非饱和红粘土基质吸力与密度及温度关系试验研究

蒋 鑫

(湖南省核工业地质局三〇六大队，湖南 衡阳 421003)

1 引言

根据非饱和土力学理论，非饱和红粘土强度与基质吸力有关，因此，正确量测基质吸力与外界条件的关系对研究非饱和土的性状具有非常重要的意义。基质吸力的量测有直接法或间接法，常见的方法有滤纸实验法、压力板测试仪法以及三轴仪测量法等，不同的测量方式其优点也各不相同。相关研究结果显示，采用滤纸测试的方法不但可以对总吸力进行有效测量，同时也是较为有效的间接基质吸力测试方法。相较于其他方式，该方案成本投入更低、操作更为简便且测量准确度更好。目前，国外针对该技术的应用主要采用Whatman′s No.42和Schleicher & Schuell No.589-WH两种型号的滤纸。而国内在该方面的研究有待提高，研究成果不多，且多数仅涉及国产“双圈”牌滤纸的吸力率定试验。本文通过滤纸法研究分析湖南郴州地区红粘土基质吸力随密度及温度变化的规律。

2 试验用土的基本性质

试验选用土样均大量来源于厦成高速公路湖南郴州试验段高液限红粘土土样，所取土样均为重塑样，土样呈红褐色，其基本物理性质指标符合试验用土的基本性质。

3 滤纸法量测

3.1 滤纸法原理

滤纸测试方案的主要工作原理为，在整个测试过程中将其视为一个可靠的传感器设备，并假定在整个过程中滤纸可以和具备一定吸力的土体(在水分流动意义上)达到平衡。测量过程中，若土样与滤纸是接触的，则得到的是土中基质吸力与土中水的关系。

3.2 仪器

电子天平(0.0001 g)、烘箱(105±5 ℃)、大密封罐、小密封罐、恒温箱、温度计、保鲜袋、绝缘胶带，国产“双圈”牌No.203型定量分析滤纸。其相应基质吸力率定方程如下式：

(1)

式中，s为基质吸力，kPa；w为滤纸的含水率。

3.3 试验内容

按《土工试验方法标准》要求，根据室内轻型击实试验，得到高液限红粘土的最佳含水量wop为20.6%，最大干密度ρdmax为1.6 g/cm3。试验中，试样初始含水率均设为26.1%；设计初始干密度分别为1.36，1.44，1.50 g/cm3三组密度状态；温度分别控制为16，26，36 ℃三组温度状态。

3.4 测试过程

室内滤纸法量测基质吸力的试验主要分为试样制备和取样测试两个步骤。

3.4.1 试样制备

按《土工试验规程》要求，首先将高液限红粘土风干、振捣，并使用2 mm的分样筛进行筛选，将最终筛选得到的样本支撑水含量为26.1%左右的土料。再采用控制干密度的三轴制样法，将高液限红粘土土样由初始含水率为26.1%的土料分别压实至1.36，1.44，1.50 g/cm3(试样均为Φ61.8mm×42mm的圆柱形试样，按重量等分为两份逐个压实操作)；此外，分别将其进行风干、脱水以及密封等多项工艺，为了得到不同的基质吸力值，控制其湿度情况；然后，在经过湿度控制后的试样基于水平放置的形式与干滤纸进行可靠接触(设计滤纸一共分为三层，中检测是测试层，通常半径为2.5cm；而其他两层则主要用于防护作用，一般半径在3cm左右。)滤纸放置好后用绝缘胶牢牢固定接缝位置，并用保鲜袋对整个试样进行彻底包覆，随后将其放置于大规格的密封罐内再次使用绝缘胶带等进行可靠密封处理；最后，将制作完成的各个试样分别置于温度可控的恒温箱内静置10d。

3.4.2 取样测试

待静置一段时间后，对各个试样中的滤纸以及图样的含水量情况进行测试。在对土样进行测量时应当注意选择整个土样的中心位置，而对滤纸进行测试时，则需要依照下述相关步骤进行：首先，在短时间内确定冷铝盒以及冷铝盒含湿滤纸的重量情况，从而计算得到湿滤纸当前的重量；其次，将冷铝盒含湿滤纸放置于烘箱内恒温烘烤24h，温度控制在105 ℃即可，且整个过程中务必保持铝盒盖处于半开状态；接着，将烘箱打开并盖上铝盒盖，静置3min，随后去除冷铝盒含干滤纸使用铝棒进行充分冷却30s，此时快速称取冷铝盒含干滤纸以及热铝盒的重量情况，最后得到该情况下的干滤纸的重量，依据所得到的相关数据对滤纸的含水情况进行有效计算即可。

4 结果分析

4.1 基质吸力与干密度的关系

通常认为，对同一含水率的压实土而言，其基质吸力不随干密度的变化而变化。而本次试验证明，这一结论并不是严格成立的。据试验结果可得出基质吸力与干密度的关系曲线，见图1。

图1 红粘土基质吸力与干密度关系

由图1可知，相同初始含水率和温度(26 ℃)的情况下，基质吸力随干密度的增大有减小的趋势。当含水率w≤28.5%时，这一变化规律特别明显；当含水率w>28.5%时，基质吸力随干密度增大而减小的趋势减缓。这进一步说明基质吸力在含水率较低时对密度状态的变化较敏感，而在含水率较高时对密度状态的变化不敏感。

从图1可看出非饱和红粘土基质吸力与干密度的关系基本上符合线性关系，利用一次函数来拟合。由一次函数来拟合，不难发现干密度和基质吸力之间存在一定的关联，均高于0.92，这也切实反映了基质吸力与干密度之间较为可靠的关联度。学者刘小文等(2009)曾对南方红土以及汪东林等(2009)对重塑粘土的基质吸力实验也都得到了类似的结论，可见本文所得结论具有一定的实用性。

4.2 基质吸力与温度的关系

据试验结果可得出3种密度状态、6种含水率状态下基质吸力与温度的关系曲线，见图2～图4。

图2 干密度为1.36 g/cm3时基质吸力与温度关系

图3 干密度为1.44 g/cm3时基质吸力与温度关系

图4 干密度为1.50 g/cm3时基质吸力与温度关系

从图2～图4可看出，非饱和红粘土基质吸力具有随温度升高而减小的趋势，3种干密度与6种含水率下回归分析基质吸力随温度的变化。

据图2～图4与实验数据分析结果，温度与基质吸力的相关性非常高，均在0.99以上，表明在常温下红粘土的基质吸力随温度升高逐渐减小；在同一干密度下，从斜率大小可看出，含水率越低，温度对基质吸力的影响就越大。当含水率w<28.5%时，这一变化规律较明显；当w≥28.5%时，基质吸力随温度升高而减小的趋势减缓。该试验结果与汪建峰等人(2010)的研究成果极其相似，可见本文所得结论具有一定的实用性。

5 结论

(1)选择室内滤纸的测量方式可以较为可靠地实现针对非饱和红黏土的基质吸力的测量。整个过程操作相对简单，可用于多种场合，但要求操作人员具备一定的职业素养，对操作环境也有一定的要求。在实际实验测量期间，应当对滤纸法测量土体的含水量等范围进行明确。

(2)相同初始含水率和温度下，基质吸力对干密度的变化较敏感，随着干密度的增加，基质吸力具有逐渐减小的趋势。当含水率w≤28.5%时，这一变化规律特别明显；当含水率w>28.5%时，基质吸力随干密度增大而减小的趋势减缓。

(3)在常温下红粘土的基质吸力随温度升高逐渐减小；在同一干密度下，含水率越低，温度对基质吸力的影响就越大。当含水率w<28.5%时，这一变化规律较明显；当w≥28.5%时，基质吸力随温度升高而减小的趋势减缓。