高原湖相沉積粉砂土土水特性

劉 歡，朱孟龍，蔣 銳，聶廣影，張慶文

（西南林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，云南 昆明 650224）

1 研究背景

昆明地處云貴高原地區(qū)，在滇池流域一帶的工程建設(shè)中，存在著大量的高原湖相沉積粉砂土。由于其獨特的地貌與氣候環(huán)境，有著其獨特的土顆粒分布和結(jié)構(gòu)特點。顆粒分布不太均勻，黏粒含量低，一般情況下不超過10%；其細(xì)顆粒含量較少，孔隙率高，毛細(xì)作用比較劇烈。由于以上特點，其持水能力較弱，土體結(jié)構(gòu)遇水后極易破壞，工程性能差，如果在工程中處理不當(dāng)，將引起滑塌、滑坡和路基不均勻沉降等事故。岷江流域一帶地處成都平原，也有大量的粉砂土存在，為沖刷沉積形成，與昆明高原湖相沉積粉砂土有相似的成因，其非飽和性質(zhì)具有一定的相似性，所以對兩種粉砂土進(jìn)行對比研究，來分析高原湖相沉積粉砂土的土水特征曲線的變化規(guī)律。

目前，土力學(xué)中的強(qiáng)度理論大部分是將處于非飽和狀態(tài)的土以飽和土的強(qiáng)度理論來計算，而對于實際工程中來說，大部分高原湖相沉積粉砂土處于非飽和狀態(tài)，基質(zhì)吸力的存在對其強(qiáng)度和變形具有很大的影響，因此研究高原湖相沉積粉砂土的土水特性對實際工程具有重要意義。土壤中的基質(zhì)吸力反映了土壤在非飽和狀態(tài)下土的水氣遷移規(guī)律，它在非飽和土工程性質(zhì)的研究中具有重要作用［1］，它和含水量之間的關(guān)系可以用土水特征曲線（soil-water characteristics curve）來表示，土水特征曲線是用來描述土的持水能力隨吸力狀態(tài)變化的規(guī)律曲線，是了解非飽和土持水特征與其他性能指標(biāo)（如強(qiáng)度、非飽和滲透系數(shù)等）的重要途徑［2-6］。測量土壤土水特征曲線的方法有許多，具有代表性的試驗方法有以下幾種，體積壓力板法、鹽溶液法、Temp儀法、濾紙法、Dew-point電位計法、TOR吸力量測法、四維GDS應(yīng)力路徑法等［2］。隨著非飽和土研究的發(fā)展，基質(zhì)吸力的測試方法和技術(shù)也隨之發(fā)展與更新。李京爽等［7］改進(jìn)了離心模型中微型傳感器，可以測量離心模型中非飽和土中的基質(zhì)吸力。張秋汝等［8］發(fā)現(xiàn)對于非線性非飽和水流問題，利用數(shù)據(jù)同化技術(shù)，同時更新水頭和參數(shù)對預(yù)測土壤中水運動能取得更好的效果。淘高粱等［9］利用流體力學(xué)理論，結(jié)合毛細(xì)理論建立了飽和/非飽和滲透系數(shù)與土-水特征曲線關(guān)系模型，從微觀角度揭示土體變形對飽和/非飽和滲透系數(shù)的影響機(jī)理，建立了相應(yīng)的預(yù)測方法。周躍峰等［10］對新疆某引水渠道邊坡的黃土填料進(jìn)行土水特征曲線試驗，應(yīng)用分形方法對其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)已知不同應(yīng)力水平下的孔隙率時，可較為合理的從一個應(yīng)力水平下的土水特征曲線推求其他應(yīng)力水平下的土水特征曲線。

苗強(qiáng)強(qiáng)等［11］利用非飽和四聯(lián)固結(jié)儀和三軸儀對不同應(yīng)力狀態(tài)下的土水特征曲線進(jìn)行了研究，得到了其在不同應(yīng)力狀態(tài)下的變化規(guī)律和影響因素；田湖南［12］等針對細(xì)顆粒占比不同的砂土，通過壓力板儀，基于軸平移技術(shù)研究其土水特性，結(jié)果顯示，非飽和砂土的持水能力隨著細(xì)顆粒含量的變化也隨著變化，總趨勢表現(xiàn)為細(xì)顆粒含量越高持水能力越強(qiáng)；李宣［13］等通過直接剪切試驗，對砂土和粉土的持水特性和強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，正應(yīng)力相同時，隨著飽和度的增大，砂土和粉土的內(nèi)摩擦角幾乎不變，抗剪強(qiáng)度呈先增大后減小的變化；馮曉臘等［14］針對非飽和砂土，進(jìn)行了不同黏粒含量的土水特性試驗，得到其土水特征曲線，利用非飽和四聯(lián)直剪儀，進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度測試實驗，研究表明它的抗剪強(qiáng)度隨著基質(zhì)吸力的增加，會呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；陳宸［15］等研究了不同溫度下，粉砂土的基質(zhì)吸力測定試驗，發(fā)現(xiàn)溫度會對其水汽遷移規(guī)律產(chǎn)生影響，砂土的基質(zhì)吸力隨著溫度升高而減弱。許多學(xué)者還利用土水特征曲線來預(yù)測非飽和土的體變、滲流和強(qiáng)度等工程特性［16-19］。以上文獻(xiàn)表明，對高原湖相沉積粉砂土的土水特征曲線試驗研究較少。

本文試驗采用濾紙法，開展不同含水率下云南昆明湖相沉積粉砂土和成都平原粉砂土的吸力試驗，得到兩種粉砂土的土-水特征曲線，基于 Gardner（1958）［20］、Van Genchten（1980）［21］等冪函數(shù)模型，運用Origin軟件進(jìn)行非線性函數(shù)擬合，對比分析兩種粉砂土含水率和基質(zhì)吸力的關(guān)系，來研究高原湖相沉積粉砂土的土水特征曲線的變化規(guī)律。

2 試驗準(zhǔn)備與方案

2.1 試驗材料 本次試驗所用的材料取自昆明滇池區(qū)域和成都平原岷江地區(qū)粉砂土。試驗所用土樣過2 mm的篩，取細(xì)粒部分用于試驗，通過室內(nèi)基本土工試驗對材料進(jìn)行分析，獲得試驗用土的基本物性參數(shù)見表1，獲得土壤顆粒級配曲線見圖1。

表1 試驗所用粉砂土的顆粒組成

圖1 土樣顆粒級配曲線

2.2 濾紙率定曲線 不同型號的濾紙，率定曲線各不相同，本文采用國產(chǎn)“雙圈”牌NO.203型濾紙，這種型號的濾紙通過王釗［22］、白福青［23］、朱贊成［24］、唐棟［25］等的研究，確定了其在常溫下的濾紙曲線率定方程見式（1）和式（2）。其中式（1）為總吸力的率定公式，式（2）為基質(zhì)吸力的率定公式。

式中：ht為總吸力，kPa；hm為基質(zhì)吸力，kPa；wfp為濾紙含水率，%。

2.3 試驗方案與步驟 采用濾紙法進(jìn)行兩種粉質(zhì)砂土的土—水特征曲線測定，具體步驟如下：

（1）將過2 mm篩后的土樣烘干，進(jìn)行土樣配置，密封放置24 h。

（2）從保鮮袋內(nèi)稱取一定質(zhì)量的散土，裝入制土模具內(nèi)，控制干密度為1.60 g·cm-3，通過千斤頂將土樣靜力壓實為6.18 cm×2 cm的土樣，過程如圖2所示。

圖2 試樣制作

（3）試驗前將濾紙放入烘箱，設(shè)置溫度為105±5℃，烘烤24 h后取出，放入裝有干燥劑的玻璃罐，如圖3所示。

圖3 濾紙準(zhǔn)備

（4）每個測試組由兩個土樣組成，放置三張濾紙在土樣中間，用于測試基質(zhì)吸力，放置另外2張濾紙于土樣上方，用于測試總吸力，試樣示意圖如圖4所示。

圖4 濾紙法試驗示意圖（ua1為濾紙基質(zhì)吸力，ua2為土樣基質(zhì)吸力）

（5）將裝備好的土樣放入密封罐，依次放入支撐管和濾紙，封蓋，然后將16組土樣放入恒溫箱，設(shè)定溫度為25℃，在經(jīng)過14天之后取出，測試過程見圖5（a）。

（6）打開密封罐，把濾紙放入鋁盒稱重，然后將鋁盒烘烤24h。同時用小刀挖取與接觸法濾紙緊挨著的土，放入鋁盒中進(jìn)行稱重，放入烘箱烘烤12h后取出，用電子稱分別稱量“鋁盒+干濾紙”和“鋁盒+干土”的重量，計算其含水率，如圖5（b）所示。

（7）按照以上步驟，進(jìn)行重復(fù)試驗。

圖5 吸力測試

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果 每組試驗歷時約為15 d，共用時約1個月，分別測得兩種土的總吸力和基質(zhì)吸力，利用上述率定方程計算得到試驗土樣的基質(zhì)吸力和總吸力，試驗結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，兩種粉砂土的總吸力和基質(zhì)吸力隨著土樣含水率的減小逐漸增大，隨著含水率的增加總吸力降低速率也逐漸趨于平緩，與其基質(zhì)吸力曲線不相交，總吸力的值大于基質(zhì)吸力。當(dāng)含水率較低時，總吸力的變化較為迅速，隨著含水率的降低，總吸力值迅速增大?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)總吸力值相同時，成都平原粉砂土的含水率總是高于高原湖湘沉積粉砂土，說明成都平原粉砂土的持水性能優(yōu)于高原湖湘沉積粉砂土。

進(jìn)一步對基質(zhì)吸力的試驗結(jié)果進(jìn)行分析，分別用Gardner（1958）模型和Van Genuchten（1980）模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，對結(jié)果進(jìn)行對比分析。Gardner（1958）模型為三參數(shù)模型，擬合的土水特征曲線在半對數(shù)坐標(biāo)下呈現(xiàn)“S”型，其表達(dá)式如下：

Van Genuchten（1980）為四參數(shù)模型，其基質(zhì)吸力與含水率之間的關(guān)系式以冪函數(shù)的形式來表達(dá)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：θ為體積含水率；θr為殘余含水率；s為基質(zhì)吸力；θs為飽和含水率；α、q、n為試驗擬合參數(shù)。

根據(jù)上述兩種模型擬合SWCC試驗數(shù)據(jù)，擬合結(jié)果顯示于圖7，擬合相關(guān)系數(shù)在表2中給出。擬合結(jié)果顯示，兩種模型均能較好的擬合兩種土的SWCC曲線。

圖7 基質(zhì)吸力擬合曲線

由圖6和圖7可知，兩組試驗測得數(shù)據(jù)略有區(qū)別，但總體趨勢及變化范圍基本相同。且由圖中可以看出兩種粉砂土基質(zhì)吸力的變化趨勢大體一致的，基質(zhì)吸力與其體積含水率呈現(xiàn)出反比關(guān)系，當(dāng)達(dá)到拐點后，曲線的變化開始平緩，直至基質(zhì)吸力趨近于0。兩種粉砂土之間的變化存在差異，以試驗組1來說明，成都平原粉砂土體積含水率為19.5%，基質(zhì)吸力為310.2 kPa，當(dāng)含水率增加至22.8%時，基質(zhì)吸力減少到23.96 kPa，當(dāng)含水率大于22%時，變化趨于平緩，含水率接近25%時，基質(zhì)吸力趨近于0。高原湖相沉積粉砂土體積含水率為15%時，基質(zhì)吸力為380.63 kPa，含水率增加到20%時，基質(zhì)吸力迅速降低為3.502 kPa，大于20%時，基質(zhì)吸力的變化開始趨于平緩，而當(dāng)體積含水率為21%左右時，基質(zhì)吸力趨近于0。

通過觀察兩種粉砂土的基質(zhì)吸力的變化，發(fā)現(xiàn)兩者的持水能力均較差，但兩者比較，高原湖相沉積粉砂土隨著基質(zhì)吸力變大，脫水速率較成都平原粉砂土快，且相應(yīng)的體積含水率較成都平原粉砂土小，說明高原湖相沉積粉砂土的持水能力更差。分析其原因主要有兩方面：一方面高原湖相沉積粉砂土的黏粒含量低于成都平原粉砂土，其黏粒含量為2.1%，土中黏粒較少，親水性弱，水化作用較弱，結(jié)合水含量也就少；另一方面其細(xì)粒含量較成都粉砂土少，密實度不夠，在壓縮過程容易發(fā)生破壞，改變孔隙結(jié)構(gòu)，使得持水性減弱，且土顆粒大小不均勻，分選差，使得其孔隙直徑增大，脫水速率變大。

表2 數(shù)學(xué)模型擬合結(jié)果

表2為Gardner和Van Genuchten模型對兩種土壤的擬合對比結(jié)果，擬合的結(jié)果顯示，兩種土壤的擬合曲線趨勢一致。兩種模型均能較好的擬合其土水特征曲線，但從精度來說，對于試驗組1，Gardner模型對兩種土的擬合值與實測值相關(guān)系數(shù)平方分別為0.97993和0.98317，Van Genuchten模型對兩種土的擬合值與實測值分別為0.98020和0.98279；對于試驗組2，Gardner模型對兩種土的擬合值與實測值相關(guān)系數(shù)平方分別為0.97471和0.98470，Van Genuchten模型對兩種土的擬合值與實測值分別為0.97803和0.98476。兩組試驗擬合結(jié)果顯示，兩種模型的擬合結(jié)果相差不大，四參數(shù)的Van Genuchten模型來說，模型比較復(fù)雜，因此可以采用的三參數(shù)的Gardner模型對這類型的土進(jìn)行擬合。

3.2 對比分析 為了更好的對高原湖相沉積粉砂土的土水特性進(jìn)行分析，分別選取了陳高峰［26］（文獻(xiàn)［1］）和周葆春［27］（文獻(xiàn)［2］）文獻(xiàn)中的成果，兩種土的顆粒組成見表3。

表3 對比文獻(xiàn)土的顆粒組成

由表3可以看出，文獻(xiàn)［1］中土砂礫含量少于高原湖湘沉積粉砂土，而其黏粒和粉粒含量大于高原湖湘沉積粉砂土；而文獻(xiàn)［2］中的砂粒含量最少，黏粒和粉粒含量較高。利用本文的兩種模型對其進(jìn)行擬合，得到其土水特征曲線見圖8和圖9。

圖8 文獻(xiàn)［1］基質(zhì)吸力擬合曲線

圖9 文獻(xiàn)［2］基質(zhì)吸力擬合曲線

從圖8和圖9可以看出，陳高峰［26］和周葆春［27］得到的土水特征曲線，與本文有相同點也有區(qū)別。首先，得到的基質(zhì)吸力曲線的變化趨勢與本文的研究類似，基質(zhì)吸力隨著含水率的增大而減小，當(dāng)達(dá)到拐點后開始趨于平緩，直至趨近于0；其次基質(zhì)吸力的拐點的位置及曲線走勢的變化程度不同，可以發(fā)現(xiàn)高原湖相沉積粉砂土在含水率為21%時，基質(zhì)吸力開始變?yōu)?，成都平原粉砂土為25%，陳高峰［26］和周葆春［27］分別為50.5%和40.2%。對比而言，文獻(xiàn)［1］的的含水率較高，說明文獻(xiàn)［1］的粉砂質(zhì)土持水性能較優(yōu)；文獻(xiàn)［2］的數(shù)據(jù)顯示在含水率為30.82%時，其基質(zhì)吸力為1200 kPa，說明其水穩(wěn)定性較好；高原湖相沉積粉砂土在含水率較低的情況下，便已達(dá)到飽和，其持水能力最差。

4 結(jié)論

實際工程中高原湖相沉積粉砂土廣泛存在，伴隨著其土水特征發(fā)生變化，其基質(zhì)吸力也會發(fā)生變化，對實際工程的開展會產(chǎn)生影響。因此開展高原湖相沉積粉砂土土水特征的研究，相關(guān)研究結(jié)論如下：

（1）采用濾紙法對高原湖相沉積粉砂土土水特征曲線進(jìn)行測定，并與成都平原粉砂土和其他兩種粉砂土進(jìn)行對比，研究發(fā)現(xiàn)高原湖相沉積粉砂土的持水能力較弱，分析其主要原因是其細(xì)顆粒含量和黏粒含量少，導(dǎo)致其土水作用弱。

（2）利用濾紙法來確定兩種粉砂土的基質(zhì)吸力，并與引用文獻(xiàn)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)粉砂土的體積含水率反比于基質(zhì)吸力對數(shù)，幾種土壤的土水特征曲線總趨勢是一致的，隨著含水率的增加，基質(zhì)吸力開始減少，直至趨近于0，其土水特征曲線的非飽和殘余段均不明顯。

（3）基于Gardner模型和Van Genucht模型運用Origian軟件對兩種粉砂土進(jìn)行擬合，從相關(guān)系數(shù)和誤差來看，兩種模型的擬合結(jié)果均較好。鑒于Van Genucht模型參數(shù)多，較為復(fù)雜，所以類似高原湖湘沉積粉砂土，可以采用較為簡單的Gardner模型進(jìn)行擬合。

（4）兩組試驗存在差值，主要是因為利用濾紙法對非飽和高原湖相沉積粉砂土和成都平原粉砂土的基質(zhì)吸力進(jìn)行量測，試驗結(jié)果易受外部操作環(huán)境影響，試驗操作難度大。但該方法比較實用，操作要求較為嚴(yán)格，需要對測量土體的含水率范圍進(jìn)行界定。