非饱和粉质粘土土水特性的试验研究

石家庄铁道学院学报

Vol.14　No.3

Sep.2001

2001年9月　　　　JOURNALOFSHIJIAZHUANGRAILWAYINSTITUTE

非饱和粉质粘土土水特性的试验研究

刘晓敏　赵慧丽　王连俊

1)

2)

1)

(北方交通大学土木建筑工程学院1)　北京　100044石家庄铁道学院交通工程系2)　石家庄　050043)

【摘要】简要介绍了非饱和土的吸力概念与土水特征曲线,针对土水特征曲线难以描述的问题,对北京地区普遍分布的非饱和粉质粘土进行研究。利用Tempe压力板吸力仪测出粉质粘土的土—水特征曲线,通过线性拟合分析得出其吸力方程,并对方程进行了误差分析。

【关键词】粉质粘土　基质吸力　土-水特征曲线

【中图分类号】TU44　【文献标识码】A　【文章编号】1006-3226(2001)03-0078-05

1　引言

非饱和土不同于饱和土的最本质的原因就是非饱和土中吸力的存在。一般来说,研究非饱和土地的吸力就是指研究它的基质吸力。基质吸力在控制非饱和土的力学性状方面起着十分重要的作用。

非饱和土的基质吸力随着含水量的变化而变化,含水量和基质吸力的关系称为土-水特征曲线。而非饱和土的抗剪强度与土体的基质吸力有着直接的关系,我国很多地区土体边坡在雨后容易失稳,这是因为

雨水入渗后土体含量的提高使得土体基质吸力明显下降,在土坡浅层,基质吸力甚至消失,抗剪强度明显降低,从而导致土体边坡的失稳[1]。

含水量的变化与非饱和土体的基质吸力到底有什么样的数量关系是非饱和土研究中亟待解决的问题,因此研究非饱和土的土水特性有着重要的理论意义和工程意义。

2　非饱和土土水特征曲线方程

非饱和土的基质吸力是指土体中空隙气压力和空隙水压力的差值,它反映了以土的结构、土颗粒成分及孔隙大小和分布形态为特征的土的基质对土中水分的吸持作用,是研究非饱和土工程性质的一项重要参数。

非饱和土的土-水特征曲线是含水量和基质吸力的关系曲线,在特定的情况下(如土体水分仅受单一外界因素作用时),土体的基质吸力是含水量的唯一函数,该曲线目前还不能根据土的基本性质由理论分析得出,只能用试验方法确定。

国外大部分用于描述土水特征曲线的方程式都是根据经验和曲线的形状而建立起来的,而且都是以土的粒度分布为基础的,其方程式如表1所示,表中土体的体积含水量指土中水的体积与土的总体积的比值。从表1中可以看出,国外描述土水特征曲线的方程都比较复杂,未知参数比较多,而且参数多由经验得到,应用起来比较困难。国内有关方面的研究也没有更好的解决方法。本文拟直接从试验中得出土-水

　　收稿日期　2000-11-19　刘晓敏　女　1977年1月出生　硕士研究生[2]

第3期　　　　　　　　　　刘晓敏等:非饱和粉质粘土土水特性的试验研究　　　　　　　　　　　79　特征曲线,研究它的应用方程,为非饱和土的理论在工程中的应用提供数量上的依据。

表1　描述土水特征曲线的方程式

提出者

方程式

󰀁——体积含水量󰀁s——饱和体积含水量

󰀁s

FredlundandXing

󰀁=c(h)

1nexp(1)+

h

a

bc参数含义

h——基质吸力

a——进气值函数的土性参数

b——当超过土的进气值时,土中水流出率函数的土性参数

c——残留含水量函数的土性参数

VanGenuchtenand

BurdineGardner

=󰀁󰀁r+

1+󰀁=󰀁r+

󰀁s-󰀁rha

b1-2b

、含义同上󰀁󰀁s、h、a、b、󰀁r——残余体积含水量󰀁󰀁、󰀁h、a、b、c含义同上r、s、

󰀁s-󰀁rh1+

a

aahb

BrooksandCorey󰀁=󰀁r+(󰀁s-󰀁r)

bb

󰀁r——残余体积含水量aa——气泡压力bb——孔隙尺寸指数A——适当参数B——适当参数󰀁e——有效体积含水量

Williamsetal

1n󰀁e=A+B1nh

3　Tempe仪量测吸力

目前,国内外吸力测试技术按方式可分为:(1)直接测量法:压力板吸力仪,负压计(张力计);

(2)间接测量法:热传导吸力探头,热偶湿度计,石膏(或玻璃纤维)电阻计,滤纸法。

本次试验,试验仪器选择的是Temepe仪,试验用土为粉质粘土,取自北方交通大学教学东配楼基坑工程。土性指标为:天然重度󰀁=19kN/m3,天然含水量w=18%,饱和度Sr=65%,内摩擦角󰀁=28°。

使用Tempe仪时,首先将土件置于Tempe仪护筒内的高进气值陶瓷板上,然后使高进气值陶瓷板和土试件饱和,高进气值陶瓷板下设有一排水管,供土试件排水之用。土试件饱和后,从仪器中排除多余的水,然后将顶板安装好并上紧,通过顶板上的进气管施加气压力,顶板和底板在试验过程中紧密连接在一起。设定气压力等于所需的基质吸力值。一旦施加气压力,试件就通过高进气值陶瓷板排水,直至达到平衡。土的基质吸力就等于施加的气压力。达到平衡的时间取决于试件的厚度和渗透性,以及高进气值陶瓷板的渗透性。在达到平衡后,称量试件和仪器的重量,以便测定其含水量的变化(本次试验中的含水量指体

dw󰀁,󰀁d为土的干密度,󰀁w为水的密度)。然后,在施加更高气󰀁w

压力(即更高的基质吸力)下,重复这一步骤[3]。

积含水量󰀁,它与重力含水量w的关系为󰀁=

4　试验结果及数据处理分析

4.1　试验结果

试验共取了16组土样,压力水柱的高度(cm)分别为10,20,35,50,70,90,120,150,200,300,400,600,800,1000,2000,3000,5000,10000,测得不同的体积含水量,绘制图表(半对数坐标)如下:

由图1可看出:

80石　家　庄　铁　道　学　院　学　报

(1)粉质粘土土-水特征曲线呈“形。S”

(2)体积含水量随着基质吸力的增加而递减,这与

第14卷

一般的理论知识是一致的。

(3)体积含水量随着基质吸力的增加而递减的趋势中间的变化比较大,而在两端的变化相对较小。4.2　数据处理

图1中所示曲线比较复杂,其方程式为一高次函数,为工程中使用方便,将图1中所示曲线分成两段来考虑。当基质吸力在10～300cm之间变化时,体积含水量与基质吸力的关系可以用图2来表示,当基质吸力在300～10000cm之间变化时,体积含水量与基质吸力的关系可以用图3来表示。

图1　土-水特征曲线(h为10～10000cm)

图2　土-水特征曲线(h为10～300cm)　　　　　　　　　　图3　土-水特征曲线(h为300～10000cm)

对图2中各曲线采用形如󰀁i=aih+bih+ci的二项式拟合。式中,󰀁i为各基质吸力对应的体积含水量;h为压力水柱高度表示的基质吸力;ai,bi,ci为拟合系数,i=1,2,…,16。拟合系数见表2。

表2　各曲线拟合系数值(h在10～300cm之间)　　　　　　表3　各曲线拟合系数值(h在300～10000cm之间)系数组数

12345678910111213141516算术平均值

　　ai-0.005-0.0001-0.0002-0.0002-0.0000-0.0002-0.0002-0.0002-0.0001-0.0005-0.0005-0.0002-0.0001-0.0001-0.0005-0.0005-0.0002

　　bi-0.0065-0.022-0.0074-0.0052-0.0270-0.0045-0.0095-0.006-0.0068-0.0371-0.0330-0.0054-0.0066-0.0095-0.0095-0.0182-0.0115

　ci45.82148.47751.7851.73644.75849.44451.96250.98346.60641.97944.23246.39040.16642.41242.98636.95046.043

系数组数

12345678910111213141516算术平均值

di

-4.94975-6.3735-4.9684-5.8911-5.8582-7.2406-5.7517-5.2797-4.0413-4.4014-4.9587-4.3223-4.4785-5.2680-3.6757-4.6517-5.1319

fi　　54.88170.62254.27158.27159.48969.03158.94061.15448.46253.04252.79052.45956.82163.81346.79952.49557.0838

2

对图3中各曲线采用形如󰀁i=di1nh+fi的方程来进行拟合。第3期　　　　　　　　　　刘晓敏等:非饱和粉质粘土土水特性的试验研究　　　　　　　　　　　81　式中:󰀁i、h意义同上,di,fi为拟合系数,i=1,2,…,16。拟合系数见表3。

根据求得的算术平均值,可以得出当压力水柱在10～300cm之间时,描述土水特征曲线的方程式为:

=-0.0002h2-0.0115h+46.043󰀁

同理,可得出压力水柱在300～10000cm之间时,描述土水特征曲线的方程式为:

󰀁=-5.13191nh+57.0838

4.3　误差分析

为了检验以上两上拟合公式的准确性,需要分别计算其试验值与计算值的相对误差,当压力水柱高度在10～300cm之间时,体积含水量计算值与试验值的相对误差如表4所示:

表4　体积含水量计算值与试验值的相对误差(h在10～300cm之间)

压力水柱/cm

10

20355070

计算值/%45.9145.7345.3944.9644.26

试验值/%45.3344.9945.0345.0144.57

相对误差/%

1.381.640.800.100.70

压力水柱/cm

90120150200300

计算值/%43.3941.7839.8235.7424.59

试验值/%43.7642.2940.6337.6125.52

相对误差/%

0.861.212.004.973.64

(1)(2)

当压力水柱高度在300～10000cm之间时,体积含水量计算值与试验值的相对误差如表5所示:

表5　体积含水量计算值与试验值的相对误差(h在300～10000cm之间)

压力水柱/cm

　300

　400　600　8001000

计算值/%27.8126.3424.2622.7821.63

试验值/%25.5226.5922.7420.3419.48

相对误差/%

8.98

0.976.6411.9711.04

压力水柱/cm

2000

3000500010000

计算值/%18.0715.9913.379.81

试验值/%15.6614.5813.5112.61

相对误差/%

5.46

9.71.0222.12

从以上计算可以看出,当压力水柱在10～300cm之间时,可得体积含水量和基质吸力之间的关系式:󰀁=-0.0002h-0.0115h+46.043,其计算精度满足工程要求,且公式简单;当压力水柱在300～10000

=-5.13191nh+57.0838计算的结果不太令人满意,误差相对比较大。cm之间时,由相应的拟合公式:󰀁

2

5　结语

通过Tempe压力板试验,对非饱和粉质粘土进行了研究。经过对试验数据的拟合分析,得出了吸力的计算公式,且证明了当非饱和粉质粘土的基质吸力较小时,体积含水量与吸力具有简单的二项式关系,计算误差符合工程要求;但当基质吸力较大时,计算的结果不甚满意,这与非饱和土在高吸力条件下性质复杂,不无关系,可见在高吸力条件下,仅考虑基质吸力与体积含水量的单一关系是不够的,还有待与进一步

研究。

此外,对于非饱和土的土—水特征曲线方程并不是唯一的。土的类型不同,所得出的方程也有所不同。在本文中是以北京地区非饱和粉质粘土为研究对象来进行试验的,因此得出的结论并不能适用于所有的土质,对于其它的土质是否有同样的规律仍需要进一步的研究。

参考文献

[1]DelwynG.Fredlund,HariantoRahardjo.SoilMechanicsforUnsaturatedSoil[M].北京:中国建筑工业出版社,

1997.157～15982石　家　庄　铁　道　学　院　学　报第14卷

[2]ClaudiaElenaZapata.UncertaintyInSoil-Water-CharacteristicCurveAndImpactsOnUnsaturatedShearStrengthPre-dictions[D].Arizona:ArizonaStateUniversity.1999.

[3]王连俊.施工扰动非饱和土体工程性质及稳定性研究[D].北京:北方交通大学土木建筑工程学院.1999.

ResearchonSoil-waterCharacterofUnsaturated

PulverescentClaybyExperiment

LiuXiaomin　ZhaoHuili　WangLianjun

1)

2)

1)

(CivilEngineeringandArchitectureSchool,NorthernJiaotongUniversity1),Beijing100044DepartmentofCommunicationEngineering,ShijiazhuangRailwayinstitute2),Shijiazhuang050043)

【Abstract】Theconceptofsuctionaboutunsaturatedsoilandthesoil-watercharactercurvearein-troduced.Inordertosolvetheproblemthatthesoil-watercharactercurveisdifficulttodescribe,unsatu-ratedpowderyclayinBeijingisresearched.Inthispaper,thesoil-watercharacterofunsaturatedpow-deryclaybyTempeanditssuctionequationbylinearanalysisarefound.Theerrorisalsoanalyzed.【Keywords】powderyclay　matricsuction　soil-watercharactercurve