颗粒级配与压实度对路基土-水特征曲线的影响

刘梦迪，郭 颖，单 炜

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.东北林业大学寒区科学与工程研究院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引 言

在实际工程中，遇到的大多数岩土工况问题在非饱和土的范畴之内[1]。非饱和土由气相(空气)、液相(水分)和固相(土骨架)三相体系组成。东北寒区公路路基土是一种黏聚力大、透水性小、吸水性强、毛细现象显著，有较大可塑性的黏性土。在东北地区，路基地下水位较高，当冬季来临时，地表温度低于地下温度，受温度差的影响，地下水会通过非饱和土带向上运移，进而形成宏观的路基冻胀。非饱和土的基质吸力与含水率的关系常用土-水特征曲线来描述[2]。土-水特征曲线是非饱和土力学中主要的研究内容[3- 4]，也是描述土中水的能量和数量之间的重要的关系曲线[5]。关于土的基质吸力，学者研究发现，非饱和土基质吸力受颗粒级配、矿物成分、孔隙结构、密实程度和土的应力历史等多种因素影响，且这些因素对非饱和土基质吸力的影响机理非常复杂[6-7]。何忠明等[8]对非饱和粗粒土的基质吸力与含水率及级配之间的关系进行的研究发现，残余含水率与级配颗粒大小呈负相关。张鹏程等[9]定量研究了基质吸力与干密度和含水率的关系发现，基质吸力与含水量呈非线性关系，与干密度呈线性关系。王协群等[10]就路基填料的选择对重庆黏土进行基质吸力的探究。熊承仁等[11]探究出基质吸力与干密度的关系在不同的含水量区间具有不同的特点，首次提出孔隙充水结构的概念。

基质吸力的测量方法有直接法和间接法。直接法有张力计法，间接法有滤纸法、压力膜法、离心机法等。张力计是目前最准确测量基质吸力的仪器，但由于量程太小，适用范围受阻。前人在间接方法方面做了大量试验，其准确性得到很好的验证。离心机法具有测量直接、周期时间短，量程大的优点[12]，在林学上应用比较广泛。潘宗俊等[13]采用离心机测出了重塑黄土的土-水特征曲线，进一步得到变重度条件下的基质吸力与含水率的关系曲线。李青峰等[14]采用离心机测量不同盐离子土的土-水特征曲线，并通过曲线反映盐离子对土壤持水及收缩特性的影响。詹良通等[15]采用离心机法测量基质吸力的方法，并和其他测量基质吸力的方法联合进行黄土地基降雨入渗离心模型试验。大量离心机测量土-水特征曲线的方法都是研究盐含量对土壤中基质吸力的影响，对于采用离心机法综合分析不同颗粒级配与压实度路基黏土的基质吸力的研究成果很少。为此，本文基于离心机法，对不同颗粒级配和压实度的土-水特征曲线进行研究，综合分析颗粒级配与压实度对路基黏土的基质吸力的影响，以服务于路基非饱和土的水分运移性评价。

1 离心机法测量黏性土的基质吸力

1.1 离心机法的基本原理

离心机的原理就是把重力场装置转化到离心力场中[13]。在重力场中，h高度的水体是受重力加速度g作用。在离心场中，g的作用由离心加速度rω2代替(r为运转半径，ω为角速度)，根据能量守恒得到以下关系式

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，H为基质吸力；r为离心机半径；ρ为水的密度；n为转速。根据式(4)将H转化为基质吸力值，进而可以计算出基质吸力和转速的对应关系。

本次试验所用离心机为日本生产的CR21GⅢ高速恒温离心机，其量程为0～1 500 kPa，温度控制在25℃，此方法可以很好地绘制出各条件下的土-水特征曲线。试验前，已知转速、时间与基质吸力的对应关系。

1.2 试验用土

本试验用土来自哈尔滨周边的低液限黏土，根据JTGE 40—2007《公路工程土工试验规程》进行基本的物理性质指标的测定，试验用土基本物理性质见表1。

表1 试验用土基本物理性质

1.3 试验方案

按粒径大小制备3种颗粒级配的土试样，即级配1、级配2和级配3。3种级配级配曲线见图1。其中，级配1粒径大于级配2粒径大于级配3粒径。通过人工压实的方法制备85%、90%和95%的3种不同压实度的土试样。为减小误差出现，设立平行试样。

图1 不同颗粒级配

首先，将黏性土放入温度达105℃的烘箱中持续烘干24 h，然后取出试样土进行人工击碎。过2、1、0.5、0.25 mm和0.075 mm的筛孔筛分，小于0.075 mm的细粒黏土采用乙种密度计法进行筛分，然后按照图1不同颗粒级配均匀混合制配试样土。按照上述级配与压实度的要求进行制配试样。

将制配的试样土放入离心机专用的环刀中，抽真空饱和。将饱和后的土样放天平上称重记录数据，用游标卡尺量取土样长度并确定饱和时试样土的重度，然后将饱和的环刀试样放入转子中进行总质量记录。由于压实度不同、颗粒级配不同或人为因素影响，饱和试样的环刀放入转子称量所得的4个转子质量会有差距。为了减少由于非平衡造成的转轴的磨损和偏心对基质吸力的误差，人为加垫片使4个转头及对称2个转头之间质量差控制在1 g之内。按照仪器转数所对应的基质吸力对平衡时间进行设定，每达到1个平衡时间将转子拿出，把脱去的水倒出，用毛巾擦干净，然后称取质量，记录数据。

4个转子称取完后，按上述方法对4个转子质量再进行配平，重复上述操作，得到各基质吸力状态下对应的转子质量。试验结束后，将装土样的环刀从转子中取出，再将试样土从环刀中取出放铝盒中称取质量，接着把盛土铝盒放入烘箱烘干称重，换算得到最后土样中含水质量。通过记录不同基质吸力对应的转子的脱水质量，得到各过程对应的质量含水率。通过质量和体积关系换算得到试样土的容重，随之得到对应的体积含水率，进而得到体积含水率与基质吸力的特征曲线，即重塑黏土的土-水特征曲线。

2 试验结果与分析

2.1 压实度对土-水特征曲线的影响

级配相同的情况下3种压实度土样土-水特征曲线见图2。从图2可知：

图2 不同压实度土样土-水特征曲线

(1)在不同压实度情况下，同种颗粒级配的黏土的基质吸力与体积含水率的曲线形式基本相同。在相同体积含水率条件下，压实度小的土样所对应的基质吸力较小；在相同基质吸力条件下，压实度小的土样含水率较低，此结果与王协群[10]结果一致。当基质吸力在0～100 kPa变化时，黏土的体积含水率从饱和含水率变化至30%～40%，此阶段的体积含水率会随着基质吸力呈直线下降趋势；含水率从饱和降至液限和塑限之间，变化曲线趋于1条斜直线。当基质吸力在100～900 kPa时，黏土的体积含水率会随着基质吸力的增大而缓慢减小，体积含水率大致在塑限范围，并且曲线变化幅度趋于平缓。当基质吸力超过900 kPa以后，黏土的体积含水率逐渐趋于稳定，此时的体积含水率已经低于塑限值，并且变化的幅度趋于1个常数。

(2)黏土中体积含水率的大小会随着基质吸力的增大而减少，即当黏土从饱和到非饱和脱水的过程中，黏土对土中水的毛细力和吸附力越来越强，且在土体开始从饱和状态到非饱和状态转化的初始阶段，土中水的脱水曲线变化很明显，呈骤降趋势，体积含水率受基质吸力的影响很大。当饱和度继续下降即土中水的脱水到达缓慢阶段，此时基质吸力对土中水的影响逐渐降低，并慢慢趋于稳定。而当土中水含量低于塑限时，此时脱水过程达到稳定状态，基质吸力持续增加时，土中的水基本稳定不变，原因是土中的自由水明显减少，相对的结合水含量增多，土对结合水的吸力越来越大，失水就越困难。此试验所测重塑黏土土-水特征曲线与前人研究具有一致性，故对后期考虑基质吸力影响下的水分迁移规律具有一定参考价值。

(3)随着压实度的增大，土的饱和含水率随之减小，这主要的原因在于，当土样的压实度增大时，土样的干密度增大，说明土体中的孔隙减小，土体会更加密实，土体进水进气所需要的气压越高，空气或水进入压实度高的土体所需要的时间更长更困难。在级配一定的情况下，体积含水率相同时，95%压实度的土样有更大的基质吸力，这说明压实度越高时，干密度越大，土样对水的持水能力越强，不容易失水；且当基质吸力越来越大时，压实度越高的土体，残余的体积含水率越大，曲线变化幅度相对较小。对于体积含水率相同的土样，压实度越大时，土样中土的饱和度就越高，受外界如地下水位、干湿循环等自然环境影响就越小。

2.2 颗粒级配对土-水特征曲线的影响

压实度相同的3种颗粒级配土样的土-水特征曲线见图3。从图3可知：

图3 不同颗粒级配土样土-水特征曲线

(1)在不同的颗粒级配情况下，同种压实度下的黏土基质吸力与体积含水率的曲线形式一致。细粒含量多的级配3土样所对应的基质吸力越大，在相同基质吸力的情况下，级配3土样的体积含水率越高，这说明土的颗粒级配对于土体的基质吸力及体积含水率有重要影响。从图3a可以看出，基质吸力为0时，级配3土样的饱和含水率最小，级配1土样最高，并且随着脱水过程的继续，级配3土样的曲线一直在其他级配曲线之上，土样的基质吸力越来越大时，细粒含量多的级配3土样的残余体积含水率高于其他级配土样。这是由于当土体细粒含量增大时，土颗粒之间的孔隙变小，土体的渗透系数变小，在土脱水过程中，土体中的孔隙很难形成顺通的孔道，空气和水进出困难，造成级配3土样饱和含水率低，残余含水率高。

(2)重塑黏土中体积含水率的大小与基质吸力呈负相关。黏土在失水过程中，土对土中水的吸附能力越来越强。在土体失水的初始阶段，黏土中水的失水很明显，呈直线下降的趋势，土体中的水这时比较活跃敏感，此时基质吸力变化不明显。当土体中的水继续脱去，土-水特征曲线也达缓平阶段，此时土中水的敏感性降低，曲线慢慢趋于稳定，基质吸力变化幅度增大。基质吸力大于900 kPa时，土体中含水率趋于塑限，曲线达到稳定状态，这时无论基质吸力变化多大，土中的体积含水率也不会有很大变化，这就是土体自身的一种持水能力的表现形式。此形式在分析压实度对土-水特征曲线的影响也得到充分体现。

(3)级配1的饱和含水率大于级配2和级配3，这说明随着细粒含量的增多，土的饱和含水率随之减小，而级配3在最后所对应的残余含水率大，且级配3曲线幅度较稳定，与何忠明等[8]研究一致。压实度超过90%时，3种级配的土-水特征曲线基本趋于一致，这说明当压实度足够大时，粒径的大小对于土的持水能力影响不大。因此，在路基填料等工程中，压实度超过90%对于颗粒级配填料的要求不会太高，这有利于减小填土级配不佳造成的路基不稳定性及沉降等工程问题。

3 结 语

本文采用离心机法，综合分析颗粒级配与压实度对东北路基黏土的基质吸力的影响，得出以下结论：

(1)黏土基质吸力与体积含水率的曲线形式基本相同，土中体积含水率会随着基质吸力的增大而减少。黏土的基质吸力受颗粒级配和压实度共同作用，压实度大于95%时，不同级配下的土-水特征曲线趋于稳定。本文研究结论与前人研究具有一致性，故此方法是可行的、合理的。

(2)颗粒级配一定时，随着压实度的增大，黏土的饱和含水率随之减小，但残余含水率却增大；体积含水率相同时，压实度大的土体的基质吸力大；基质吸力一定时，压实度大的土体所持有的含水率越大。

(3)压实度一定时，随着细粒含量的增多且级配越均匀，黏土的饱和含水率随之减小，但残余含水率增大；体积含水率相同时，细粒含量多的土体具有更大的基质吸力；基质吸力一定时，细粒含量多的土体的持水能力更强。