陳振新, 孫德安
(上海大學(xué)土木工程系,上海200072)
非飽和土的分布十分廣泛,主要有自然干燥土和壓實(shí)土.土壩的建造與運(yùn)行、環(huán)境條件變化情況下的天然土坡、豎直挖方的邊坡穩(wěn)定、膨脹土造成的地面隆起及濕陷性土中的許多實(shí)際問題均屬于非飽和土力學(xué)的研究范疇[1].可見,對(duì)于非飽和土性質(zhì)的研究有著很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.
上海地區(qū)分布的大量軟土具有含水量高、孔隙比大、滲透性小、力學(xué)特性復(fù)雜等特點(diǎn).但是,由于城市建設(shè)的需要,很多深基坑的開挖使周圍土體中的水位下降,并使側(cè)壁的土處于非飽和狀態(tài).在一些填土路基工程中也存在著大量的非飽和土.因而,對(duì)上海地區(qū)非飽和土性質(zhì)進(jìn)行研究也具有重要的實(shí)際意義.
國(guó)內(nèi)已有很多學(xué)者對(duì)非飽和土的土-水特性和力學(xué)特性進(jìn)行了研究.例如,葉為民等[2]采用濾紙法、滲析法和氣相法獲得上海第②層土在0~1 400 kPa范圍以及全吸力(0~106kPa)范圍內(nèi)的土-水特征曲線,確定了上海第②層軟土的進(jìn)氣值在110~250 kPa之間.尹驥等[3]通過對(duì)上海第②層粉質(zhì)黏土重塑土進(jìn)行控制吸力、凈圍壓的加卸載剪切試驗(yàn),證明了隨著吸力的增大,土體的剛度和強(qiáng)度也隨之增大,并得到了變形模量與吸力及圍壓的關(guān)系.孟德林等[4]用濾紙法試驗(yàn)研究了高廟子膨潤(rùn)土與砂混合物的土-水特性.孫德安等[5]研究了影響土-水特征曲線的主要因素,并指出應(yīng)力狀態(tài)不是影響土-水特征曲線的直接因素.欒茂田等[6]針對(duì)不同類型土體,結(jié)合試樣收縮曲線和土-水特征曲線,分析了土體干燥與干濕循環(huán)過程中基質(zhì)吸力和孔隙比的關(guān)系.張芳枝等[7]研究了反復(fù)干濕循環(huán)對(duì)非飽和土變形和強(qiáng)度特性的影響.
本研究采用壓力板法和濾紙法對(duì)上海地區(qū)第②,③,④層原狀土和第②,③層重塑土進(jìn)行了土-水特性和收縮變形特性試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到了相應(yīng)的土-水特征曲線及收縮變形曲線,并進(jìn)行了對(duì)比分析.
本試驗(yàn)所用的土樣取自上海市虹橋樞紐地區(qū),取樣方式為薄壁取樣,土樣包括第②,③,④層上海軟土,各層土樣的物理指標(biāo)如表1所示.表中w0為試樣初始含水量,e0為初始孔隙比,wl為塑限,wp為液限,Ip為塑性指數(shù).圖1是各層土樣的顆粒級(jí)配曲線,其中對(duì)第②,③層上海軟土還制備了重塑樣.
壓力板法試驗(yàn)和濾紙法試驗(yàn)所用的試樣直徑d=6.18 cm,高度h=2.0 cm.重塑土的制備方法如下:首先,將原狀土樣經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間加水浸泡后充分?jǐn)嚢?,制成飽和泥漿;然后,倒入直徑15 cm,高16 cm的制樣桶中,分級(jí)加載,固結(jié)成樣,最后一級(jí)豎向荷載為75 kPa,在此荷載下,上下端面排水固結(jié)3 d;最后,將土樣從制樣桶中取出,用多層保鮮膜裹緊,放入密閉容器中儲(chǔ)存,供試驗(yàn)用.試驗(yàn)時(shí),根據(jù)試樣尺寸切取固結(jié)土樣的一部分,切削土樣制成試樣.第②,③層上海重塑土固結(jié)試樣的初始含水量分別為30.9%和36.8%.
表1 上海軟土的物理指標(biāo)Table 1 Physical index of Shanghai soft clay
圖1 上海軟土顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Grading curves of Shanghai soft clay
測(cè)量或控制非飽和土吸力的方法很多,主要有張力計(jì)法、濕度計(jì)法、壓力板法、濾紙法等.本研究采用壓力板法控制吸力,用濾紙法測(cè)量土吸力.在0~1 500 kPa吸力范圍內(nèi)采用美國(guó)GCTS公司產(chǎn)的非飽和土固結(jié)儀控制吸力;在大于1 500 kPa的吸力范圍內(nèi),采用濾紙法測(cè)量吸力.
(1)壓力板法.
壓力板法試驗(yàn)采用非飽和土固結(jié)儀,試驗(yàn)前一天打開排水閥和沖刷閥,使陶土板底部管路充分飽和.關(guān)閉沖刷閥后,在排水管水頭差的作用下飽和陶土板1 d左右,等陶土板上表面有水可見時(shí)即可裝樣.在裝樣前將陶土板上的多余水分擦干,使其表面干燥,同時(shí)關(guān)閉進(jìn)排水閥.將制備好的試樣放在壓力室的陶土板上,在壓力室組裝完成固定后,即可通過調(diào)壓閥選擇施加于壓力室的目標(biāo)氣壓.但此時(shí)進(jìn)排水閥不能立即打開,可經(jīng)過適當(dāng)?shù)臅r(shí)間(約為2 h),等施加氣壓充分布滿試樣后,再將試樣底部的排水閥打開.進(jìn)排水穩(wěn)定后,試樣的孔隙水壓通過陶瓷板與外界大氣壓相通,即孔隙水壓Uw=0.根據(jù)非飽和土基質(zhì)吸力的定義可知,施加孔隙氣壓Ua即為試樣的基質(zhì)吸力.因此,可以通過改變孔隙氣壓值來控制基質(zhì)吸力.等試樣在相應(yīng)吸力條件下排水充分穩(wěn)定(每級(jí)約需7 d)后,關(guān)閉進(jìn)排水閥,解除氣壓,取出試樣,測(cè)量試樣質(zhì)量,并用游標(biāo)卡尺多次測(cè)量試樣直徑和高度,取平均值求得體積,由此可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)吸力下的含水量、飽和度和孔隙比.然后立即將試樣放回壓力室內(nèi),重新裝樣,進(jìn)行下一級(jí)吸力試驗(yàn).
為了保證試樣的一致性和試驗(yàn)的精確性,壓力板法對(duì)同一試樣在不同吸力條件下進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)所用陶土板有進(jìn)氣值為500和1 500 kPa兩種規(guī)格,當(dāng)所需吸力在 500 kPa以下時(shí)采用前者,超過500 kPa時(shí)采用后者.故非飽和土固結(jié)儀能施加的吸力最大值為1 500 kPa.試驗(yàn)室的空氣壓縮機(jī)能提供的最大氣壓為800 kPa.本研究通過采用增壓器可提供1 500 kPa以上的氣壓.
(2)濾紙法.
理論上,濾紙法能夠測(cè)量全范圍(0~106kPa)內(nèi)的吸力.在密閉空間里,當(dāng)土與濾紙之間的水分或水蒸氣交換達(dá)到平衡時(shí),可以通過濾紙的率定曲線計(jì)算土中的吸力.濾紙法分為測(cè)基質(zhì)吸力的接觸法和測(cè)總吸力的非接觸法:當(dāng)濾紙與土樣直接接觸良好時(shí),水分便從土中流入濾紙,平衡時(shí)濾紙含水量對(duì)應(yīng)的吸力相當(dāng)于土的基質(zhì)吸力;將干的濾紙懸置于土樣上方(即不直接接觸土),土中水蒸氣進(jìn)入濾紙,平衡時(shí)濾紙含水量對(duì)應(yīng)的吸力相當(dāng)于土的總吸力.
本研究采用 Whatman No.42濾紙,其直徑為55 mm,率定曲線如圖2所示.率定曲線的方程[8]如下:
基質(zhì)吸力(S)的計(jì)算公式為
總吸力(ψ)為
試驗(yàn)前先將濾紙放入烘箱中烘烤24 h以確保濾紙干燥,然后放入干燥器中備用.密封容器采用LockLock盒.將試樣放入容器中,在試樣底部依次對(duì)齊放3張烘干的濾紙.將試樣放入容器中,直接接觸濾紙,其中中間的濾紙用來測(cè)量濾紙的含水量,另外2張主要用于保護(hù)中間濾紙不受土樣污染,以確保正確測(cè)量濾紙的含水量.試樣上部放一張濾紙,在濾紙和試樣中間用一張2層的塑料紗布隔開,使二者不互相接觸,從而可以準(zhǔn)確測(cè)量試樣的總吸力.
圖2 Whatman No.42濾紙率定曲線[8]Fig.2 Calibration curves of Whatman No.42 filter paper[8]
試樣的組裝如圖3所示.將容器密封好,放置在恒溫室中14 d使其達(dá)到水氣平衡狀態(tài).平衡后,小心快速地用干燥的鑷子將濾紙取出,以減少環(huán)境對(duì)濾紙質(zhì)量的影響,并用FA2004N型高精度電子天平稱重,精度為0.1 mg.取出試樣,測(cè)量其質(zhì)量,并用游標(biāo)卡尺多次測(cè)量試樣的直徑和高度,取平均值求得試樣體積.然后烘干試樣,以得到試樣的含水量、飽和度和孔隙比.再將濾紙放入110℃的烘箱中烘干并稱重,得到濾紙的含水量.由此可通過濾紙的含水量從率定曲線中得到對(duì)應(yīng)的吸力值.
圖3 濾紙法示意圖Fig.3 Schematic drawing of the filter paper method
由于試樣達(dá)到水氣平衡所需的時(shí)間較長(zhǎng),故試驗(yàn)采用了不同試樣.把初始狀態(tài)相同的若干試樣風(fēng)干到不同程度,達(dá)到不同的含水量,因此,在濾紙法中,每個(gè)試樣對(duì)應(yīng)一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn).由于試驗(yàn)為人工操作,因此,試驗(yàn)結(jié)果受人為因素和試驗(yàn)環(huán)境影響較大,特別是對(duì)高吸力時(shí)濾紙含水量的測(cè)定精度要求很高.所以,本研究沒有進(jìn)行高吸力范圍的吸力測(cè)定.
由試驗(yàn)結(jié)果可以得到上海地區(qū)第②,③,④層原狀土及第②,③層重塑土的土-水特征曲線(見圖4),即吸力(S)與飽和度(Sr)的關(guān)系曲線.從圖中可以看到,第②,③,④層原狀土的進(jìn)氣值分別為150~180,220~250,650~800 kPa,其中第②層原狀土的進(jìn)氣值與葉為民等[3]得到的上海地區(qū)第②1層軟土的進(jìn)氣值在180 kPa左右的結(jié)論一致.一般通過作圖的方法確定進(jìn)氣值,在土-水特征曲線中,邊界效應(yīng)段的直線與過渡段直線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的吸力就是進(jìn)氣值.從圖中還可以看出,在相同吸力條件下,第②,③,④層土樣的飽和度和含水量依次增大.當(dāng)吸力增至較大范圍內(nèi)時(shí),第②層土樣開始進(jìn)入殘余含水量階段,而第③,④層土樣的含水量依然較高.
一般認(rèn)為,影響土-水特征曲線的主要因素是土的礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)[5],而上述3種原狀土的孔隙比大致相同.因此,造成上述試驗(yàn)現(xiàn)象的原因主要是由于各層土樣的礦物成分不同:第②層為褐黃色黏性土;第③層為灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,土質(zhì)松軟,夾薄層粉砂,在顯微鏡下鑒定為泥質(zhì)粉砂結(jié)構(gòu),礦物成分主要有泥質(zhì)、粉砂質(zhì)石英、方解石及少量云母片,其中泥質(zhì)占10%~15%,石英碎屑占45%~50%,方解石占5%~10%,水云母占10%~15%;第④層為灰色淤泥質(zhì)黏土,黏土礦物為蒙脫石混水云母,顯微鏡下鑒定為泥質(zhì)結(jié)構(gòu),除少量砂質(zhì)石英和方解石外,幾乎全是泥質(zhì)物、黏土質(zhì)點(diǎn)(占55% ~65%),以及顯微鱗片狀或纖維狀的云母片[9].從表1還可以知道,第②,③,④層土樣的塑性指數(shù)依次增大,并且由圖1中第②,③,④層土樣的顆粒級(jí)配可知,微小顆粒的含量越多,保水性能越好,脫水速度越慢,從而使3種不同土樣的進(jìn)氣值與殘余階段含水量差別較大.
圖4 上海軟土的土-水特征曲線Fig.4 Soil-water characteristic curves of Shanghai soft soils
對(duì)于同為第②層土樣的原狀土和重塑土,從圖4(a)中可以看出,重塑土的進(jìn)氣值比原狀土的要大,在吸力變化相同時(shí),重塑土的含水率變化量比原狀土的要小,保水能力更強(qiáng).這主要是由于二者的孔隙比不同造成的,原狀土和重塑土的初始孔隙比分別為1.13和0.83.孔隙比越小,土體越密實(shí),氣體通過孔隙越困難,脫水速度越慢,從而進(jìn)氣值越大.而含水率變化量與土孔隙孔徑大小的均勻性有關(guān),重塑土的孔隙大小比較均勻,故含水率變化量較小.
第③層土樣的原狀土和重塑土的初始含水量大致相等,初始孔隙比十分接近.從圖4(b)中可以看出,第③層原狀土的進(jìn)氣值為220~250 kPa,而第③層重塑土的進(jìn)氣值大約為550~600 kPa,這說明重塑土在相同吸力情況下的保水能力比原狀土強(qiáng).
第③層土樣的原狀土和重塑土的礦物成分是相同的,盡管二者的孔隙比大致相同,但孔隙的孔徑分布不一樣.原狀土的顆粒組合結(jié)構(gòu)復(fù)雜,孔隙大小不均,孔隙孔徑分布比較分散.因此,即使原狀土和重塑土的孔隙比相同,原狀土的最大孔隙孔徑比重塑土的還是要大.當(dāng)施加氣壓時(shí),氣體首先進(jìn)入大的孔隙通道,將水?dāng)D出,導(dǎo)致原狀土樣的進(jìn)氣值較小.當(dāng)吸力氣壓增大到一定程度時(shí),大的孔隙通道中的水基本排完,使得脫水速率變慢.而重塑土經(jīng)過徹底攪拌和固結(jié)后,孔隙大小比較均勻,孔隙孔徑分布較為集中,使得空氣不容易將孔隙里面的水?dāng)D出去,所以重塑土的進(jìn)氣值比原狀土的要高.因重塑土的孔隙大小相對(duì)于原狀土要均勻,一旦吸力超過進(jìn)氣值,其含水率變化量比原狀土要大,故重塑土的土-水特征曲線的斜率(見圖4(b))比原狀土的大.
通過測(cè)量每級(jí)吸力穩(wěn)定后的試樣尺寸可以得出對(duì)應(yīng)吸力下的孔隙比.圖5是在脫濕過程中測(cè)得的5個(gè)試樣的吸力(S)與孔隙比(e)的關(guān)系.從圖5可以看出,隨著吸力的增大,含水量的降低,孔隙比總體是減小的趨勢(shì).開始比較平緩,當(dāng)吸力達(dá)到了一定值時(shí),孔隙比減小較快,并且呈線性下降趨勢(shì);而當(dāng)吸力增大到某一值時(shí),孔隙比幾乎不變.無論原狀土還是重塑土,其趨勢(shì)是一致的.
Alonso等[10]指出,當(dāng)吸力S超過某一臨界吸力S0時(shí),土體將產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性體積變形,并定義了如下的吸力增大屈服方程:
圖5 收縮曲線Fig.5 Shrinkage curves
該方程表示土體的變形分為兩個(gè)階段:當(dāng)S<S0時(shí),土體處于彈性階段;當(dāng)S>S0時(shí),土體處于彈塑性階段.
由圖5可見,當(dāng)吸力很小時(shí),孔隙比變化不大,為彈性階段;當(dāng)吸力增大時(shí),孔隙比變化較快,為彈塑性階段;而當(dāng)吸力很大時(shí),孔隙比并未有明顯變化,土樣收縮變形較小,為縮限階段.在土力學(xué)中,當(dāng)土的體積基本上不再因含水量的減少而減小時(shí),土中的水分主要是固態(tài)的強(qiáng)結(jié)合水,土粒間聯(lián)接非常牢固,這標(biāo)志著土已經(jīng)由半固體狀態(tài)變?yōu)楣腆w狀態(tài).這時(shí)的界限含水量為收縮界限,簡(jiǎn)稱縮限,對(duì)應(yīng)的吸力即為縮限吸力.從圖5中還可以發(fā)現(xiàn),第②,③,④層原狀土從初始狀態(tài)到縮限的收縮變形所引起的孔隙比變化量分別為0.25,0.35,0.44,即收縮變形依次增大.同時(shí),第②,③層重塑土從初始狀態(tài)至縮限的收縮變形所引起的孔隙比變化量分別為0.16和0.38,也是依次增大的.這可能與其塑性指數(shù)有關(guān),塑性指數(shù)越大,黏粒越多,因干化而產(chǎn)生的變形量越大.比較圖5(b)中原狀土和重塑土的收縮曲線可知,對(duì)于含同樣礦物成分的黏土,如不同結(jié)構(gòu)土的孔隙比相近,則收縮變形量也接近.而從圖5(a)可知,對(duì)于含同樣礦物成分的黏土,初始孔隙比越大,則收縮變形量也越大.
圖6是在干燥脫水過程中土體的飽和度與孔隙比之間的關(guān)系.從圖中可以看出,對(duì)于第②,③層原狀土及第②,③層重塑土,當(dāng)飽和度大于90%時(shí),土體的孔隙比減小較明顯;而后隨著飽和度的減小,孔隙比的減小并不十分明顯.對(duì)于這4個(gè)試樣,在干燥脫水過程中,當(dāng)飽和度減小到90%以后,基本完成了變形收縮過程,也就是說,非飽和狀態(tài)下由于吸力增大而引起的收縮變形不大.而對(duì)于第④層原狀土樣,當(dāng)飽和度大于70%時(shí),土體的孔隙比減小較明顯;當(dāng)飽和度小于70%時(shí),孔隙比的變化才不明顯.因此,第②,③層土樣和第④層土樣在干燥脫水過程中,收縮變形基本完成時(shí)對(duì)應(yīng)的飽和度不同.這主要是由于第④層土樣的塑性指數(shù)較大,微小黏土顆粒較多,保水能力強(qiáng).這說明礦物成分不僅對(duì)土-水特性影響明顯,而且對(duì)收縮變形特性的影響也很大.
圖6 飽和度與孔隙比之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between degree of saturation and void ratio
本研究對(duì)上海地區(qū)第②,③,④層原狀土和第②,③層重塑土進(jìn)行了土-水特性試驗(yàn),分別得到了各自的土-水特征曲線和收縮變形曲線,并作了對(duì)比分析.可得到以下結(jié)論:
(1)上海地區(qū)第②,③,④層原狀土的土-水特性各不相同,其保水特性依次增強(qiáng),進(jìn)氣值分別為160~180,220~240,650~800 kPa.
(2)同一種土樣的原狀土與重塑土的土-水特性有很大差別,可用孔隙結(jié)構(gòu)分布不同來解釋這一現(xiàn)象.第③層重塑土的進(jìn)氣值為550~600 kPa,比原狀土的大;而對(duì)于土-水特征曲線的斜率,盡管原狀土與重塑土的孔隙比相近,但重塑土的斜率較大.原因都是由于重塑土的孔隙大小分布比原狀土的均勻.
(3)隨著吸力的增大,上海軟土的收縮變形可以分為3個(gè)階段,即彈性階段、彈塑性階段和縮限階段,每個(gè)階段的變形特點(diǎn)也不同,并且土體的收縮變形大小與塑性指數(shù)有關(guān).
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