黏性土土水特征曲线基本参数的确定

孙德安, 张 舟, 高 游, 陈 波

(1.上海大学土木工程系,上海200444;2.衢州学院建筑工程学院,浙江衢州324000)

土水特征曲线可以表示吸力与含水率或饱和度之间的关系,表明土体持水能力的大小,是非饱和土工程性质中的重要特性[1-3].土水特征曲线的准确量测是预测非饱和土强度、渗透性以及本构关系的基础.在非饱和土渗透性的预测中,应用较广泛的非饱和渗透系数模型中含有有效饱和度Se=(Sr−Sre)/(1−Sre),其中Sr为饱和度,Sre为残余饱和度[4].Kim等[5]利用有效饱和度Se代替非饱和强度预测公式中的饱和度,指出残余点取值对非饱和土强度增强项预测的结果影响较大.此外,很多本构模型涉及到进气值等基本参数.因此,准确确定土水特征曲线进气值和残余点对非饱和土的研究具有重要的意义.

目前,试样的进气值和残余点主要是通过饱和度与吸力的关系来确定.在非饱和土土水特性试验的过程中,准确量测试样的体积变化是关键,特别是在吸力施加过程中体积变化较大的土体.文献[6-7]中给出了第三层上海软土的土水特征曲线,其中以含水率与吸力关系整理得到的持水特性几乎相似,但是以饱和度整理,则存在较大的差异,如图1所示.可能原因是文献[7]中未能准确量测非饱和化过程中体积的变化,导致曲线下降较快,确定的进气值偏低.

图1 上海软土原状样的土水特征曲线Fig.1 SWCC of undisturbed Shanghai soft clay

本工作选取上海某基坑原状软土为研究对象,利用压力板法(0∼1.5 MPa)与饱和盐溶液法(3.29∼367.54 MPa)研究上海软土在广吸力范围内的土水特性.首先,综合文献和本工作数据,详细分析了上海原状土的吸力与含水率、吸力与饱和度关系;然后,基于上海软土的变形特性提出了如何准确利用吸力与含水率关系确定进气值和残余点的方法,此法可以避开因试样体积不准确的量测而影响其进气值和残余点准确确定的问题;最后,利用本工作的实测数据和已有文献的试验数据验证此法的可行性.

1 试验概况

试验土样为上海某基坑的淤泥质黏土,取土深度约为9∼11 m.相对密度为2.72.图2(a)是利用激光粒度分析仪测得的上海软土的颗粒级配曲线.从图可知,黏粒成分(<5µm)约占22%.原状样的含水率大致为45%∼50%,孔隙比大致为1.23∼1.33.

图2(b)为由压缩试验所测得的饱和上海软土的压缩曲线,加荷等级为6∼1 600 kPa.由图可知,压缩指数Cc约为0.408,回弹指数Ce约为0.062.由Cassagrande提出的经验作图法可知,前期固结压力pc约为100 kPa.

图2 上海软土的颗粒级配曲线和压缩曲线Fig.2 Grading curve and compression curve of Shanghai soft clay

压力板法使用的仪器为美国GCTS公司生产的SWCC-150土水特征压力仪.采用压力板法获得土样吸力为0∼1.5 MPa的土水特征曲线.对于压力板法所用的环刀试样,先用钢丝锯切取稍大于环刀的土块,环刀内壁涂抹凡士林,刃口向下放在土块上,垂直下压,并用钢丝锯沿环刀外侧切削土样,整平环刀两端土样.

采用饱和盐溶液蒸汽平衡法获得吸力为3.29∼367.54 MPa的土水特征曲线.将制备好的环刀样抽气饱和后切成小块,放入底部装有过饱和盐溶液的保湿缸中,并放置于上方,进行脱湿平衡试验;每个环刀试样平均切成8小块,每种溶液上方放置两小块饱和样,一块用于测量吸力平衡后的含水率,另一块根据阿基米德原理测量其体积.对进行吸湿平衡试验的小块土样,先烘干,再放入保湿缸中蒸汽平衡.此外,饱和蒸汽盐溶液蒸汽平衡法中对温度的控制要求比较高,即在试验过程中需要保证环境温度相对恒定.试验中所用的饱和盐溶液相对湿度(relative humidity,RH)和对应的吸力值[8],如表1所示.

表1 饱和盐溶液及其对应的吸力值(20◦C)Table 1 Saturated salt solution and corresponding suctions(20◦C)

2 结果分析

图3是利用两种试验方法测得的广吸力范围内上海软土的土水特征曲线.从图中可以看出,两种试验方法在吸力相近时测得的土水特征曲线具有较好的一致性,表明两种方法结合后能够较好地测定广吸力范围内的上海软土土水特征曲线.

目前,土样的进气值和残余吸力值一般利用吸力与饱和度关系图中的边界区、过渡区和残余区切线的交点来确定.如从图3(b)可得到上海软土的进气值sae和残余吸力值ϕre分别约为580 kPa(与文献[6]的结果基本吻合)和13.8 MPa.但也有部分学者利用吸力与含水率的关系图来确定进气值,且图中边界区的直线往往用水平线或简单的一段直线来表示.这种方法对于非饱和化过程中变形较大的土体,确定的进气值和残余吸力值会存在较大的误差.如图3(a)中,a点的吸力值约为120 kPa,与采用饱和度与吸力关系确定的进气值580 kPa相差甚远;图3(a)中b点的吸力值约为20 MPa,与用饱和度与吸力关系确定的残余吸力值13.8 MPa相差较大.因此,Pasha等[9]讨论了不同应力状态下进气值的确定方法.另外,对于变形较大的土体,随着吸力的增大,体积会产生明显的收缩.因此,准确量测试样体积是准确确定土水特征曲线基本参数的关键.对比不同文献中的数据可知,对于同一土样,分别确定的进气值相差较大(见图1).

图3 广吸力范围内上海软土原状样土水特征曲线Fig.3 SWCC of undisturbed Shanghai soft clay in wide suction range

3 吸力与含水率关系确定进气值和残余点

对于进气值较大且在非饱和过程中变形较大的土体,如本工作中的上海黏土(进气值为580 kPa),若在土水特性试验中施加在试样上的吸力小于进气值时(即试样处于饱和状态),所施加的吸力等效于压缩试验中所施加的压力,此时体积的变化量即为试样排出水的体积量.因此,在土水特性试验中,可将土水特征曲线分为3个阶段:①当吸力小于试样的前期固结压力(ssae时,土体变成非饱和状态.因此,可将吸力与含水率关系图中边界区的曲线分为第一阶段直线和第二阶段直线,两直线的交点即为前期固结压力pc,其进气值可由含水率与吸力关系图中的第二阶段直线和第三阶段(即过渡区)直线交点确定.

若施加的吸力小于进气值,土体几乎处于饱和状态,施加的吸力等同于各向等压应力(即s=p)施加在土样上,此过程类似饱和土的等向压缩过程,此时排出水的体积量即为土体体积的变化量.饱和土的饱和度Sr=100%,根据e=Gsw/Sr可知

式中:Gs为土颗粒比重;∆e为孔隙比的变化量;∆w为重量含水率的变化量.

当s

式中:Ce为回弹指数,如图2(b)中圧缩曲线中回弹段的斜率;p为施加于土样的等向应力,即施加的吸力s.

将式(2)代入式(1),可得

当吸力小于进气值时,土体处于饱和状态,所施加的吸力s等同于等向应力p施加在土样上.故吸力与含水率关系图中第一阶段直线的斜率为

同理可知,当pc

式中,Cc为压缩指数,如图2(b)中压缩曲线正常固结段的斜率.

因此,吸力与含水率关系图中第一阶段和第二阶段直线的斜率分别为Ce/Gs和Cc/Gs,再由第二阶段直线和第三阶段直线的交点可较准确地确定吸力与含水率关系图中的进气值.利用单一直线方法,如图3(a)所示,与本节的方法确定进气值相比,其过渡区的直线斜率会发生变化,因此残余吸力值的准确确定也会随之受影响.

图4为考虑上海软土的变形特性时由吸力与含水率关系所确定的进气值.由图可知,边界区有两段斜率不同的直线,可确定其进气值和残余吸力值分别约为600 kPa和13 MPa.这与利用吸力与饱和度关系(图3(b))所确定的进气值580 kPa和残余吸力值13.8 MPa基本吻合.

图4广吸力范围内上海软土进气值和残余点的确定Fig.4 Determinations of air entry value and residual point for Shanghai soft clay in wide suction range

图5 为等向压缩试验测得的预固结泥浆黏土样的压缩曲线,其中试验数据见文献[10].由图可知,压缩指数Cc约为0.099,回弹指数Ce约为0.016,前期固结压力pc约为130 kPa.此外,预固结泥浆黏土样的相对密度为2.72,液限28%,塑限18%[10].

图5预固结黏土的压缩曲线Fig.5 Compression curve of reconstituted clay

图6 为由吸力与含水率的关系图所确定预固结泥浆黏土样的进气值与残余点,以及利用饱和度与吸力所确定的进气值与残余点的关系图,其中实测数据见文献[10].由图6(a)可知,利用含水率与吸力关系图确定的进气值和残余吸力值分别约为420 kPa和38 MPa,与利用吸力与饱和度关系图(图6(b))所确定的进气值约为430 kPa和残余吸力值38.4 MPa基本吻合.

图6预固结黏土进气值和残余点的确定Fig.6 Determination of air entry value and residual point for reconstituted clay

图7 为泥浆黏土样的压缩曲线,其中试验数据见文献[11].由图可知,其压缩指数Cc约为0.449,回弹指数Ce约为0.088,前期固结压力pc约为10 kPa.此外,泥浆样黏土的相对密度为2.60,液限60%,塑限30%[11].

图8为由吸力与含水率关系确定泥浆黏土样的进气值与残余点,以及用饱和度与吸力关系确定的进气值与残余点,其中实测数据见文献[11].由图8(a)可知,由含水率与吸力关系确定的进气值和残余吸力值分别约为1 660 kPa和14.5 MPa,这与用吸力与饱和度关系所确定的进气值1 570 kPa和残余吸力值14.9 MPa基本吻合,表明了本工作中方法的可行性.

4 结束语

本工作利用压力板法和饱和盐溶液蒸汽平衡法研究了上海软土广吸力范围内原状样的持水特性,得到以下结论.

图7 泥浆样黏土的压缩曲线[11]Fig.7 Compression curve of slurry clay[11]

图8 泥浆样黏土进气值和残余点的确定Fig.8 Determinations of air entry value and residual point for slurry clay

(1)利用吸力与饱和度关系可确定土样的进气值约为580 kPa,残余吸力值约为13.8 MPa.若边界区采用水平线或简单的一段直线来表示,利用吸力与含水率关系确定其进气值和残余吸力值分别为110 kPa和20 MPa,与实际值相差较大,主要是未考虑土体变形,即边界区不能简单利用一条直线来确定.

(2)若在边界区结合压缩曲线的变形特性,将边界区分为两个区域和两端直线段来确定进气值和残余点,其值与实测值基本吻合.此方法简单方便,特别对于非饱和化过程中体积变化大的土体并且体变难以量测的情况,可以准确地确定进气值和残余点.