孫德安, 張 舟, 高 游, 陳 波

(1.上海大學(xué)土木工程系,上海200444;2.衢州學(xué)院建筑工程學(xué)院,浙江衢州324000)

土水特征曲線可以表示吸力與含水率或飽和度之間的關(guān)系,表明土體持水能力的大小,是非飽和土工程性質(zhì)中的重要特性[1-3].土水特征曲線的準(zhǔn)確量測(cè)是預(yù)測(cè)非飽和土強(qiáng)度、滲透性以及本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ).在非飽和土滲透性的預(yù)測(cè)中,應(yīng)用較廣泛的非飽和滲透系數(shù)模型中含有有效飽和度Se=(Sr?Sre)/(1?Sre),其中Sr為飽和度,Sre為殘余飽和度[4].Kim等[5]利用有效飽和度Se代替非飽和強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式中的飽和度,指出殘余點(diǎn)取值對(duì)非飽和土強(qiáng)度增強(qiáng)項(xiàng)預(yù)測(cè)的結(jié)果影響較大.此外,很多本構(gòu)模型涉及到進(jìn)氣值等基本參數(shù).因此,準(zhǔn)確確定土水特征曲線進(jìn)氣值和殘余點(diǎn)對(duì)非飽和土的研究具有重要的意義.

目前,試樣的進(jìn)氣值和殘余點(diǎn)主要是通過飽和度與吸力的關(guān)系來確定.在非飽和土土水特性試驗(yàn)的過程中,準(zhǔn)確量測(cè)試樣的體積變化是關(guān)鍵,特別是在吸力施加過程中體積變化較大的土體.文獻(xiàn)[6-7]中給出了第三層上海軟土的土水特征曲線,其中以含水率與吸力關(guān)系整理得到的持水特性幾乎相似,但是以飽和度整理,則存在較大的差異,如圖1所示.可能原因是文獻(xiàn)[7]中未能準(zhǔn)確量測(cè)非飽和化過程中體積的變化,導(dǎo)致曲線下降較快,確定的進(jìn)氣值偏低.

圖1 上海軟土原狀樣的土水特征曲線Fig.1 SWCC of undisturbed Shanghai soft clay

本工作選取上海某基坑原狀軟土為研究對(duì)象,利用壓力板法(0～1.5 MPa)與飽和鹽溶液法(3.29～367.54 MPa)研究上海軟土在廣吸力范圍內(nèi)的土水特性.首先,綜合文獻(xiàn)和本工作數(shù)據(jù),詳細(xì)分析了上海原狀土的吸力與含水率、吸力與飽和度關(guān)系;然后,基于上海軟土的變形特性提出了如何準(zhǔn)確利用吸力與含水率關(guān)系確定進(jìn)氣值和殘余點(diǎn)的方法,此法可以避開因試樣體積不準(zhǔn)確的量測(cè)而影響其進(jìn)氣值和殘余點(diǎn)準(zhǔn)確確定的問題;最后,利用本工作的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和已有文獻(xiàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證此法的可行性.

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)土樣為上海某基坑的淤泥質(zhì)黏土,取土深度約為9～11 m.相對(duì)密度為2.72.圖2(a)是利用激光粒度分析儀測(cè)得的上海軟土的顆粒級(jí)配曲線.從圖可知,黏粒成分(<5μm)約占22%.原狀樣的含水率大致為45%～50%,孔隙比大致為1.23～1.33.

圖2(b)為由壓縮試驗(yàn)所測(cè)得的飽和上海軟土的壓縮曲線,加荷等級(jí)為6～1 600 kPa.由圖可知,壓縮指數(shù)Cc約為0.408,回彈指數(shù)Ce約為0.062.由Cassagrande提出的經(jīng)驗(yàn)作圖法可知,前期固結(jié)壓力pc約為100 kPa.

圖2 上海軟土的顆粒級(jí)配曲線和壓縮曲線Fig.2 Grading curve and compression curve of Shanghai soft clay

壓力板法使用的儀器為美國(guó)GCTS公司生產(chǎn)的SWCC-150土水特征壓力儀.采用壓力板法獲得土樣吸力為0～1.5 MPa的土水特征曲線.對(duì)于壓力板法所用的環(huán)刀試樣,先用鋼絲鋸切取稍大于環(huán)刀的土塊,環(huán)刀內(nèi)壁涂抹凡士林,刃口向下放在土塊上,垂直下壓,并用鋼絲鋸沿環(huán)刀外側(cè)切削土樣,整平環(huán)刀兩端土樣.

采用飽和鹽溶液蒸汽平衡法獲得吸力為3.29～367.54 MPa的土水特征曲線.將制備好的環(huán)刀樣抽氣飽和后切成小塊,放入底部裝有過飽和鹽溶液的保濕缸中,并放置于上方,進(jìn)行脫濕平衡試驗(yàn);每個(gè)環(huán)刀試樣平均切成8小塊,每種溶液上方放置兩小塊飽和樣,一塊用于測(cè)量吸力平衡后的含水率,另一塊根據(jù)阿基米德原理測(cè)量其體積.對(duì)進(jìn)行吸濕平衡試驗(yàn)的小塊土樣,先烘干,再放入保濕缸中蒸汽平衡.此外,飽和蒸汽鹽溶液蒸汽平衡法中對(duì)溫度的控制要求比較高,即在試驗(yàn)過程中需要保證環(huán)境溫度相對(duì)恒定.試驗(yàn)中所用的飽和鹽溶液相對(duì)濕度(relative humidity,RH)和對(duì)應(yīng)的吸力值[8],如表1所示.

表1 飽和鹽溶液及其對(duì)應(yīng)的吸力值(20?C)Table 1 Saturated salt solution and corresponding suctions(20?C)

2 結(jié)果分析

圖3是利用兩種試驗(yàn)方法測(cè)得的廣吸力范圍內(nèi)上海軟土的土水特征曲線.從圖中可以看出,兩種試驗(yàn)方法在吸力相近時(shí)測(cè)得的土水特征曲線具有較好的一致性,表明兩種方法結(jié)合后能夠較好地測(cè)定廣吸力范圍內(nèi)的上海軟土土水特征曲線.

目前,土樣的進(jìn)氣值和殘余吸力值一般利用吸力與飽和度關(guān)系圖中的邊界區(qū)、過渡區(qū)和殘余區(qū)切線的交點(diǎn)來確定.如從圖3(b)可得到上海軟土的進(jìn)氣值sae和殘余吸力值?re分別約為580 kPa(與文獻(xiàn)[6]的結(jié)果基本吻合)和13.8 MPa.但也有部分學(xué)者利用吸力與含水率的關(guān)系圖來確定進(jìn)氣值,且圖中邊界區(qū)的直線往往用水平線或簡(jiǎn)單的一段直線來表示.這種方法對(duì)于非飽和化過程中變形較大的土體,確定的進(jìn)氣值和殘余吸力值會(huì)存在較大的誤差.如圖3(a)中,a點(diǎn)的吸力值約為120 kPa,與采用飽和度與吸力關(guān)系確定的進(jìn)氣值580 kPa相差甚遠(yuǎn);圖3(a)中b點(diǎn)的吸力值約為20 MPa,與用飽和度與吸力關(guān)系確定的殘余吸力值13.8 MPa相差較大.因此,Pasha等[9]討論了不同應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)氣值的確定方法.另外,對(duì)于變形較大的土體,隨著吸力的增大,體積會(huì)產(chǎn)生明顯的收縮.因此,準(zhǔn)確量測(cè)試樣體積是準(zhǔn)確確定土水特征曲線基本參數(shù)的關(guān)鍵.對(duì)比不同文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)可知,對(duì)于同一土樣,分別確定的進(jìn)氣值相差較大(見圖1).

圖3 廣吸力范圍內(nèi)上海軟土原狀樣土水特征曲線Fig.3 SWCC of undisturbed Shanghai soft clay in wide suction range

3 吸力與含水率關(guān)系確定進(jìn)氣值和殘余點(diǎn)

對(duì)于進(jìn)氣值較大且在非飽和過程中變形較大的土體,如本工作中的上海黏土(進(jìn)氣值為580 kPa),若在土水特性試驗(yàn)中施加在試樣上的吸力小于進(jìn)氣值時(shí)(即試樣處于飽和狀態(tài)),所施加的吸力等效于壓縮試驗(yàn)中所施加的壓力,此時(shí)體積的變化量即為試樣排出水的體積量.因此,在土水特性試驗(yàn)中,可將土水特征曲線分為3個(gè)階段:①當(dāng)吸力小于試樣的前期固結(jié)壓力(ssae時(shí),土體變成非飽和狀態(tài).因此,可將吸力與含水率關(guān)系圖中邊界區(qū)的曲線分為第一階段直線和第二階段直線,兩直線的交點(diǎn)即為前期固結(jié)壓力pc,其進(jìn)氣值可由含水率與吸力關(guān)系圖中的第二階段直線和第三階段(即過渡區(qū))直線交點(diǎn)確定.

若施加的吸力小于進(jìn)氣值,土體幾乎處于飽和狀態(tài),施加的吸力等同于各向等壓應(yīng)力(即s=p)施加在土樣上,此過程類似飽和土的等向壓縮過程,此時(shí)排出水的體積量即為土體體積的變化量.飽和土的飽和度Sr=100%,根據(jù)e=Gsw/Sr可知

式中:Gs為土顆粒比重;?e為孔隙比的變化量;?w為重量含水率的變化量.

當(dāng)s

式中:Ce為回彈指數(shù),如圖2(b)中圧縮曲線中回彈段的斜率;p為施加于土樣的等向應(yīng)力,即施加的吸力s.

將式(2)代入式(1),可得

當(dāng)吸力小于進(jìn)氣值時(shí),土體處于飽和狀態(tài),所施加的吸力s等同于等向應(yīng)力p施加在土樣上.故吸力與含水率關(guān)系圖中第一階段直線的斜率為

同理可知,當(dāng)pc

式中,Cc為壓縮指數(shù),如圖2(b)中壓縮曲線正常固結(jié)段的斜率.

因此,吸力與含水率關(guān)系圖中第一階段和第二階段直線的斜率分別為Ce/Gs和Cc/Gs,再由第二階段直線和第三階段直線的交點(diǎn)可較準(zhǔn)確地確定吸力與含水率關(guān)系圖中的進(jìn)氣值.利用單一直線方法,如圖3(a)所示,與本節(jié)的方法確定進(jìn)氣值相比,其過渡區(qū)的直線斜率會(huì)發(fā)生變化,因此殘余吸力值的準(zhǔn)確確定也會(huì)隨之受影響.

圖4為考慮上海軟土的變形特性時(shí)由吸力與含水率關(guān)系所確定的進(jìn)氣值.由圖可知,邊界區(qū)有兩段斜率不同的直線,可確定其進(jìn)氣值和殘余吸力值分別約為600 kPa和13 MPa.這與利用吸力與飽和度關(guān)系(圖3(b))所確定的進(jìn)氣值580 kPa和殘余吸力值13.8 MPa基本吻合.

圖4廣吸力范圍內(nèi)上海軟土進(jìn)氣值和殘余點(diǎn)的確定Fig.4 Determinations of air entry value and residual point for Shanghai soft clay in wide suction range

圖5 為等向壓縮試驗(yàn)測(cè)得的預(yù)固結(jié)泥漿黏土樣的壓縮曲線,其中試驗(yàn)數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)[10].由圖可知,壓縮指數(shù)Cc約為0.099,回彈指數(shù)Ce約為0.016,前期固結(jié)壓力pc約為130 kPa.此外,預(yù)固結(jié)泥漿黏土樣的相對(duì)密度為2.72,液限28%,塑限18%[10].

圖5預(yù)固結(jié)黏土的壓縮曲線Fig.5 Compression curve of reconstituted clay

圖6 為由吸力與含水率的關(guān)系圖所確定預(yù)固結(jié)泥漿黏土樣的進(jìn)氣值與殘余點(diǎn),以及利用飽和度與吸力所確定的進(jìn)氣值與殘余點(diǎn)的關(guān)系圖,其中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)[10].由圖6(a)可知,利用含水率與吸力關(guān)系圖確定的進(jìn)氣值和殘余吸力值分別約為420 kPa和38 MPa,與利用吸力與飽和度關(guān)系圖(圖6(b))所確定的進(jìn)氣值約為430 kPa和殘余吸力值38.4 MPa基本吻合.

圖6預(yù)固結(jié)黏土進(jìn)氣值和殘余點(diǎn)的確定Fig.6 Determination of air entry value and residual point for reconstituted clay

圖7 為泥漿黏土樣的壓縮曲線,其中試驗(yàn)數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)[11].由圖可知,其壓縮指數(shù)Cc約為0.449,回彈指數(shù)Ce約為0.088,前期固結(jié)壓力pc約為10 kPa.此外,泥漿樣黏土的相對(duì)密度為2.60,液限60%,塑限30%[11].

圖8為由吸力與含水率關(guān)系確定泥漿黏土樣的進(jìn)氣值與殘余點(diǎn),以及用飽和度與吸力關(guān)系確定的進(jìn)氣值與殘余點(diǎn),其中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)[11].由圖8(a)可知,由含水率與吸力關(guān)系確定的進(jìn)氣值和殘余吸力值分別約為1 660 kPa和14.5 MPa,這與用吸力與飽和度關(guān)系所確定的進(jìn)氣值1 570 kPa和殘余吸力值14.9 MPa基本吻合,表明了本工作中方法的可行性.

4 結(jié)束語(yǔ)

本工作利用壓力板法和飽和鹽溶液蒸汽平衡法研究了上海軟土廣吸力范圍內(nèi)原狀樣的持水特性,得到以下結(jié)論.

圖7 泥漿樣黏土的壓縮曲線[11]Fig.7 Compression curve of slurry clay[11]

圖8 泥漿樣黏土進(jìn)氣值和殘余點(diǎn)的確定Fig.8 Determinations of air entry value and residual point for slurry clay

(1)利用吸力與飽和度關(guān)系可確定土樣的進(jìn)氣值約為580 kPa,殘余吸力值約為13.8 MPa.若邊界區(qū)采用水平線或簡(jiǎn)單的一段直線來表示,利用吸力與含水率關(guān)系確定其進(jìn)氣值和殘余吸力值分別為110 kPa和20 MPa,與實(shí)際值相差較大,主要是未考慮土體變形,即邊界區(qū)不能簡(jiǎn)單利用一條直線來確定.

(2)若在邊界區(qū)結(jié)合壓縮曲線的變形特性,將邊界區(qū)分為兩個(gè)區(qū)域和兩端直線段來確定進(jìn)氣值和殘余點(diǎn),其值與實(shí)測(cè)值基本吻合.此方法簡(jiǎn)單方便,特別對(duì)于非飽和化過程中體積變化大的土體并且體變難以量測(cè)的情況,可以準(zhǔn)確地確定進(jìn)氣值和殘余點(diǎn).