晋南非饱和土土水特征曲线研究

员康锋

（山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032）

非饱和土是指土孔隙由水和空气填充，即饱和度小于100%但大于0%的土，土水特征曲线描述了基质吸力与体积含水率的关系曲线。其在非饱和土力学的应用中发挥着重要的作用，比如根据土水特征曲线，只需要测量土的含水率即可查得相应的基质吸力，土水特征曲线研究一直是非饱和土力学领域的一个重要课题，许多学者对此进行了大量的研究，并取得了不少有意义的研究成果。吴国雄[1]等认为土水特征曲线对考虑非饱和特性的土质边坡安全系数影响较大。詹良通[2]认为非饱和膨胀土在等吸力剪切过程中土体发生剪缩。从事非饱和土的研究就不能不考虑基质吸力作用带来的影响，研究黄土土水特征曲线特性在水及荷载作用下的变化规律有着重要的理论意义和应用价值。

基质吸力为研究非饱和土特性的一个重要参数，基质吸力多用于描述土体雨水入渗的能力，在以往的研究工作中，针对晋南黄土土水特征曲线研究较少[3-8]，本文选取晋南地区某基坑非饱和黄土，进行了非饱和原状黄土与重塑黄土的固结试验，研究了基质吸力与含水率的相关规律，揭示了竖向荷载对土水特征曲线的影响规律。

1 试验用土

试验用土取自晋南地区某探井Q3黄土，土质均匀，天然干密度为1.36 g/cm3。

土样的基本物理性质指标见表1。

表1 晋南某基坑黄土物理性质指标

2 试验方法

试验仪器采用非饱和土固结仪，压力室底座装有高进气值陶土板，控制含水率为8%、10%、12%、14%、16%，分别制备5个原状压缩土样和重塑压缩土样（直径为6.03 cm，高度为2 cm）。采用固结试验，测试土样孔隙水压力及孔隙气压力，计算稳定时基质吸力。

3 试验结果与分析

3.1 竖向荷载对土水特征曲线的影响规律研究

原状黄土与重塑黄土的土水特征曲线与竖向荷载的相关规律，见图1、图2。

图1 原状黄土土水特征曲线

图2 重塑黄土土水特征曲线

由图1、图2可见，对于原状黄土及重塑黄土，随着竖向荷载的增大，土体更加密实均匀，虹吸现象更显著，基质吸力略微增大。

3.2 土水特征曲线变化规律

原状黄土与重塑黄土的土水特征曲线变化规律，详见图3～图6。

图3 荷载为50 kPa的土水特征曲线

图4 荷载为100 kPa的土水特征曲线

图5 荷载为200 kPa的土水特征曲线

图6 荷载为400 kPa的土水特征曲线

由图3～图6可见，相同含水率条件下，重塑黄土基质吸力较大。由于原状黄土具有结构性，水气交界面分布不匀，而重塑黄土颗粒排列均匀，虹吸现象显著，所以基质吸力较大。

3.3 增湿条件下基质吸力变化规律

基质吸力随竖向荷载变化规律见图7、图8。

图7 原状黄土基质吸力与荷载的变化曲线

图8 重塑黄土基质吸力与荷载的变化曲线

根据图7及图8得原状黄土与重塑黄土基质吸力增量随竖向荷载的变化曲线，并拟合成二次函数，相关系数均为0.98以上，相关性较好，其中原状黄土基质吸力增量与荷载的关系式可以表述为：

对该二次函数进行求导，可以算出当p=466 kPa时，Δψ有最大值，为98.9 kPa，存在一个临界值，与实际情况相吻合。

重塑黄土基质吸力增量与荷载的关系式可以表述为：

对该二次函数进行求导，可以算出当p=288.7 kPa时，Δψ有最大值，为95.5 kPa，存在一个临界值，与实际情况相吻合。

由于原状黄土具有结构性，在较大竖向荷载下土体才被压实得更均匀，基质吸力增量才会达到最大值。

4 结论

a）对于原状黄土及重塑黄土，随着竖向荷载的增大，土体更加密实均匀，虹吸现象更显著，基质吸力略微增大。

b）原状黄土与重塑黄土基质吸力增量并不会随着荷载的增大而呈无限增大，而是存在一个临界值，与实际情况相吻合；且由于原状黄土具有结构性，在较大竖向荷载下土体才被压实得更均匀，基质吸力增量才会达到最大值。