西安张家铺地区黄土土—水特征研究★

褚 峰

(西安工程大学城市规划与市政工程学院，陕西 西安 710048)

1 概述

黄土属于典型非饱和土，土水特征曲线可直观反映湿度与基质吸力的关系。为确定土—水特征曲线的数学表达式，W.C.Visser[1],R.H.Brooks,A.T.Corey[2]及M.Th.Van Genuchten[3]等先后利用不同地区的人工扰动黄土研究其土水特征，同时对其影响因素进行了讨论[4-9]。

本文利用西安张家铺地区原状非饱和黄土进行试验，并揭示出非饱和黄土基质吸力的影响因素，并拟合出考虑天然干密度、含水量的原状黄土的土—水特征曲线。

2 试验用土的物理力学性质

试验用土取自西安市北郊张家铺地区，取土深度为地表以下3 m处。由于历史自然原因，形成了大致三种干密度，分别为1.37 g/cm3，1.42 g/cm3，1.47 g/cm3。黄土物性指标如表1所示。

3 检测设备及测试方案

3.1 检测设备

设备利用常州永昌仪器公司生产的非饱和土压缩仪，仪器利用轴平移技术来量测试样的基质吸力。

3.2 试验步骤及试验方法

在试验前先将陶土板进行饱和，陶土板饱和完成后，让水流过陶土板下面的螺旋槽冲洗20 s，目的是为了冲走饱和陶土板时板下积聚的气泡。陶土板与试样必须接触紧密，滤纸须保持与试样一致的含水量。测试中根据试样的含水量来确定需要施加气压力的具体数值，即利用所谓的轴平移技术量测试样的原始基质吸力。原始基质吸力稳定后，加载轴向压力，轴向压力加压级别为12.5 kPa，25 kPa，50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa，1 600 kPa。试验采用双重的稳定标准：1)孔隙水压力的稳定标准为1 h内孔隙水压力数值保持不变；2)竖向压缩变形的稳定标准为1 h内竖向压缩变形量不超过0.01 mm。

4 试验结果与分析

4.1 天然干密度对土—水特征曲线的影响

按照以上的试验方案分别得到了三种天然黄土的基质吸力，如表2所示。绘制三种天然原状非饱和黄土的土—水特征曲线，如图1所示。从图1中可以看出，在三种不同的天然干密度下试样的初始基质吸力均随着含水量的增大而减小；当含水量较低或基质吸力较大时，曲线比较平缓，而当含水量较高或基质吸力较小时，曲线比较陡峭，较大干密度时曲线均在较小干密度时曲线的上方。同时，在不同的含水量条件下，试样的初始基质吸力又随着试样天然干密度的增大而增大，同一含水量不同干密度下试样的初始基质吸力的差值在较低的含水量下相差较大，而在较高的含水量下相差较小，即差值随着含水量的增大而逐渐减小。笔者认为基质吸力受干密度的影响很大，黄土密实度大，其空隙通道则较为狭窄，即空隙半径变小，根据如下的基质吸力数学表达式[10]。

S=Ua-Uw=2T/r

(1)

其中，S为土样的基质吸力;Ua为试样孔隙气压力;Uw为试样孔隙水压力;T为表面张力;r为土样孔隙半径。

可见，土样孔隙比越小，其基质吸力就越大。对于天然黄土，密实度对其基质吸力状态影响显著。

表2 土样初始基质吸力测试结果

4.2 竖向荷载对土—水特征曲线的影响

根据试验数据整理出不同天然干密度下试样在不同竖向荷载作用下的土—水特征曲线，如图2～图4所示。从图2～图4中可以看出，土样在竖向荷载作用下，其所对应的土—水特征曲线发生了变化。其中，土样在较低的竖向荷载作用下(0 kPa，12.5 kPa，25 kPa，50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa)，土—水特征曲线受其影响较小，可以认为是试验误差所致，而土样在较高的竖向荷载作用下(800 kPa，1 600 kPa)，对土—水特征曲线的影响就比较大了，特别是在基质吸力较小或含水量较高时，曲线下降的速度要比在较低荷载作用下时快，天然干密度较低时(ρd=1.37 g/cm3)这种现象尤为明显，在这里就不能简单的归结为试验误差的影响了。笔者认为造成此现象的原因是：原状土在较低的竖向荷载作用下，其自身的结构性没有被破坏，土体内部的孔隙排列与竖向荷载施加前相比没有发生太大的变化，所以土—水特征曲线的形状基本保持不变；而在较大的竖向荷载作用下，原状土自身的结构性被破坏，土体内部的孔隙结构由于受到竖向荷载的作用而进行了重新排列，形成了新的次生结构，从而导致其孔隙比和干密度与竖向荷载施加前相比发生了较为显著的变化，因此，对土—水特征曲线造成了较大的影响。

5 土—水特征曲线的函数拟合

根据试验结果绘出不同天然干密度下原状非饱和黄土的土—水特征曲线。对不同天然干密度条件下的三条土—水特征曲线分别进行函数拟合，通过拟合的结果可以发现三条土—水特征曲线都可以用幂函数式(2)进行拟合：

w=aS-b

(2)

其中，w为试样含水量；S为基质吸力；a，b均为试验相关参数。

对于天然干密度分别为1.37 g/cm3，1.42 g/cm3，1.47 g/cm3的试样的土—水特征曲线，拟合结果中试验参数a的取值分别为0.597 1，0.601 6，0.598 7，可以近似地认为a值不变，取其平均值，即0.599,从而式(2)可转化为式(3)：

w=0.599S-b

(3)

为了进一步完善拟合表达式在以上拟合的基础上考虑天然干密度ρd对土—水特征曲线的影响，试验参数b值和试样天然干密度ρd可以用式(4)来拟合：

b=cρd+d

(4)

其中，b，c,d均为试验相关参数；ρd为试样的天然干密度。

对于西安地区原状非饱和黄土，试验参数c,d的取值分别为-0.129和0.425 8。试验参数b与试样的天然干密度ρd有着很好的线性关系，其二者拟合图形见图5。

最后，将式(4)代入式(3)，可以得到考虑试样天然干密度ρd和试样含水量w的西安地区原状非饱和黄土的土—水特征曲线表达式，如下：

w=0.599S(0.129ρd-0.425 8)

(5)

其中，w为试样的含水量;S为试样的基质吸力;ρd为试样的天然干密度。

由式(5)拟合出的不同天然干密度条件下的土—水特征曲线结果见图6～图8，与先前试验中实测的土—水特征曲线相对比可以看出，通过函数计算的拟合值与实测值有着较好的匹配度，证明了函数表达式的合理性。

6 结语

目前，对土—水特征曲线的研究主要集中在人工重塑土上，而利用天然原状土进行研究的文献还不多见，为了最大限度地模拟实际工况，突出天然原状土的重要性，室外采取若干密实度状态下的张家铺天然黄土进行测试，有以下认识：

1)土体干密度对天然黄土基质吸力影响显著，同一含水量不同干密度条件下试样的初始基质吸力的差值随着试样含水量的增大而逐渐减小。

2)竖向荷载对原状非饱和黄土的土—水特征曲线有一定的影响，在较低的竖向荷载作用时影响较小，在较高的竖向荷载作用时影响较大。而不能将这种影响归结为试验误差。

3)根据具体试验结果，拟合出了能够反映天然干密度、基质吸力和含水量3个变量的原状非饱和黄土土—水特征曲线，通过计算值与试验实测值进行了对比，验证了拟合土—水特征曲线的合理性。