新疆伊犁地区低液限粉质黏土土水特征曲线试验研究

叶 涛

(新疆维吾尔自治区交通建设管理局, 乌鲁木齐 830000)

新疆伊犁地区地处欧亚大陆内部,随着近年来“一带一路”倡议的持续推进,该地区工程建设地位逐渐凸显。然而,由于特殊的气候环境,区域内低液限粉土大多处于非饱和状态,遇水后物理力学性质会发生较大变化,导致在该区域进行工程建设较为困难。

土的类型、物理力学特征是反映其工程特性的重要指标。在不同的地理位置、气候条件、水文环境、地质因素等的影响下,土的性质会有较大差异。因此,在进行土体稳定性分析前,需要充分了解土的物理力学性质。

粉质黏土是一种具有特殊工程性质的土,既不同于黏性土,又与砂土有所区别。粉质黏土中的粉黏粒含量较多,而粗粒和黏粒的含量极少[1]。粉质黏土属于低塑性土,一般70%以上的粒组为粉粒和细砂粒,含少许黏粒土,比表面积不大、毛细现象突出。低液限粉质黏土是粉性土的一种,它具有粉性土的一部分特性,也具有黏性土的一部分特性,因此具有双重性[2]。在动荷载作用下,粉质黏土易发生液化现象。为了探索粉质黏土的性质及其处理技术,许多学者从不同角度开展试验研究,主要集中在粉质黏土的一般工程特性、动力特性、试验技术、压实稳定技术和工艺改良研究等方面[3]。武建民等发现,对于黄土路基填料来说,通过2d的浸水时长来研究浸水时间对黄土路基填料的回弹模量、路基弯沉值更具科学意义[4];刘连喜等通过对武汉地区粉土的研究,得到其承载力与孔隙和含水率之间的关系[5];陈佳玫研究伊犁重塑黄土在增湿条件下的变形特性,发现其压缩性随干密度提高而减小,随含水率的提高而增大,含水率较高时,压缩变形的敏感性会下降[6];汪恩良等研究齐齐哈尔地区粉土的冻胀特性,考虑了含水率、干密度、冷端温度的影响,通过线性回归得到三因素影响下的多元模型[7];阮永芳等以昆明地区粉土为研究对象,结合实体工程对其物理力学性质进行分析[8];王国强等通过地基载荷试验和原位测试资料对粉土地基的承载力进行评价,并给出不同条件下粉土地基承载力的参考指标[9];袁灿勤等分析统计南京地区粉土试验指标与承载力的关系[10];曹右生研究了粉土地基容许承载力与塑性指数之间的相关性[11];董清华从实际工程出发,对比不同方法下取得的可塑粉质黏土的承载力,分析不同方法的适用性和优劣[12];黄博等研究粉土的动力特性,通过预振和控制剪切速率的方法来恢复重塑土样的原状结构,并与重塑土样对比,分析试验过程中孔压的增长规律[13];叶银灿等研究了杭州湾粉土的动强度特性,发现动强度与固结比和振动频率密切相关,固结比较低时,动强度低于静强度,而随着固结比的增大其动强度也会增大[14];王也等研究南阳地区膨胀土在冻融作用下土水特性,利用滤纸法测定不同冻融循环次数下总吸力和基质吸力之间的关系[15];崔宏环等冻融循环作用对非饱和粉质黏土土水特征曲线的影响,非饱和状态下曲线按照Gardner模型进行拟合效果良好,同时冻融作用会导致基质吸力发生变化,进而影响土体的黏聚力[16];卢靖等研究黄土在非饱和状态下的土水特性,推导出综合考虑多因素影响下非饱和黄土土水特征曲线的拟合公式;张爱军等研究考虑含盐量下的伊犁黄土试样的总吸力与盐溶液浓度呈线性关系[18];蔡国庆等研究砂质黄土的土水特性,发现随着含水率的增大,其基质吸力逐渐减小,随着干密度增大,试样内部孔隙减小,结构变得密实,进气值增大[19];崔凯等研究川西地区混合土在非饱和状态下的土水特性,发现矿物成分对土体土水特性影响显著,得到矿物成分以及干密度对土体土水特性的影响机理。亲水性矿物含量越高,基质吸力越大[20]。

综上可知,新疆伊犁地区的低液限粉质黏土属于工程不良土质,本身具有强度低、水稳定性差、冻融敏感等特点。土体稳定性分析的传统方法基于饱和土体强度理论,而土质大部分为非饱和区,不能忽略基质吸力的作用。因此,土水特征曲线在低液限粉质黏土力学性质的研究中至关重要。

1 土样基本物理性质参数测定

土的粒径大小与颗粒级配是土体重要工程性质之一。根据JTG3034—2020《公路土工试验规程》,采用筛分法和试验密度计法对土样进行级配分析。图1为新疆伊犁G578线土样级配曲线。

图1 新疆伊犁黄土级配曲线

根据曲线可知,粒径小于0.075mm的颗粒质量约占62.7%,小于0.02mm的颗粒质量约占5.7%。

采用液塑限联合测定仪来测定现场试样的液塑限(见图2)。制备不同含水率的土样并分别放入盛土杯中。进行试验时,将液塑限仪的锥体落入试样中,并记录每次锥入深度。试验得到的土样锥入深度与含水率的关系见图3。

图2 液塑限联合测定仪

图3 锥入深度与含水率关系

根据规范,将锥入深度作为土样的塑限及液限的判定标准,2mm锥入深度对应的含水率即为塑限含水率;17mm锥入深度对应的含水率即为液限含水率。本试验中,试样液限为28.6%,塑限为17.7%。由此可得,该土的塑性指数为10.9,塑性指数在10～17之间,液限小于50%,故该土属于低液限粉质黏土。

2 土水特征试验仪器及原理

土水特征曲线指土壤基质吸力与含水率的关系曲线,是研究非饱和土性质必不可少的参数。本试验中,采用压力膜仪进行土水特征曲线的测定,压力膜仪见图4。

图4 压力膜仪

压力膜仪的组成部分包括:压力室、压力控制系统(见图5)、集水管、空气压缩机(见图6)。

图5 压力控制系统

图6 空气压缩机

试验前,首先需将压力膜仪内的陶土板进行饱和。饱和后的陶土板表面孔隙会形成一层收缩覆盖膜,阻止外部空气进入陶土板内。此时对压力膜仪进行加压,会使收缩膜上方和下方产生一个气压力差,该气压之差为吸力值。在测量过程中,需保持增压值不大于陶瓷板进气值。

3 试验过程

试验测试前,需要用环刀制作土样,环刀直径为6.18cm,高度为2cm。对于重塑低液限粉质黏土土样,采用击实筒来制作。在制备好环刀试样之后,需要对其进行饱和。由于土样渗透性较好,故采用浸水饱和,选用南京仪器厂生产的GDB-1型叠式饱和仪。将环刀试样装入饱和器中,每个环刀试样用滤纸及透水石分隔开,并保证上下对齐放置,最后拧紧螺丝,放入水盆中,见图7。静置4d即可认为达到饱和状态。将饱和土样称重,以求得其饱和含水率。

图7 试样饱和

陶土板饱和完成后,放入环刀试样,将其放置于陶土板上,盖上压力室的盖子并用螺丝将其密封,最后打开空气增压泵。在进行压力控制系统调节前,需检查排气阀门是否全部关闭,并仔细查看各阀门位置处有无漏气现象。检查完毕后,缓慢调节压力控制系统以达到指定压力;每次施加一级压力后,应保证土体排水稳定;稳定后,在打开压力室前需将气体完全排放。随后取出试样,并对其进行称重,以测定当前压力环境下土样的含水率。环刀质量称量完毕后,重新放入压力室中,并施加下一级压力。本次试验一共采用10级压力,分别为:20,40,60,80,100,150,200,300,400,500kPa。

4 试验结果分析

计算每级压力下的土体质量含水率(分别采用Gardner模型、Van Genuchten模型),再对实验数据进行拟合。

Gardner模型为

式中,θ土体质量含水率;θs饱和含水率;θr残余含水率;a为拟合参数,n为拟合参数。

Van Genuchten模型为

式中,θ土体质量含水率;θs饱和含水率;θr残余含水率;a为拟合参数,n为拟合参数。

Gardner模型拟合的土水特征曲线见图8,Gardner模型参数见表1。Gardner模型拟合公式为

图8 Gardner模型拟合土水特征曲线

表1 Gardner模型拟合结果

V-G模型拟合的土水特征曲线见图9,V-G模型参数见表2。故V-G模型拟合公式为

表2 V-G模型拟合结果

图9 V-G模型拟合土水特征曲线

由图8、图9可以看出,质量含水率随基质吸力的增大而逐渐减小,二者呈现负相关关系。土水特征曲线总体分为两个阶段:平缓阶段与下降阶段。初始土样的斜率相对平缓,说明其持水性相对较好。而随着基质吸力的增加,土样处于土水特征曲线的陡降段。这是因为基质吸力达到或者超过空气进入值时,气体将处于内部孔隙连通状态或者部分连通状态。随着基质吸力的增大,饱和度或者体积含水率均呈现下降的趋势。

此外,由于Van Genuchten模型拟合曲线中R2值较大,即拟合精确度较高,且该模型应用较广,故推荐后续研究选用V-G模型拟合的土水特征曲线。

5 结语

(1)新疆伊犁地区低液限粉质黏土土水特征曲线的基本形状可划分为平缓段与下降段。其中,平缓段基质吸力对非饱和土的性质影响较小,下降段影响较大。

(2)质量含水率随着基质吸力的增大而逐渐减小,二者呈现负相关关系。

(3)对土水特征曲线的模拟表明,V-G模型较Gardner模型拟合效果更好。采用V-G模型拟合出的公式,利用质量含水率即可快速求出基质吸力。