidao, et al. SWCCs and influence of temperature on matrix suction under different compaction degrees[J].ChinaJournalofGeotechnicalEngineering,2011,33(3):368-372.

Experimental Research on Influences of Water Content and Soil Samplies of Different Directions on Soil-Water Characteristic Curves of Intact Unsaturated Loess

LIANG Yan, DU Xin, HUANG Fubin, LI Wenlin

(School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, P. R. China)

The desorption process experimental research on undisturbed unsaturated loessQ3with different initial water contents and different seepage directions was conducted by using the pressure plate extractor, and the effects of them on the soil-water characteristics were analyzed. The test results show that under the condition of the same initial water content, the influences of the matrix suction on different water seepage directions are almost the same; under the condition of the same seepage direction, volume water contents gradually reduce with the increase of matrix suction; when matrix suction increases to a certain degree, the influences of different initial water contents on soil-water characteristic curves are nearly the same.

geotechnical engineering; undisturbed unsaturated loess; matrix suction; soil-water characteristic curve; water content

2015-09-24；

2015-12-30

国家自然科学基金项目(41172256)

梁 燕(1968—)，女，山西孝义人，副教授，博士，主要从事岩土工程与地质工程方面的研究。E-mail：liangyan66888@163.com。

杜 鑫(1988—)，男，湖南邵阳人，硕士研究生，主要从事岩土工程方面的研究。E-mail：1134108443@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.12

U416.1+4;TU444

A

1674-0696(2016)06-057-03