高原湖相沉积粉砂土土水特性

刘 欢，朱孟龙，蒋 锐，聂广影，张庆文

（西南林业大学 土木工程学院，云南 昆明 650224）

1 研究背景

昆明地处云贵高原地区，在滇池流域一带的工程建设中，存在着大量的高原湖相沉积粉砂土。由于其独特的地貌与气候环境，有着其独特的土颗粒分布和结构特点。颗粒分布不太均匀，黏粒含量低，一般情况下不超过10%；其细颗粒含量较少，孔隙率高，毛细作用比较剧烈。由于以上特点，其持水能力较弱，土体结构遇水后极易破坏，工程性能差，如果在工程中处理不当，将引起滑塌、滑坡和路基不均匀沉降等事故。岷江流域一带地处成都平原，也有大量的粉砂土存在，为冲刷沉积形成，与昆明高原湖相沉积粉砂土有相似的成因，其非饱和性质具有一定的相似性，所以对两种粉砂土进行对比研究，来分析高原湖相沉积粉砂土的土水特征曲线的变化规律。

目前，土力学中的强度理论大部分是将处于非饱和状态的土以饱和土的强度理论来计算，而对于实际工程中来说，大部分高原湖相沉积粉砂土处于非饱和状态，基质吸力的存在对其强度和变形具有很大的影响，因此研究高原湖相沉积粉砂土的土水特性对实际工程具有重要意义。土壤中的基质吸力反映了土壤在非饱和状态下土的水气迁移规律，它在非饱和土工程性质的研究中具有重要作用［1］，它和含水量之间的关系可以用土水特征曲线（soil-water characteristics curve）来表示，土水特征曲线是用来描述土的持水能力随吸力状态变化的规律曲线，是了解非饱和土持水特征与其他性能指标（如强度、非饱和渗透系数等）的重要途径［2-6］。测量土壤土水特征曲线的方法有许多，具有代表性的试验方法有以下几种，体积压力板法、盐溶液法、Temp仪法、滤纸法、Dew-point电位计法、TOR吸力量测法、四维GDS应力路径法等［2］。随着非饱和土研究的发展，基质吸力的测试方法和技术也随之发展与更新。李京爽等［7］改进了离心模型中微型传感器，可以测量离心模型中非饱和土中的基质吸力。张秋汝等［8］发现对于非线性非饱和水流问题，利用数据同化技术，同时更新水头和参数对预测土壤中水运动能取得更好的效果。淘高粱等［9］利用流体力学理论，结合毛细理论建立了饱和/非饱和渗透系数与土-水特征曲线关系模型，从微观角度揭示土体变形对饱和/非饱和渗透系数的影响机理，建立了相应的预测方法。周跃峰等［10］对新疆某引水渠道边坡的黄土填料进行土水特征曲线试验，应用分形方法对其进行分析，发现已知不同应力水平下的孔隙率时，可较为合理的从一个应力水平下的土水特征曲线推求其他应力水平下的土水特征曲线。

苗强强等［11］利用非饱和四联固结仪和三轴仪对不同应力状态下的土水特征曲线进行了研究，得到了其在不同应力状态下的变化规律和影响因素；田湖南［12］等针对细颗粒占比不同的砂土，通过压力板仪，基于轴平移技术研究其土水特性，结果显示，非饱和砂土的持水能力随着细颗粒含量的变化也随着变化，总趋势表现为细颗粒含量越高持水能力越强；李宣［13］等通过直接剪切试验，对砂土和粉土的持水特性和强度特性进行了研究，结果显示，正应力相同时，随着饱和度的增大，砂土和粉土的内摩擦角几乎不变，抗剪强度呈先增大后减小的变化；冯晓腊等［14］针对非饱和砂土，进行了不同黏粒含量的土水特性试验，得到其土水特征曲线，利用非饱和四联直剪仪，进行了抗剪强度测试实验，研究表明它的抗剪强度随着基质吸力的增加，会呈现逐渐增大的趋势；陈宸［15］等研究了不同温度下，粉砂土的基质吸力测定试验，发现温度会对其水汽迁移规律产生影响，砂土的基质吸力随着温度升高而减弱。许多学者还利用土水特征曲线来预测非饱和土的体变、渗流和强度等工程特性［16-19］。以上文献表明，对高原湖相沉积粉砂土的土水特征曲线试验研究较少。

本文试验采用滤纸法，开展不同含水率下云南昆明湖相沉积粉砂土和成都平原粉砂土的吸力试验，得到两种粉砂土的土-水特征曲线，基于 Gardner（1958）［20］、Van Genchten（1980）［21］等幂函数模型，运用Origin软件进行非线性函数拟合，对比分析两种粉砂土含水率和基质吸力的关系，来研究高原湖相沉积粉砂土的土水特征曲线的变化规律。

2 试验准备与方案

2.1 试验材料 本次试验所用的材料取自昆明滇池区域和成都平原岷江地区粉砂土。试验所用土样过2 mm的筛，取细粒部分用于试验，通过室内基本土工试验对材料进行分析，获得试验用土的基本物性参数见表1，获得土壤颗粒级配曲线见图1。

表1 试验所用粉砂土的颗粒组成

图1 土样颗粒级配曲线

2.2 滤纸率定曲线 不同型号的滤纸，率定曲线各不相同，本文采用国产“双圈”牌NO.203型滤纸，这种型号的滤纸通过王钊［22］、白福青［23］、朱赞成［24］、唐栋［25］等的研究，确定了其在常温下的滤纸曲线率定方程见式（1）和式（2）。其中式（1）为总吸力的率定公式，式（2）为基质吸力的率定公式。

式中：ht为总吸力，kPa；hm为基质吸力，kPa；wfp为滤纸含水率，%。

2.3 试验方案与步骤 采用滤纸法进行两种粉质砂土的土—水特征曲线测定，具体步骤如下：

（1）将过2 mm筛后的土样烘干，进行土样配置，密封放置24 h。

（2）从保鲜袋内称取一定质量的散土，装入制土模具内，控制干密度为1.60 g·cm-3，通过千斤顶将土样静力压实为6.18 cm×2 cm的土样，过程如图2所示。

图2 试样制作

（3）试验前将滤纸放入烘箱，设置温度为105±5℃，烘烤24 h后取出，放入装有干燥剂的玻璃罐，如图3所示。

图3 滤纸准备

（4）每个测试组由两个土样组成，放置三张滤纸在土样中间，用于测试基质吸力，放置另外2张滤纸于土样上方，用于测试总吸力，试样示意图如图4所示。

图4 滤纸法试验示意图（ua1为滤纸基质吸力，ua2为土样基质吸力）

（5）将装备好的土样放入密封罐，依次放入支撑管和滤纸，封盖，然后将16组土样放入恒温箱，设定温度为25℃，在经过14天之后取出，测试过程见图5（a）。

（6）打开密封罐，把滤纸放入铝盒称重，然后将铝盒烘烤24h。同时用小刀挖取与接触法滤纸紧挨着的土，放入铝盒中进行称重，放入烘箱烘烤12h后取出，用电子称分别称量“铝盒+干滤纸”和“铝盒+干土”的重量，计算其含水率，如图5（b）所示。

（7）按照以上步骤，进行重复试验。

图5 吸力测试

3 试验结果及分析

3.1 试验结果 每组试验历时约为15 d，共用时约1个月，分别测得两种土的总吸力和基质吸力，利用上述率定方程计算得到试验土样的基质吸力和总吸力，试验结果如图6所示。

由图6可以看出，两种粉砂土的总吸力和基质吸力随着土样含水率的减小逐渐增大，随着含水率的增加总吸力降低速率也逐渐趋于平缓，与其基质吸力曲线不相交，总吸力的值大于基质吸力。当含水率较低时，总吸力的变化较为迅速，随着含水率的降低，总吸力值迅速增大。可以发现，当总吸力值相同时，成都平原粉砂土的含水率总是高于高原湖湘沉积粉砂土，说明成都平原粉砂土的持水性能优于高原湖湘沉积粉砂土。

进一步对基质吸力的试验结果进行分析，分别用Gardner（1958）模型和Van Genuchten（1980）模型对数据进行拟合，对结果进行对比分析。Gardner（1958）模型为三参数模型，拟合的土水特征曲线在半对数坐标下呈现“S”型，其表达式如下：

Van Genuchten（1980）为四参数模型，其基质吸力与含水率之间的关系式以幂函数的形式来表达，其数学表达式为：

式中：θ为体积含水率；θr为残余含水率；s为基质吸力；θs为饱和含水率；α、q、n为试验拟合参数。

根据上述两种模型拟合SWCC试验数据，拟合结果显示于图7，拟合相关系数在表2中给出。拟合结果显示，两种模型均能较好的拟合两种土的SWCC曲线。

图7 基质吸力拟合曲线

由图6和图7可知，两组试验测得数据略有区别，但总体趋势及变化范围基本相同。且由图中可以看出两种粉砂土基质吸力的变化趋势大体一致的，基质吸力与其体积含水率呈现出反比关系，当达到拐点后，曲线的变化开始平缓，直至基质吸力趋近于0。两种粉砂土之间的变化存在差异，以试验组1来说明，成都平原粉砂土体积含水率为19.5%，基质吸力为310.2 kPa，当含水率增加至22.8%时，基质吸力减少到23.96 kPa，当含水率大于22%时，变化趋于平缓，含水率接近25%时，基质吸力趋近于0。高原湖相沉积粉砂土体积含水率为15%时，基质吸力为380.63 kPa，含水率增加到20%时，基质吸力迅速降低为3.502 kPa，大于20%时，基质吸力的变化开始趋于平缓，而当体积含水率为21%左右时，基质吸力趋近于0。

通过观察两种粉砂土的基质吸力的变化，发现两者的持水能力均较差，但两者比较，高原湖相沉积粉砂土随着基质吸力变大，脱水速率较成都平原粉砂土快，且相应的体积含水率较成都平原粉砂土小，说明高原湖相沉积粉砂土的持水能力更差。分析其原因主要有两方面：一方面高原湖相沉积粉砂土的黏粒含量低于成都平原粉砂土，其黏粒含量为2.1%，土中黏粒较少，亲水性弱，水化作用较弱，结合水含量也就少；另一方面其细粒含量较成都粉砂土少，密实度不够，在压缩过程容易发生破坏，改变孔隙结构，使得持水性减弱，且土颗粒大小不均匀，分选差，使得其孔隙直径增大，脱水速率变大。

表2 数学模型拟合结果

表2为Gardner和Van Genuchten模型对两种土壤的拟合对比结果，拟合的结果显示，两种土壤的拟合曲线趋势一致。两种模型均能较好的拟合其土水特征曲线，但从精度来说，对于试验组1，Gardner模型对两种土的拟合值与实测值相关系数平方分别为0.97993和0.98317，Van Genuchten模型对两种土的拟合值与实测值分别为0.98020和0.98279；对于试验组2，Gardner模型对两种土的拟合值与实测值相关系数平方分别为0.97471和0.98470，Van Genuchten模型对两种土的拟合值与实测值分别为0.97803和0.98476。两组试验拟合结果显示，两种模型的拟合结果相差不大，四参数的Van Genuchten模型来说，模型比较复杂，因此可以采用的三参数的Gardner模型对这类型的土进行拟合。

3.2 对比分析 为了更好的对高原湖相沉积粉砂土的土水特性进行分析，分别选取了陈高峰［26］（文献［1］）和周葆春［27］（文献［2］）文献中的成果，两种土的颗粒组成见表3。

表3 对比文献土的颗粒组成

由表3可以看出，文献［1］中土砂砾含量少于高原湖湘沉积粉砂土，而其黏粒和粉粒含量大于高原湖湘沉积粉砂土；而文献［2］中的砂粒含量最少，黏粒和粉粒含量较高。利用本文的两种模型对其进行拟合，得到其土水特征曲线见图8和图9。

图8 文献［1］基质吸力拟合曲线

图9 文献［2］基质吸力拟合曲线

从图8和图9可以看出，陈高峰［26］和周葆春［27］得到的土水特征曲线，与本文有相同点也有区别。首先，得到的基质吸力曲线的变化趋势与本文的研究类似，基质吸力随着含水率的增大而减小，当达到拐点后开始趋于平缓，直至趋近于0；其次基质吸力的拐点的位置及曲线走势的变化程度不同，可以发现高原湖相沉积粉砂土在含水率为21%时，基质吸力开始变为0，成都平原粉砂土为25%，陈高峰［26］和周葆春［27］分别为50.5%和40.2%。对比而言，文献［1］的的含水率较高，说明文献［1］的粉砂质土持水性能较优；文献［2］的数据显示在含水率为30.82%时，其基质吸力为1200 kPa，说明其水稳定性较好；高原湖相沉积粉砂土在含水率较低的情况下，便已达到饱和，其持水能力最差。

4 结论

实际工程中高原湖相沉积粉砂土广泛存在，伴随着其土水特征发生变化，其基质吸力也会发生变化，对实际工程的开展会产生影响。因此开展高原湖相沉积粉砂土土水特征的研究，相关研究结论如下：

（1）采用滤纸法对高原湖相沉积粉砂土土水特征曲线进行测定，并与成都平原粉砂土和其他两种粉砂土进行对比，研究发现高原湖相沉积粉砂土的持水能力较弱，分析其主要原因是其细颗粒含量和黏粒含量少，导致其土水作用弱。

（2）利用滤纸法来确定两种粉砂土的基质吸力，并与引用文献进行对比，发现粉砂土的体积含水率反比于基质吸力对数，几种土壤的土水特征曲线总趋势是一致的，随着含水率的增加，基质吸力开始减少，直至趋近于0，其土水特征曲线的非饱和残余段均不明显。

（3）基于Gardner模型和Van Genucht模型运用Origian软件对两种粉砂土进行拟合，从相关系数和误差来看，两种模型的拟合结果均较好。鉴于Van Genucht模型参数多，较为复杂，所以类似高原湖湘沉积粉砂土，可以采用较为简单的Gardner模型进行拟合。

（4）两组试验存在差值，主要是因为利用滤纸法对非饱和高原湖相沉积粉砂土和成都平原粉砂土的基质吸力进行量测，试验结果易受外部操作环境影响，试验操作难度大。但该方法比较实用，操作要求较为严格，需要对测量土体的含水率范围进行界定。