基于離心機法研究變重度壓實黃土土—水特征曲線

潘宗俊1,劉慶成2

(1交通部公路科學研究院　北京市　100088; 2·中國公路工程咨詢集團有限公司　北京市　100088)

    摘要:為研究壓實黃土土—水特征曲線,采用離心機對不同壓實度黃土進行脫水試驗。通過調節離心機轉速 得到不同吸力條件下壓實黃土含水量以及重度的變化,將定重度的壓實黃土土-水特征曲線和變重度的土-水特征 曲線進行分析比較,得出不同壓實度黃土土-水特征曲線的變化規律。結果表明:離心試驗過程中土樣重度隨吸力 增大而增加,其變化過程分為快速增大、慢速增大和基本穩定3個階段,土樣的重力含水量隨基質吸力的逐漸增大而 減小,在相同的含水量下,基質吸力隨著壓實度的增加而增大;考慮重度變化且吸力高于6 bar各組不同壓實度試樣 土—水特征曲線基本重合,而并非未考慮重度土-水特征曲線的平行關系,因此測定壓實黃土土—水特征曲線必須 考慮重度的變化。

    關鍵詞:土—水特征曲線;變重度;壓實黃土;離心機;吸力;體積含水量

    土-水特征曲線SWCC(Soil—water Characteris- tic Curve)是描述非飽和土中的基質吸力與體積含水 量、重量含水量或飽和度等之間關系的重要曲線[1]。 測定土-水分特征曲線的方法主要有3種:張力計、 壓力膜和離心機法[5,6]。通常用張力計、壓力膜、離心 機等方法測定土-水分特征曲線時,都存在著因壓 力、離心力作用或濕脹干縮而導致的重度變化[6]。有 研究表明[6,7]:在采用壓力膜法測定土-水分特征曲 線的過程中,當壓力從0 kPa增加到1 500 kPa時,土 壤重度相應地從1·2 g/cm3變化到1·86 g/cm3;用離 心機法測定重壤土的水分特征曲線時,在0~ 2 000 kPa的范圍內,土壤的重度變化為1·3 ~ 2·05 g/cm3。忽略這一重度變化必然與實際情況有較 大的差別,帶來一定的誤差,因此土-水分特征曲線 測定過程中的重度變化值得重視和進一步探索。 鑒于張力計量程為0~100 kPa,不能全面刻畫 土-水特征曲線;壓力膜法實驗過程要反復稱重,不 可避免地存在著水分的蒸發和小土顆粒的散失等誤 差,耗時且實驗數據精度不高[8];本文采用離心機法 研究壓實黃土的土-水特征曲線,試驗過程測定不 同壓實度黃土的土-水特征曲線以及重度的變化, 將定重度的壓實黃土土-水特征曲線和變重度的土 -水特征曲線進行分析比較,得出不同壓實度黃土 土-水特征曲線的變化規律。

    1　離心機法基本原理

    用離心機測定土-水特征曲線的基本原理,實際上就是把重力場裝置搬移到離心力場。在重力場中,H高度的水體是受重力加速度G作用。在離心場中,G的作用由離心加速度rω2代替(r為運轉半 徑,ω為角速度)。

    式中:H為水勢;r為離心機半徑;h為裝土量(g);ρ為水的密度;n為轉速(轉數/min)。 根據公式(4)將H轉化為吸力值,進而可以計算出吸力和轉速的對應關系。

    2　試驗步驟

    2·1　試驗黃土的物理性質

    本試驗黃土試樣取自陜西周至,根據公路工程土工試驗規程,進行如下常規物理力學試驗,數據見表2。

    2·2　試驗裝置及操作步驟

    試驗采用HITACHI公司生產的CR21G高速恒溫離心機,由中科院水土保持所引進,如圖1和圖2所示。起動離心機時,先打開離心機開關,按DOOR鍵后,機殼門可自行打開,然后完成以下幾步。

    (1)先把轉子平穩放在轉軸上,使轉子來回轉動靈活即可。

    (2)土樣試管平衡對稱放入轉頭里,相對稱的土樣試管重量必小于2 g。

    (3)放土樣試管時,應使貯水器靠近轉子圓周的外邊緣,土樣試管透氣孔必須朝上。

    (4)擰緊轉子上的蓋子,確定擰緊后方可開機。

    (5)關好機殼門,可按要求設置所需的各項參數,核對無誤后可按START鍵運動,運動要在設定的時間、穩重后,再設定轉速運動,進而得到被測土樣含水量和重度。

    土樣經過碾壓后過2 mm土篩,均勻混合后放入烘箱,在105℃烘干制備成試驗用的土樣。稱取60g烘干土樣,采用分層壓實法配置3組不同壓實度(85%, 92%, 100%)的試樣,每組4個相同壓實度的試樣,分別裝入到D(直徑)×h(高度)=4·4 cm ×4·4 cm的有機玻璃盒中,然后將土樣飽和。將飽和后的土樣稱重,用游標卡尺量取土樣長度并確定 飽和時土壤的重度,然后將土樣放入離心管中,按照 設定的離心力(1·02~102 m水柱)進行旋轉。待到達平衡時間后,取出有機玻璃土樣盒,稱重且通過游標卡尺量距確定該離心力下的土樣含水量及重度, 將不同吸力的離心試驗做完后,把土樣取出并放入烘箱烘干稱重,進而求得體積含水量與吸力的特征曲線。

    3　試樣重度變化

    離心機法測定土—水特征曲線過程中隨著轉 速(離心力)的不斷增加,含水量減少,土體體積隨 之收縮,重度相應增大,在不同吸力條件下,將平 衡后的試樣稱重,而后用游標卡尺量測試樣高度 得到體積變化,從而得到試樣的重度變化與吸力 的關系。

    由圖3可見,在低吸力(0~2 bar)范圍內,3組 土樣重度變化曲線較為陡直,存在著明顯的拐點,在 高吸力(6~10 bar)范圍內,4種土壤重度的變化趨 勢基本穩定,離心試驗重度變化分為3個階段。

    (1)快速增大階段,吸力在0~2 bar階段,不同 壓實度的試樣重度均迅速增大。

    (2)慢速增大階段,吸力在2~6 bar階段,重度 增大的速度低于前一階段,但仍有明顯的增長幅度。 (3)穩定階段,當吸力超過6 bar以后,重度增 長的幅度微小,基本認為不發生變化。

    當吸力小于2 bar時,土樣重度隨吸力增加而發 生顯著的增大變化,變化幅度均超過3·2 kN/cm3,單 位吸力(1 bar)內重度增大超過2 kN/cm3,占總的重 度變化的60%以上,這是因為低吸力段土中水主要 以自由水的形式存在,受重力和毛管力的作用,在外 界力的作用下水分容易運動,水分損失較大,造成土 樣容積較大的收縮,使得重度增加較明顯。當吸力 處于2~6 bar時,重度仍然有明顯增長,但是單位 吸力(1 bar)內重度平均變化為0·2~0·8 kN/cm3, 變幅減小。在高吸力段(6~10 bar)內,土顆粒孔隙 水主要以薄膜水、吸著水方式存在,水分移動非常困 難,水分損失很小,因而重度變化很小。

    4　土-水特征曲線

    為得到壓實黃土的土-水特征曲線,必須獲得 土樣中水分含量。離心試驗穩定后,對土樣進行稱 重,整個試驗結束后,進行烘干稱重,各組數據取其 算術平均值,因此可求得不同吸力條件下土樣重力 含水量,見表4。

    由表4可知,離心機轉速增大,土顆粒孔隙中自 由水流出,吸力也隨之增大,重力含水量逐漸減小, 吸力在0~10 bar范圍內,含水量減小了70%左右; 隨壓實黃土含水量的增大,基質吸力持續減小,非飽 和黃土的工程性質向飽和弱性轉化,同一吸力條件 下,隨著壓實度增大,含水量總體上隨之變大。

    為研究考慮重度變化與否對土—水特征曲線中體積含水量影響的差異性,求得以體積含水量為縱坐標的土—水特征曲線,分別將相同壓實度的定重度 和變重度土—水特征曲線繪制成圖,見圖4~圖6。

    由圖4~圖6可知,兩種曲線走勢基本相同,隨著吸力的增大,曲線距離也增大,吸力超過6 bar后,各組曲線之間基本保持平行,這是由于離心試驗過程中,土樣重度在6 bar以后保持穩定;變重度土-水特征曲線較為平緩,相同吸力時,考慮重度變化均高于未考慮重度變化的體積含水量。

    分別考慮測定過程中土樣重度固定不變和發生變化兩種情況,將3組不同壓實度土樣的土—水特征曲線繪成圖,見圖7和圖8。

    由圖7和圖8可知,壓實黃土隨著吸力的增大體積含水量逐漸減小。對于圖7而言,吸力低于4 bar時,微呈“喇叭口”狀收縮,吸力高于4 bar后, 組土樣的曲線呈平行狀,且在相同吸力時,隨著壓實度增大,土樣體積含水量也變大;圖8所示曲線的吸力低于6 bar時,呈“喇叭口”狀收縮,高于6 bar后,三組曲線基本重合。可見,當吸力低于4bar時,隨著離心機轉速增大,飽和土樣中自由水減少,相對密 實的土樣中水散失較少,吸力相同時體積含水量較大,但隨著離心力增大,土樣中吸力值很大時,土中水多以結合水形式存在,僅有少量自由水,土顆粒之間結合緊密,3組土樣的含水量以及重度十分接近, 因此相同吸力對應的體積含水量應比較接近,并非平行關系,而應該為圖8所示重合關系,所以土—水特征曲線測定必須考慮重度的變化。

    5　結語

    采用離心機對3組不同壓實度黃土進行脫水試 驗,測定不同吸力狀態下試樣的重度和含水量,得出 土—水分特征曲線。測定結果如下。

    (1)離心試驗過程中,試樣重度隨著吸力增大而 增大,變化分為3個階段:快速增大、慢速增大和穩 定階段。

    (2)土樣的重力含水量隨基質吸力的逐漸增大 而減小,在相同的含水量下,基質吸力隨著壓實度的 增加而增大。隨壓實黃土含水量的增大,基質吸力 持續減小,非飽和黃土的工程性質向弱性變化。

    (3)相同壓實條件下,變重度土—水特征曲線較 為平緩,相同吸力時,變重度土—水特征曲線的體積 含水量均高于未考慮重度變化的體積含水量。

    (4)吸力低于6 bar時,變重度土水特征曲線呈 “喇叭口”狀收縮,高于6 bar后,3組曲線基本重合, 而并非定重度土水特征曲線的平行關系,因此土— 水特征曲線測定必須考慮重度的變化。

參考文獻:

[1]　D G弗雷德隆德,H拉哈爾佐,著·陳仲頤,等譯·非 飽和土力學[M]·北京:中國建筑工業出版社,1997.

[2]　Sudhakar M Rao, K Revanasiddappa·ROLE OF MA- TRIC SUCTION IN COLLAPSE

OF COMPACTED CLAY SOIL[J]·JOURNAL OF GEOTECHNICAL AND GEOENVIRONMENTAL

ENGINEERING, 2000,(12): 85-90·

[3]　El-Ehwany M, Houston S L·Settlement and moisture movement in

collapsible soils[J]·J·Geotech·Engrg·, ASCE, 1990,116(10):1521-1535·

[4]　Tadepalli R, Rahardjo H, Fredlund D G·Measure- ment of matric

suction and volume changes during in- undation of collapsible soil[J]·

ASTM Geotech·Tes- ting J·,1992, 15(2):115-122·

[5]　雷志棟,楊詩秀,謝森傳.土壤水動力學[M].北京:清 華大學出版社,1988.

[6]　潘宗俊·膨脹土公路路塹邊坡工程性狀研究[D]·西 安:長安大學博士學位論文,2006·

[7]　邵明安·根據土壤水分再分布過程確定土壤的導水參 數[J]·中國科學院西北水土保持研究所集刊,1985, (2):47-53·

[8]　潘宗俊,楊曉華,等·壓實黃土路基到水參數的試驗研 究[J]·公路交通科技,2005,22 (07):52-63·

[9]　黨進謙,李靖,王力·非飽和黃土水分特征曲線的研究 [J]·西北農業大學學報,1997,25(1):55-58·

[10]　李永樂,等·黃河大堤非飽和土土—水特性試驗研 究[J]·巖土力學, 2005,26(3):347-350·

[11]　JTG E40-2007公路土工試驗規程[S]·北京:人民 交通出版社,2007·

[12]　JTG D30-2004公路路基設計規范[S]·北京:人民 交通出版社,2004·