不同干密度与含水率对非饱和黏土吸力的影响研究

吴建兵，王明辉，周珂，刘金鑫

（1 浙江华东工程咨询有限公司，浙江杭州 311122；2 三峡大学 土木与建筑学院，湖北宜昌 443002)

0 引言

非饱和黏土中吸力的存在对土样物理力学性质具有重要影响[1]，而吸力大小与土样的含水率与干密度有关[2]，因此，正确量测吸力随土样含水率与干密度条件不同的变化对研究非饱和黏土的性状具有非常重要的意义。

常用的非饱和黏土吸力的试验测量方法主要有滤纸法、 冷镜露点湿度计法以及蒸汽平衡法等方法[3]，其中滤纸法是一种成熟并且可靠的吸力测量方法，具有滤纸获取方便、试验时易上手、吸力值量测范围较大等优点，因此被广泛应用。例如蒋鑫[4]采用滤纸法开展非饱和红黏土基质吸力试验研究，得到了基质吸力随干密度及温度变化的规律；刘小文等[5]采用滤纸法进行非饱和红土基质吸力的量测，得到了不同干密度下非饱和红土的土水特征曲线。

本文基于滤纸法测量吸力的基本原理，考虑5 种初始含水率和3 种干密度的土样变化梯度进行非饱和黏土吸力量测试验，根据试验结果分析了不同干密度与含水率对总吸力与基质吸力的影响规律。

1 非饱和黏土吸力量测试验

1.1 试验材料及试验装置

（1） 试验材料

试验用土取自三峡库区黏土，主要物理指标如表1 所示。

表1 试验用土的物理性质指标

（2） 试验装置

试验所需仪器设备包括：①No.203 型定量滤纸；②恒温水箱；③烘箱；④不同孔径的圆孔筛； ⑤精度为0.0001g 的电子天平； ⑥环刀； ⑦高度10.7cm，直径11cm 的密封玻璃罐；⑧称重铝盒、镊子、温度计、绝缘胶带、保鲜袋等。

1.2 试验方法与试验原理

本文采用滤纸法进行非饱和土样总吸力和基质吸力的测定，滤纸法的试验原理如下：在非饱和土体中，土体本身具有一定的吸力，滤纸与土体在水分传递上最终能够达到迁移平衡，此时可以测得滤纸的平衡含水率，由于正规滤纸的含水率与吸力之间是具备一一对应关系的，故由此可以间接地测得土体的吸力大小。

滤纸法按接触方式可分为接触和非接触两种，如图1所示，可分别测量土样的总吸力和基质吸力。

图1 滤纸法接触方式示意图

1.3 试验设计与试验步骤

1.3.1 试验设计

为研究土体含水率与干密度对吸力的影响，设置了5 种初始含水率和3 种干密度的土样变化梯度。 其中设置的普通黏土初始含水率为8%、12%、18%、22%、25%，初始干密度为1.56g/cm3、1.65g/cm3、1.70g/cm3，同时以非接触法和接触法分别测试土样的总吸力和基质吸力。

1.3.2 试验步骤

（1） 配置土样

将土样放入烘箱110℃左右烘干（不低于8h），取出后击碎成粉末状，分别过2.5mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm、0.05mm、0.02mm、0.01mm、0.005mm 和0.002mm 圆孔筛。 分别配置普通黏土初始含水率为8%、12%、18%、22%、25%和初始干密度为1.56g/cm3、1.65g/cm3、1.70g/cm3的土样。将配置好的土样放入保鲜袋，将口扎紧，避免与空气接触，并静置一整天，等到水分完全浸润土颗粒后将其取出开始制备试样。

（2） 制备试样

从密封保鲜袋内用天平称取一定质量的散土，利用环刀制取直径7.98cm、高2cm 的土样。 将滤纸提前放置于110℃烘箱中烘干，两个土样为一组试验，将其上下叠放，取3 张烘干的滤纸置于土样之间，没有直接接触试样的滤纸用来测定土样的基质吸力大小。 为了使滤纸与土样紧密贴合（用于接触法测得基质吸力），在土样的外侧用绝缘胶带缠裹。

将固定好的试样放入密封玻璃罐底部，在上方依次放上塑料支架和两张滤纸（用于非接触法测得总吸力），并密封好玻璃罐，贴上对应标签。 将五组试样放入恒温水箱，一周后取出密封罐进行吸力测量。

（3） 测量吸力

快速打开密封罐，取出两张测试试纸，分别放入两个铝盒中。由于滤纸自重和内部水分重量很小，为避免长时间暴露于空气中造成水分变化影响试验结果，必须在30s 内取出滤纸并称重。

同时，用小刀挖取15g 滤纸接触土样，放入已提前称重的铝盒中并密封。 将带土铝盒放入烘箱，保持105+5℃的温度烘干12h后取出，再次称量铝盒和烘干后土样的重量，通过两次称重差值计算其实际平衡含水率，根据滤纸含水率与吸力之间的对应关系进行换算即可得到吸力值。

1.4 试验结果

对不同含水率及不同干密度黏土进行吸力量测试验，得到如表2 所示的试验数据。

表2 不同含水率、干密度的黏土基质吸力试验数据

2 不同含水率对吸力的影响分析

根据表2 中的数据，以含水率为横坐标，吸力大小为纵坐标，分别绘制非饱和黏土的吸力大小随含水率改变的变化趋势，并进行拟合，如图2—图4 所示。

图2 干密度1.56g/cm3时不同含水率黏土的吸力

图3 干密度1.65g/cm3时不同含水率黏土的吸力

图4 干密度1.70g/cm3时不同含水率黏土的吸力

通过图2—图4 分析得出：当干密度一定时，随着含水率的增大，总吸力和基质吸力呈现负相关的趋势。 这是由于在非饱和黏土体中吸力的决定因素是弯液面张力，当土体极为干燥时，土颗粒之间的水呈弯液面，土颗粒之间直接接触形成骨架结构，此时为形成水膜，局部弯液面张力达到最大值，如图5a)所示。 当土体含水率较低时，土中的水增多，除了形成弯液面以外，还存在重力水，而在弯液面张力的作用下，重力水被全部“拉回”到颗粒之间，形成具有一定厚度的水膜，此时颗粒间由骨架连接转为水膜连接，如图5b)所示。 当土体含水率较高时，弯液面水和重力水逐渐增多，颗粒之间的孔隙被水填充，由于弯液面张力增加，水膜厚度增加，此时颗粒间张力为零，导致水相、气相连通，如图5c)所示。当土颗粒之间的空隙被水全部填满时，土体处于高饱和或完全饱和状态，此时土颗粒之间以水膜形式接触，基质吸力为零，部分小气泡能随水移动，如图5d)所示。

图5 非饱和土中水、气状态

3 不同干密度对吸力的影响分析

根据表2 的数据，以黏土干密度为横坐标，吸力大小为纵坐标，绘制非饱和黏土的吸力大小随干密度改变的变化趋势图，如图 6—图 10 所示。

图6 含水率8.23%时不同干密度黏土的吸力

图7 含水率11.71%时不同干密度黏土的吸力

图8 含水率17.65%时不同干密度黏土的吸力

通过图6—图10 分析可知：在相同含水率的条件下，总吸力和基质吸力随黏土干密度的增大而减小。 可见干密度对土-水特征曲线有着明显的影响，从图中可以看出非饱和黏土的吸力、基质吸力与干密度基本上呈线性关系，可用一次函数来拟合，并且相关系数大于0.92，真实反映出吸力与干密度之间的关联度较高。 因为随着土样干密度的增大，土颗粒的孔隙比相应减小，使得空气很难进入到土体内，从而导致土体排水较为困难，故干密度较大的黏土，其进气值也较高，吸力相对较小。

图9 含水率21.82%时不同干密度黏土的吸力

图10 含水率25.12%时不同干密度黏土的吸力

随着含水率和干密度的增大，非饱和黏土的吸力刚开始时降幅较大，当增加到一定程度时，吸力的降幅趋缓，由此可知吸力在含水率较低时对密度状态的变化较为敏感。

4 结论

（1） 在相同干密度的条件下，总吸力和基质吸力与非饱和黏土含水率呈现负相关的趋势，这是由于非饱和黏土体中吸力的决定因素是弯液面张力，弯液面张力随土样含水率增大而增大，且水膜厚度增加，土颗粒间张力降低，导致非饱和黏土吸力下降。

（2） 在相同含水率的条件下，总吸力和基质吸力随非饱和黏土干密度增大而减小，这是因为土样干密度越大，土颗粒之间的孔隙比越小，土体排水性能下降，导致非饱和黏土吸力降低。

（3） 总吸力、基质吸力与干密度关系可由一次函数拟合，且其相关系数较高，由此可知吸力与干密度之间的关联度较高。

（4） 非饱和黏土的吸力大小随着含水率和干密度的增大而减小，当增加到一定程度时，吸力的降幅趋缓，由此可知吸力在含水率较低时对密度状态的变化较为敏感。