不同深度非飽和土的土水特征曲線試驗(yàn)研究

程宏超，張貽火，李殿龍，劉雪冬

[摘要]采用簡易蒸發(fā)法對合肥市大房郢水庫土石壩不同深度的原狀土進(jìn)行土水特征曲線試驗(yàn)研究，并利用Van Genuchten模型對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，綜合考慮了不同深度處土樣的顆粒組成、初始含水率、初始干密度和初始孔隙比對土水特征曲線的影響。研究表明：（1）同一土質(zhì)不同深度的土樣，隨著深度的增大，初始含水率、初始干密度增大，初始孔隙比減小。埋藏較深的土樣土水特征曲線出現(xiàn)在埋藏較淺的土水特征曲線的上方，較深的土樣具有較大的飽和體積含水率。（2）埋藏較深的土樣土水特征曲線的空氣進(jìn)氣值較大，相應(yīng)的土水特征曲線的斜率也較小。土樣的初始含水率越高、初始干密度越大、初始孔隙比越小，進(jìn)氣值就越大，特征曲線就越緩。（3）水分蒸發(fā)量隨時(shí)間近似線性增加，埋藏較深的土樣水分蒸發(fā)速率較慢，埋藏較淺的土樣水分蒸發(fā)速率較快。（4）不同深度土樣在初始階段基質(zhì)吸力變化速率較快，隨后變化速度有所減緩，埋藏較深的土樣吸力變化速率較慢，埋藏較淺的土樣吸力變化速率較快。

[關(guān)鍵詞]不同深度； 土水特征曲線； 基質(zhì)吸力； 體積含水率； 影響因素

中國分類號]TU431? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

0引言

飽和-非飽和狀態(tài)是土存在于自然界的真實(shí)狀態(tài)，描述和解釋這種狀態(tài)的非飽和理論在土石壩滲流、邊坡和路基穩(wěn)定性分析等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。非飽和土土水特征曲線（SWCC）是非飽和土力學(xué)研究的基本內(nèi)容之一，對非飽和土體滲流和穩(wěn)定性分析至關(guān)重要［1］。許多學(xué)者對土水特征曲線進(jìn)行研究，Miller［2］分析了不同類型的土體在不同擊實(shí)功和不同擊實(shí)含水率下土水特征曲線。Kawai等［3］分析了試樣固結(jié)壓力和孔隙對土水特征曲線的影響。Charles等［4］研究了應(yīng)力歷史對試樣土水特征曲線的影響，汪東林等［5］研究了擊實(shí)功、擊實(shí)含水率、干密度、應(yīng)力歷史和試樣應(yīng)力狀態(tài)5種因素對非飽和重塑黏土土水特征曲線的影響。

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)對大房郢水庫土石壩不同深度的原狀土進(jìn)行土水特征曲線試驗(yàn)研究，探究不同因素對土水特征曲線的影響以及土樣水分蒸發(fā)量、基質(zhì)吸力隨時(shí)間的變化關(guān)系，從而為土石壩滲流以及穩(wěn)定性研究打下基礎(chǔ)。

1土水特征曲線模型

土水特征曲線（SWCC）反映了土中含水量（質(zhì)量或者體積含水量）與吸力之間的關(guān)系，通過理論方法，使用相應(yīng)的模型函數(shù)，可以推出土體的滲透系數(shù)、抗剪強(qiáng)度等重要指標(biāo)。國內(nèi)外學(xué)者對土水特征曲線進(jìn)行了大量的理論研究，Gardner［6］、Brooks and Corey ［7］、van Genuchten ［8］、Fredlund and Xing等 ［9］ 各自提出了相應(yīng)理論模型。通過各種模型的試驗(yàn)結(jié)果對比分析，發(fā)現(xiàn)VG模型能夠更好地?cái)M合實(shí)際的土水特征曲線的形狀，其表達(dá)式見式（1）：

θ-θrθs-θr=11+（αψ）nm（1）

式中：θ為體積含水率；θs為飽和含水率；θr為殘余含水率；ψ為土體的基質(zhì)吸力參數(shù)；α，n，m均為曲線擬合參數(shù)；α直接與空氣進(jìn)氣值相關(guān)，一般認(rèn)為α是進(jìn)氣值的倒數(shù)，其單位為kPa-1；n與土的孔徑分布有關(guān)，控制著土水特征曲線的斜率；m與土水特征曲線的整體對稱性有關(guān)，m=1-1/n。

2試驗(yàn)土樣、儀器及方案

2.1試驗(yàn)土樣

本次試驗(yàn)的土樣來自合肥市大房郢水庫大壩的原狀土樣，選取大壩不同深度的土樣并進(jìn)行試樣編號，經(jīng)過室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)，土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

2.2試驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)采用簡易蒸發(fā)法，簡易蒸發(fā)法具有操作簡單，數(shù)據(jù)處理簡單等優(yōu)勢。早在多年前就有學(xué)者對于土壤水力特性的測量方法進(jìn)行研究，Wind 開發(fā)的簡易蒸發(fā)法就用來測量土壤的水力特性，這種方法具有成本低，操作簡單等優(yōu)勢［10］。

Schindler［11］提出一種改進(jìn)的蒸發(fā)方法，利用該方法可以同時(shí)計(jì)算不飽和土的水力傳導(dǎo)率和土水特征曲線，Peters等［12］對 Schindler 的簡易蒸發(fā)方法對各種質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的土壤的準(zhǔn)確性和不確定性進(jìn)行評估，表明這是一種確定土壤水力特性的快速，準(zhǔn)確和可靠的方法。

2.3試驗(yàn)儀器與裝置

試驗(yàn)儀器包括數(shù)字信號張力計(jì)、國產(chǎn)卓精 BSM22000.2天平，數(shù)字信號張力計(jì)相比于傳統(tǒng)張力計(jì)，該張力計(jì)操作簡單，不易汽化，吸力測量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性較高；電子天平使用通訊功能，利用數(shù)據(jù)線和計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動化測量。試驗(yàn)裝置由張力計(jì)、電子天平、土樣和電腦采集儀組成，如圖1所示。用張力計(jì)測得土體的基質(zhì)吸力，電子天平測得土體蒸發(fā)過程中的質(zhì)量變化，張力計(jì)和電子天平同時(shí)與電腦相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化連續(xù)測量，從而獲得土水特征曲線。

2.4試驗(yàn)步驟

張力計(jì)在使用之前需要飽和處理，將張力計(jì)放入預(yù)先準(zhǔn)備好的無氣水中，打開真空泵抽氣約2 h。選擇直徑為 61.8 mm、高度為 20 mm 的環(huán)刀制備土樣，按照土水試驗(yàn)規(guī)范［13］對土樣進(jìn)行飽和處理。土樣飽和好后立即進(jìn)行底部封口，以保證土體單面蒸發(fā)，將張力計(jì)輕輕推入土樣的頂面，深度約為10 mm，然后將張力計(jì)和土樣放在電子天平上，為避免外界對試驗(yàn)的不良影響，最后將整個(gè)試驗(yàn)儀器放入箱子中。天平和張力計(jì)的讀數(shù)每1 min由計(jì)算機(jī)自動記錄一次，當(dāng)張力計(jì)的讀數(shù)達(dá)到其進(jìn)氣值時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

3試驗(yàn)誤差分析

3.1張力計(jì)線材擾動誤差

張力計(jì)的線材擾動對試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響，張力計(jì)的線材在溫度、周圍環(huán)境影響下導(dǎo)致電子天平的讀數(shù)發(fā)生變化，從而引起土體的含水率測量誤差（圖2）。

取選相同的土樣進(jìn)行試驗(yàn)，一組放置張力計(jì)，另一組不放置張力計(jì)，通過對照試驗(yàn)分析張力計(jì)線材擾動對試驗(yàn)結(jié)果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，張力計(jì)線材擾動對試驗(yàn)結(jié)果有一定影響，在13 h時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果的誤差最大，為0.59 g，計(jì)算后的得到土樣含水量的誤差為0.98%。因此，張力計(jì)線材擾動引起的試驗(yàn)結(jié)果誤差為0%～0.98%（圖3）。

3.2天平誤差

在試驗(yàn)過程中，電子天平的讀數(shù)變化直接反映土樣的質(zhì)量損失變化，因此電子天平的誤差直接影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性（圖4）。

選取質(zhì)量為150 g鋼塊（天平內(nèi)部有磁吸系統(tǒng)，不能使用鐵塊），試驗(yàn)時(shí)間為1天。試驗(yàn)結(jié)果表明，電子天平存在一定的誤差，在14.5 h時(shí)，誤差最大，為0.25 g，計(jì)算后的得到土樣含水量的誤差為0.17%（圖5）。

4試驗(yàn)成果分析

利用Origin軟件，建立VG模型函數(shù)，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，并得到相應(yīng)的擬合參數(shù)，試驗(yàn)擬合采用體積含水量。

4.1水分蒸發(fā)量隨時(shí)間的變化

由圖6可知，不同深度土樣的水分蒸發(fā)量隨時(shí)間近似線性增加，表明土樣的蒸發(fā)速率幾乎恒定，在這一蒸發(fā)過程中，土樣水分蒸發(fā)量主要受外界環(huán)境（溫度、濕度等）的影響。由于在試驗(yàn)過程中，室內(nèi)溫度和濕度相對恒定，因此，水分蒸發(fā)速率也相對穩(wěn)定。

不同深度土樣的水分蒸發(fā)量隨時(shí)間的變化稍有差異，深度3.0～3.25 m土樣脫水速率最快，深度7.5～7.75 m與深度9.7～9.95 m土樣脫水速率較慢。這是因?yàn)槁癫剌^深的土樣具有較大的初始干密度和較小的初始孔隙比，土中的水不易排出，土的持水性能較強(qiáng)，故脫水速率較慢。反之，埋藏較淺的土樣具有較小的初始干密度和較大的初始孔隙比，土中的水很容易從孔隙中排出，土的持水性能較弱，故脫水速率較快。

4.2基質(zhì)吸力隨時(shí)間的變化

由圖7可知，在初始階段，各深度土樣的基質(zhì)吸力變化速率較快，隨后變化速度有所減緩。深度3.0～3.25 m土樣基質(zhì)吸力上升最快，最先達(dá)到進(jìn)氣值，深度7.5～7.75 m土樣基質(zhì)吸力上升較慢，深度9.7～9.95 m土樣基質(zhì)吸力上升最慢。這是由于埋藏較深的土樣具有較大的初始干密度和較小的初始孔隙比，土中的水不易排出，土的持水性能較強(qiáng)，故吸力上升比較慢。反之，埋藏較淺的土樣具有較小的初始干密度和較大的初始孔隙比，土中的水很容易從孔隙中排出，土的持水性能較弱，故吸力上升較快。

4.3同一土質(zhì)不同深度對土水特征曲線的影響

同一土質(zhì)不同深度對土水特征曲線有一定的影響，不同深度的土樣，其體積含水率均隨著基質(zhì)吸力的增大而逐漸減小，主要體現(xiàn)在空氣進(jìn)氣值及特征曲線斜率的不同。不同深度之所以能夠影響著土水特性，是因?yàn)椴煌疃鹊耐翗泳哂胁煌奈锢硇再|(zhì)，它們在初始含水率、干密度及孔隙比方面均有差異，而這些因素制約著試樣的微觀結(jié)構(gòu)。

由表1可知，隨著深度的增加，土樣的初始含水率、初始干密度及初始孔隙比逐漸增大。埋藏較深的土樣土水特征曲線出現(xiàn)在埋藏較淺的土水特征曲線的上方，較深的土樣具有較大的飽和體積含水率，這是因?yàn)槁癫剌^深的土樣初始含水率較大，土樣的可塑性較強(qiáng)。

由圖8可知，埋藏較深的土樣土水特征曲線的空氣進(jìn)氣值較大，相應(yīng)的土水特征曲線的斜率也較小。這是因?yàn)槁癫剌^深的土樣具有較大的初始含水率、較大的初始干密度和較小的初始孔隙比。初始含水率較高的土樣，其持水性能較強(qiáng)，體積含水率變化幅度較小。干密度較大的土樣，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為緊密，土的孔隙體積較小，空氣進(jìn)入土體的難度增大，土樣的排水就變得越來越困難，因此進(jìn)氣值較大。

孔隙比是反映土體孔隙結(jié)構(gòu)的宏觀指標(biāo)，對同一土質(zhì)的土樣，孔隙比越大，土樣內(nèi)部的大孔隙越多，在較小吸力驅(qū)動下，水分很容易被驅(qū)動排出；而孔隙比越小時(shí)，土樣中微孔隙的數(shù)量越多，孔隙水不易從這些微孔隙中排出。因此，孔隙比較小的土樣具有較大的進(jìn)氣值，土樣的持水性能較強(qiáng)，特征曲線較為平緩。

5結(jié)論

通過簡易蒸發(fā)法對合肥市大房郢水庫土石壩不同深度的原狀土進(jìn)行土水特征曲線試驗(yàn)研究，可以得到結(jié)論：

（1）同一土質(zhì)不同深度的土樣，隨著深度的增大，初始含水率、初始干密度增大，初始孔隙比減小，埋藏較深的土樣土水特征曲線出現(xiàn)在埋藏較淺的土水特征曲線的上方，較深的土樣具有較大的飽和體積含水率。

（2）埋藏較深的土樣土水特征曲線的空氣進(jìn)氣值較大，相應(yīng)的土水特征曲線的斜率也較小。土樣的初始含水率越高、初始干密度越大、初始孔隙比越小，進(jìn)氣值就越大，特征曲線就越緩。

（3）水分蒸發(fā)量隨時(shí)間近似線性增加，埋藏較深的土樣水分蒸發(fā)速率較慢，埋藏較淺的土樣水分蒸發(fā)速率較快。

（4）不同深度土樣在初始階段基質(zhì)吸力變化速率較快，隨后變化速度有所減緩，埋藏較深的土樣吸力變化速率較慢，埋藏較淺的土樣吸力變化速率較快。

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