干密度对重塑花岗岩残积土土水特征曲线影响

刘志达 刘文辉

(1.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640； 2.广州市市政工程设计研究院，广东 广州 510060)

实际工程中大部分土体处于非饱和状态，岩土工程许多领域已考虑土的非饱和性质，土水特征曲线SWCC描述了土的体积含水率或饱和度与基质吸力之间的关系，在非饱和土力学中起着重要的作用[1]。通过土水特征曲线可以研究非饱和土的强度特性、体变特性及渗透性等性质[2，3]。

非饱和土土水特征曲线的主要影响有土体类型、矿物成分、土体结构、干密度、孔隙比及应力历史等。汪东林等[4]利用压力板仪研究了击实功、击实含水率、干密度、应力历史和应力状态5个因素对非饱和重塑黏土土水特征曲线的影响。李保华等[5]利用压力板仪考虑了土样孔隙结构、干密度及含水率对非饱和膨胀土土水特征曲线的影响。叶为宁等[6]通过渗析法和气相法对上海地区软土的土水特征曲线进行试验研究，对其基本特性进行分析。罗小艳等[7]采用贝叶斯理论分析花岗岩残积土土水特征曲线拟合参数的不确定性，根据试验得到的土水特征曲线获得Van Genuchten模型拟合参数的后验分布。汤连生等[8]采用渗析法得到花岗岩残积土的土水特征曲线并对其进行分析。

目前对于花岗岩残积土的非饱和力学性能研究较少。因此，本文针对深圳福田区某基坑底部的花岗岩残积土，采用压力膜仪法研究重塑花岗岩残积土脱湿过程中的土水特征曲线，并分析不同干密度对花岗岩残积土土水特征曲线的影响。

1 土水特征曲线模型

为了有效预测土水特征曲线，不同的学者提出了大量不同的土水特征曲线模型，但大多数仅仅适合于低吸力段和中吸力的范围，本文选取较常用的Gardenr模型、Van Genuchten模型及Fredlund & Xing模型[9]。

Gardenr模型：

Van Genuchten模型：

Fredlund & Xing模型：

其中，θw为体积含水率；θr为残余含水率；θs为饱和含水率；s为基质吸力；a,q,n均为拟合参数。

2 土水特征曲线试验研究

2.1 试验土样

本次试验花岗岩残积土土样取值深圳市福田区某基坑底部，取样深度为地下15 m，利用综合分类法[10]考虑土样颗粒级配和塑性指数可将土样定名为黏土质砂砾。土样的基本物理力学性质见表1，颗分曲线见图1。

表1 土样基本物理性质指标

2.2 试验仪器与方案

室内土水特征曲线试验采用美国Soilmoisture公司生产的1500型15Bar压力膜仪，该仪器能承受最大压力为1 500 kPa。试样采用重塑土样，过2 mm筛。试样采用22.6%初始含水率进行配置，通过环刀制成试样高为2 cm，试样面积为30 cm2。为研究不同干密度对花岗岩残积土土水特征曲线影响，制取干密度分别为1.45 g/cm3,1.64 g/cm3的试样，具体试验方案见表2。

在试验前将各试样进行抽真空饱和处理，取出饱和试样进行称量后迅速放入压力膜仪进行土水特征曲线试验，试验基质吸力范围为5 kPa～1 000 kPa，每级吸力下土样在达到平衡状态后重新称取其质量，通过试样排水变化量计算出各级基质吸力下的质量含水率，最终可换算得到饱和度与基质吸力关系曲线。

表2 不同干密度土样基本参数

3 试验结果与分析

由室内试验得到各土样基质吸力与饱和度关系如表3所示，采用Van Genuchten(VG)模型、Fredlund & Xing(FX)模型及Gardenr模型对试验数据进行拟合对比，各模型的拟合参数见表4。土水特征曲线典型形态如图2所示，室内试验得到的土水特征曲线试验数据点及模型拟合曲线如图3所示。

表3 不同基质吸力下土体饱和度测定试验结果

表4 不同模型拟合参数表

由图2及图3可知，在0 kPa～1 000 kPa范围内，花岗岩残积土脱湿曲线并非表现为典型的“S”型曲线模式，这是由于受试验设备限制，只得到花岗岩残积土脱湿过程中过渡段范围的土水特征曲线。不同干密度下的土水特征曲线形态一致，随着基质吸力的增大，土样饱和度不断降低，由平缓下降过渡到迅速下降。干密度对重塑花岗岩残积土土水特征曲线有着显著影响，且主要影响范围为土水特征曲线的过渡段，在较高的基质吸力下，不同干密度的土水特征曲线有相互聚拢的趋势。

干密度对花岗岩残积土土水特征曲线影响的具体表现为：在同一基质吸力下，土样饱和度(持水性)随干密度的增加而增大，即土样的脱湿速率随干密度增加而降低；在同一饱和度下，基质吸力随着干密度的增大而增大；试样进气值也随着干密度的增加而增大，试验得到试样一和试样二的进气值分别约为30 kPa,160 kPa。这主要是由于基质吸力与土体孔隙结构关系密切，干密度大的土样其内部孔隙较小较少，连通性较差，且较小的孔隙使空气难以进入土样，只有在较大的基质吸力下水分才能从小孔隙中排除，从而导致干密度越大其脱湿速率越小，进气值越大。

根据表4及图3可知Van Genuchten模型、Fredlund & Xing模型及Gardenr模型对试验数据点进行拟合得到的拟合优度R2>0.98，均能较好的模拟花岗岩残积土的土水特征曲线，所有模型拟合得到的残余含水率都为0。

4 结语

本文对不同干密度下的重塑花岗岩残积土进行室内压力膜仪法试验并得到相关土水特征曲线，利用常用的3种土水特征曲线模型对试验数据进行拟合分析，得出如下结论：

1)不同干密度下的土水特征曲线形态一致，干密度对重塑花岗岩残积土土水特征曲线有着显著影响，且主要影响范围为土水特征曲线的过渡段。干密度越大，由于其内部孔隙越小，数量越少，孔隙连通性差，导致其持水性增强及进气值增大。相同饱和度下，干密度越大其基质吸力越大，而较大的基质吸力更利于土体稳定，因此工程中需控制好土体干密度以维持建筑稳定性。

2)Van Genuchten模型、Fredlund & Xing模型及Gardenr模型均可较好模拟花岗岩残积土土水特征曲线，且所有模型拟合得到的残余含水率都为0。