考虑体积变化修正的红黏土土水特征曲线试验研究

陈 浩

(湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺 416700)



考虑体积变化修正的红黏土土水特征曲线试验研究

陈 浩

(湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺 416700)

红黏土是一种具有高度水敏性的典型特殊土，土水特征曲线(SWCC)是研究红黏土工程性质的重要依据，而红黏土在含水率变化时会发生明显的胀缩效应，现有SWCC测试往往缺乏对此效应的考虑，导致所测得的结果具有一定的误差。通过压力板仪法和滤纸法，量测了湖南某地区红黏土在不同含水率下所对应的基质吸力，并根据收缩试验掌握了红黏土在不同含水率下的体积变化特征并获取了相应的收缩系数，推导了体积变化修正公式，对SWCC进行了体积变化修正。结果表明：红黏土在含水率改变时的体积变化对其SWCC影响很大，同一基质吸力状态下，体积变化修正后红黏土试样的体积含水率和饱和度明显高于修正前的值，且基质吸力越高该差别越明显。

红黏土； 土水特征曲线； 压力板仪法； 滤纸法； 收缩试验； 体积变化修正

1 概述

红黏土是特指碳酸盐类岩石在温湿气候条件下经风化后形成的褐红、棕红等色的黏性土，主要分布在湖南、贵州、云南、广东以及广西等省份。与一般黏土的特点不同，红黏土具有天然含水率高、水稳定性差、孔隙比大和结构性强等特点，容易受到大气降雨、地下水位变化等因素的影响而发生含水率变化，从而引起基质吸力的改变而影响其工程性质。土水特征曲线(SWCC)是联系基质吸力与含水率的纽带，与红黏土的结构、土颗粒成分、孔隙尺寸分布以及土壤中水分变化的历史等因素有关，反映了红黏土对水分的吸持作用，关系到其强度、变形和渗透性等[1]。因此，准确地获取土水特征曲线是开展含水率变化条件下红黏土工程性质研究的前提。

王世梅[2]利用重塑红黏土进行试验，试验过程中考虑了应力状态对吸力的影响，建立了能够同时反映固结应力、基质吸力和含水率三个变量的土水特征曲线函数表达式。伊盼盼等[3]则采用压力板仪研究了不同击实条件对非饱和重塑粉土土水特征曲线的影响，并采用Van Genuchten 模型对试样的土水特征曲线进行了拟合。Yang等[4]将土颗粒简化为微观球体粒子，通过分析粒子间的相互作用推导出了考虑土颗粒平均粒径和含水率的土水特征曲线通用模型。谈云志等[5]用压力板仪测定了4种不同干密度的压实红黏土试样的土水特征曲线，并结合试样的孔隙分布特征分析了其不同持水能力的原因。Wan等[6]对Fredlund-Xing模型进行了改进，提出了可以体现初始孔隙比的影响的新模型。然而，红黏土是典型遇水软化、失水收缩开裂的水敏性土，其土水特征曲线与体积变化之间存在着强烈的相互作用，基质吸力变化会导致持水状态和体积的变化，而体积变化也会导致持水状态的变化，基质吸力与含水率、体积之间具有复杂的耦合关系[7]，但现有研究大多未涉及红黏土在含水率改变时的体积变化及其对SWCC的影响。

本文将联合压力板仪法和滤纸法，量测不同吸力范围内湖南某地区红黏土试样的土水特性，最终得到全程吸力范围内的土水特征曲线，并在此基础上结合收缩试验，推导不同湿度下红黏土的体变修正公式，最后对原有土水特征曲线做了体变修正。

2 试验材料及试验过程

2.1 试验材料

湖南省属于典型的多雨地区，地下水位普遍较高，本文选取了该省某地区具有代表性的红黏土作为研究对象，首先开展了有关其基本物理性质的试验，试验过程均按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)[8]中的相应规定进行，包括颗粒分析、界限含水率、比重、自由膨胀率、击实试验，试验结果如表1所示。

2.2 试验过程

针对红黏土在低含水率状态时的基质吸力很高的特点，为了能够获得更完整的土水特征曲线，采用压力板仪法和滤纸法联合测量其基质吸力，其中压力板仪的吸力测量范围为0～1 500 kPa，而滤纸法(接触式)的测量范围为0.5～40 MPa 。本文的土水特征试验采用脱湿过程，暂忽略滞回效应的影响。其中，质量含水率从饱和状态脱湿至36%部分的SWCC曲线由压力板仪试验得到，而质量含水率在36%以下部分采用滤纸法获得，最终将两种方法得到的SWCC曲线进行合并。为了探讨不同压实度(初始孔隙比)对路基压实红黏土SWCC的影响，在两种测试方法中，都分别同时测量了6种不同压实度(96%、93%、91%、89%、87%，85%)重塑红黏土的SWCC。试验过程本文不作详述。

表1 红黏土的基本物理性质参数Table1 Basicphysicalpropertyparametersoflaterite塑限/%液限/%塑性指数定名比重39.484.144.7高液限黏土2.84自由膨胀率/%最优含水率/%最大干密度/(g·cm-3)2530.01.502

收缩试验则参照《公路土工试验规程》[8]中“土的收缩试验”进行，同时测量了6种不同压实度(96%、93%、91%、89%、87%，85%)红黏土线缩率与质量含水率的关系，试验过程本文不作详述。

3 试验结果及分析

3.1 土水特征曲线试验结果及分析

整理合并两种测试方法的试验数据，得到不同压实度红黏土试样在各级基质吸力下的含水率(表2)，含水率与基质吸力的关系曲线见图1。其中1 500 kPa以下基质吸力的数据点由压力板仪法得到，1 500 kPa以上基质吸力的数据点由滤纸法得到。

可以看出：在基质吸力的测量范围内，该红黏土的SWCC未表现出典型的三阶段型变化特征，残余含水率不明显。

3.2 收缩试验结果及分析

根据收缩试验得到不同压实度红黏土的线缩率与质量含水率关系曲线见图2，收缩系数和缩限如表3所示。

从图2和表3中可以发现：该压实红黏土的收缩几乎都从其最优含水率30%左右开始，随着含水率的减小，线缩率增大，至20%左右逐渐趋于稳定。压实度对红黏土的缩限、收缩系数的影响并不明显，当压实度超过87%以后，缩限和收缩系数已趋于稳定(其中压实度为96%试样的收缩系数与其余压实度试样有明显差别，可能为试验中的误差所造成)；不同压实度试样的最终线缩率处在3.0%～4.5%范围，该差别体现在变形的绝对值上仅为0.3 mm，且与压实度之间并无明显的相关性。

表2 不同压实度红黏土的SWCC数据Table2 SWCCdataoflateritewithdifferentdegreeofcom-pactionK=96%K=93%K=91%基质吸力含水率基质吸力含水率基质吸力含水率 0.0137.66 0.0138.88 0.0139.9520.0036.3920.0035.6120.0035.2050.0033.7550.0033.4250.0033.19100.0032.81100.0032.58100.0032.40200.0031.89200.0031.74200.0031.55385.0031.13385.0030.98385.0030.83682.0030.24682.0030.07682.0029.85970.0030.19970.0029.97970.0029.7710892.1726.208076.9326.208101.5625.9017099.9822.5420524.6122.6118060.4822.77K=89%K=87%K=85%基质吸力含水率基质吸力含水率基质吸力含水率 0.0141.10 0.0142.87 0.0143.7420.0035.6020.0035.8320.0035.1450.0033.5250.0033.7450.0033.15100.0032.67100.0032.86100.0032.29200.0031.74200.0031.83200.0031.14385.0030.99385.0031.07385.0030.39682.0030.03682.0030.13682.0029.47970.0029.96970.0030.08970.0029.457559.5525.9010218.7926.308261.7025.6021641.2022.6024854.4622.7223282.4222.70 注:表中“含水率”为质量含水率,单位%。基质吸力单位kPa。

图1 不同压实度红黏土SWCCFigure 1 SWCC of laterite with different degree of compaction

图2 不同压实度红黏土线缩率随含水率的变化Figure 2 Relationship between linear shrinkage rate and water content of laterite with different degree of compaction

表3 不同压实度红黏土的收缩指标Table3 Shrinkageindicatorsoflateritewithdifferentde-greeofcompaction压实度K/%缩限ws/%收缩系数Kv8521.30.238722.50.268922.60.289122.50.269322.60.279622.70.36

4 体积变化修正

4.1 体积变化修正公式推导

对土水特征曲线进行体积变化修正，需要掌握体积变化与含水率的关系，但在收缩试验中仅仅得到了土样的线缩率与含水率之间的函数关系式。对于线缩率与体积变化之间的转换问题，不同学者采取了不同的计算方法，张华等[9]使用3个方向的线缩率来考虑试样的体应变，但该方法仅仅是将试样中空间3个方向上的线缩率进行了叠加，这仅在土样体变为小变形的假定下是合理的；而周葆春等[10]直接使用线缩率来代替体应变。本文采用的换算方式如下：

《公路土工试验规程》[8]中所使用的土样为标准环刀试样，假设其直径为r0，高度为z0，初始体积为V0。在收缩过程中某一个含水率状态下，试样的半径变化为Δr，高度变化为Δz，体积变化为ΔV，且假定试样未开裂，则试样变形前后的体积分别为：

(1)

(2)

在试样的变形过程中，由于试样较小，根据张华等[9]三向收缩试验中得到的水平和竖直方向上收缩系数近似相等的结论，可以假设试样在任意时刻的竖向线缩率与横向线缩率都相等，且试样在每一个时刻的含水率都是均匀的，则有：

(3)

将式(2)、式(1)相除 ，并结合式(3)可以将试样的体积变形ΔV表示成竖向变形Δz的函数：

(4)

当土样胀缩随含水率的变化比较明显时，收缩变形不能假定为小变形，根据收缩试验结果可将式(4)表示为试样体积随质量含水率w变化函数：

(5)

式中：w0为初始质量含水率。

由于：

(6)

式中：e为实际孔隙比；e0为初始孔隙比。

联立式(5)和式(6)可以得到土样的实际孔隙比与质量含水率的关系：

(7)

根据式(7)、表 3、图1(a)中数据得出的实际孔隙比随基质吸力的变化曲线如图3所示。

图3 不同压实度试样实际孔隙比随吸力变化曲线Figure 3 Relationship between void ratio and matrix suction of laterite with different degree of compaction

再使用下式：

Sr=Gsw/e

(8)

θ=Sre/(e+1)

(9)

式中：Sr为饱和度；Gs为比重；θ为体积含水率。

即可以得出不同基质吸力下的实际体积含水率以及饱和度。

4.2 修正结果及分析

分别将修正前后的土水特征曲线绘制在半对数坐标系中，如图4和图5所示：

图4 修正前后SWCC对比(体积含水率表征)Figure 4 The comparison between pre-corrected SWCC and cor-rected SWCC(represented by volumetric water content)

图5 修正前后SWCC对比(饱和度表征)Figure 5 The comparison between pre-corrected SWCC and corrected SWCC(represented by saturation degree)

可以看出：相同基质吸力作用下，体积修正后的体积含水率和饱和度要明显高于修正前的值，在基质吸力越高的区域，差别越大。这是由于红黏土在脱湿过程中时发生了收缩变形，试样孔隙体积减小。修正后的SWCC考虑了这一效应，因此体积含水率和饱和度更高。此外，无论是体积修正以前还是修正以后，试样压实度越小(初始孔隙比越大)，持水能力越低，在受到第二级相同基质吸力(约20 kPa)作用下的脱水量最大；在其后的各级基质吸力(已超过各干密度试样的进气值)作用下，不同初始干密度试样的饱和度和体积含水率降幅差异已经不大。

5 结论

① 该地区红黏土的收缩都从w=30%附近开始，随着含水率的减小，线缩率增大，至20%时趋于稳定；不同压实度试样的最终线缩率处在3.0%～4.5%范围，且与压实度之间并无明显的相关性。

② 红黏土在含水率降低时的体积收缩对其土水特征曲线影响很大：同一基质吸力状态下，体积变化修正后的试样体积含水率和饱和度明显高于修正前的值，在基质吸力越高的区域，该差别越明显。

③ 压实度越小(初始孔隙比越大)，红黏土试样的持水能力越低。随着基质吸力的增加，不同压实度试样之间的体积含水率及饱和度的差异呈现先增大后缩小的趋势，当吸力增加至20 000 kPa ，压实度对持水能力的影响已经较小。

[1] 武汉大学.南方多雨地区公路水损害及其防控技术研究[R].2011.

[2] 王世梅，刘德富，谈云志，等.某滑坡土体土水特征曲线试验研究[J].岩土力学，2008，29(10)：2651-2655.

[3] 伊盼盼，牛圣宽，韦昌富.干密度和初始含水率对非饱和重塑粉土土水特征曲线的影响[J].水文地质工程地质，2012，39(1)：42-46．

[4] YANG S，LU T H.Study of Soil-Water Characteristic Curve using Microscopic Spherical Particle Model[J].Pedosphere，2012，22(1)：103-111.

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[6] WAN Huan-zhou， KA Veng-yuen， FANG Tan.Estimation of soil-water characteristic curve and relative permeability for granular soils with different initial dry densities.Engineering Geology，2014，179：1-9.

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[8] JTG E40-2007，公路土工试验规程[S].

[9] 张华，陈守义，姚海林.用收缩试验资料间接估算压力板试验中的体积含水率[J].岩土力学，1999，20(2)：22-26.

[10] 周葆春，孔令伟.考虑体积变化的非饱和膨胀土土水特征[J].水利学报.2011，42(10)：1152-1160.

Experimental Study on Soil Water Characteristic Curve of Laterite with Volume Change Correction

CHEN Hao

(Hunan Yonglong Expressway Construction Development Company Ltd， Yongshun， Hunan 416700， China)

Laterite is a typical special soil which has high water sensitivity.Soil water characteristic curve(SWCC)is an important basis for studying engineering performance of laterite.However，laterite has obvious swell-shrink effect when the moisture changes.Available SWCC tests lack consideration about this effect and therefore the results always have much error.In view of enhancing accuracy of SWCC，by pressure plate apparatus method and filter paper method，this paper measures matrix suctions of laterite at an area in Hunan with different water content.Meanwhile，the rule of volume varying with water content is acquired based on shrinkage tests.Shrinkage coefficient is obtained and volume correction formulation is deduced.Finally，the SWCC is corrected by involving volume change effect.Study results show that volume change of laterite with water content varying has significant influence on SWCC.Under the same matrix suction condition，saturation degree and volume water content of laterite after correction are obviously higher than those before correction，and the difference becomes more obviously with the increase of matrix suction.

laterite； soil water characteristic curve； pressure plate apparatus method； filter paper method； shrinkage tests； volume change correction

2016 — 06 — 17

交通部交通运输部建设科技项目(2014318785090)；湖南省交通科技项目(201451)。

陈 浩(1982 — )，男,湖南常德人,工程师，主要从事公路工程的研究及工程现场管理工作。

TU 411.8

A

1674 — 0610(2016)05 — 0097 — 05