非饱和上海软土的土-水和变形特性

陈振新， 孙德安

(上海大学土木工程系，上海200072)

非饱和土的分布十分广泛，主要有自然干燥土和压实土.土坝的建造与运行、环境条件变化情况下的天然土坡、竖直挖方的边坡稳定、膨胀土造成的地面隆起及湿陷性土中的许多实际问题均属于非饱和土力学的研究范畴［1］.可见，对于非饱和土性质的研究有着很高的实际应用价值.

上海地区分布的大量软土具有含水量高、孔隙比大、渗透性小、力学特性复杂等特点.但是，由于城市建设的需要，很多深基坑的开挖使周围土体中的水位下降，并使侧壁的土处于非饱和状态.在一些填土路基工程中也存在着大量的非饱和土.因而，对上海地区非饱和土性质进行研究也具有重要的实际意义.

国内已有很多学者对非饱和土的土-水特性和力学特性进行了研究.例如，叶为民等［2］采用滤纸法、渗析法和气相法获得上海第②层土在0～1 400 kPa范围以及全吸力(0～106kPa)范围内的土-水特征曲线，确定了上海第②层软土的进气值在110～250 kPa之间.尹骥等［3］通过对上海第②层粉质黏土重塑土进行控制吸力、净围压的加卸载剪切试验，证明了随着吸力的增大，土体的刚度和强度也随之增大，并得到了变形模量与吸力及围压的关系.孟德林等［4］用滤纸法试验研究了高庙子膨润土与砂混合物的土-水特性.孙德安等［5］研究了影响土-水特征曲线的主要因素，并指出应力状态不是影响土-水特征曲线的直接因素.栾茂田等［6］针对不同类型土体，结合试样收缩曲线和土-水特征曲线，分析了土体干燥与干湿循环过程中基质吸力和孔隙比的关系.张芳枝等［7］研究了反复干湿循环对非饱和土变形和强度特性的影响.

本研究采用压力板法和滤纸法对上海地区第②，③，④层原状土和第②，③层重塑土进行了土-水特性和收缩变形特性试验，根据试验结果得到了相应的土-水特征曲线及收缩变形曲线，并进行了对比分析.

1 试验研究

1.1 土样物理指标及试样制备

本试验所用的土样取自上海市虹桥枢纽地区，取样方式为薄壁取样，土样包括第②，③，④层上海软土，各层土样的物理指标如表1所示.表中w0为试样初始含水量，e0为初始孔隙比，wl为塑限，wp为液限，Ip为塑性指数.图1是各层土样的颗粒级配曲线，其中对第②，③层上海软土还制备了重塑样.

压力板法试验和滤纸法试验所用的试样直径d=6.18 cm，高度h=2.0 cm.重塑土的制备方法如下：首先，将原状土样经过长时间加水浸泡后充分搅拌，制成饱和泥浆;然后，倒入直径15 cm，高16 cm的制样桶中，分级加载，固结成样，最后一级竖向荷载为75 kPa，在此荷载下，上下端面排水固结3 d;最后，将土样从制样桶中取出，用多层保鲜膜裹紧，放入密闭容器中储存，供试验用.试验时，根据试样尺寸切取固结土样的一部分，切削土样制成试样.第②，③层上海重塑土固结试样的初始含水量分别为30.9%和36.8%.

表1 上海软土的物理指标Table 1 Physical index of Shanghai soft clay

图1 上海软土颗粒级配曲线Fig.1 Grading curves of Shanghai soft clay

1.2 试验方法

测量或控制非饱和土吸力的方法很多，主要有张力计法、湿度计法、压力板法、滤纸法等.本研究采用压力板法控制吸力，用滤纸法测量土吸力.在0～1 500 kPa吸力范围内采用美国GCTS公司产的非饱和土固结仪控制吸力;在大于1 500 kPa的吸力范围内，采用滤纸法测量吸力.

(1)压力板法.

压力板法试验采用非饱和土固结仪，试验前一天打开排水阀和冲刷阀，使陶土板底部管路充分饱和.关闭冲刷阀后，在排水管水头差的作用下饱和陶土板1 d左右，等陶土板上表面有水可见时即可装样.在装样前将陶土板上的多余水分擦干，使其表面干燥，同时关闭进排水阀.将制备好的试样放在压力室的陶土板上，在压力室组装完成固定后，即可通过调压阀选择施加于压力室的目标气压.但此时进排水阀不能立即打开，可经过适当的时间(约为2 h)，等施加气压充分布满试样后，再将试样底部的排水阀打开.进排水稳定后，试样的孔隙水压通过陶瓷板与外界大气压相通，即孔隙水压Uw=0.根据非饱和土基质吸力的定义可知，施加孔隙气压Ua即为试样的基质吸力.因此，可以通过改变孔隙气压值来控制基质吸力.等试样在相应吸力条件下排水充分稳定(每级约需7 d)后，关闭进排水阀，解除气压，取出试样，测量试样质量，并用游标卡尺多次测量试样直径和高度，取平均值求得体积，由此可以计算出对应吸力下的含水量、饱和度和孔隙比.然后立即将试样放回压力室内，重新装样，进行下一级吸力试验.

为了保证试样的一致性和试验的精确性，压力板法对同一试样在不同吸力条件下进行试验.试验所用陶土板有进气值为500和1 500 kPa两种规格，当所需吸力在 500 kPa以下时采用前者，超过500 kPa时采用后者.故非饱和土固结仪能施加的吸力最大值为1 500 kPa.试验室的空气压缩机能提供的最大气压为800 kPa.本研究通过采用增压器可提供1 500 kPa以上的气压.

(2)滤纸法.

理论上，滤纸法能够测量全范围(0～106kPa)内的吸力.在密闭空间里，当土与滤纸之间的水分或水蒸气交换达到平衡时，可以通过滤纸的率定曲线计算土中的吸力.滤纸法分为测基质吸力的接触法和测总吸力的非接触法：当滤纸与土样直接接触良好时，水分便从土中流入滤纸，平衡时滤纸含水量对应的吸力相当于土的基质吸力;将干的滤纸悬置于土样上方(即不直接接触土)，土中水蒸气进入滤纸，平衡时滤纸含水量对应的吸力相当于土的总吸力.

本研究采用 Whatman No.42滤纸，其直径为55 mm，率定曲线如图2所示.率定曲线的方程［8］如下：

基质吸力(S)的计算公式为

总吸力(ψ)为

试验前先将滤纸放入烘箱中烘烤24 h以确保滤纸干燥，然后放入干燥器中备用.密封容器采用LockLock盒.将试样放入容器中，在试样底部依次对齐放3张烘干的滤纸.将试样放入容器中，直接接触滤纸，其中中间的滤纸用来测量滤纸的含水量，另外2张主要用于保护中间滤纸不受土样污染，以确保正确测量滤纸的含水量.试样上部放一张滤纸，在滤纸和试样中间用一张2层的塑料纱布隔开，使二者不互相接触，从而可以准确测量试样的总吸力.

图2 Whatman No.42滤纸率定曲线［8］Fig.2 Calibration curves of Whatman No.42 filter paper［8］

试样的组装如图3所示.将容器密封好，放置在恒温室中14 d使其达到水气平衡状态.平衡后，小心快速地用干燥的镊子将滤纸取出，以减少环境对滤纸质量的影响，并用FA2004N型高精度电子天平称重，精度为0.1 mg.取出试样，测量其质量，并用游标卡尺多次测量试样的直径和高度，取平均值求得试样体积.然后烘干试样，以得到试样的含水量、饱和度和孔隙比.再将滤纸放入110℃的烘箱中烘干并称重，得到滤纸的含水量.由此可通过滤纸的含水量从率定曲线中得到对应的吸力值.

图3 滤纸法示意图Fig.3 Schematic drawing of the filter paper method

由于试样达到水气平衡所需的时间较长，故试验采用了不同试样.把初始状态相同的若干试样风干到不同程度，达到不同的含水量，因此，在滤纸法中，每个试样对应一个试验点.由于试验为人工操作，因此，试验结果受人为因素和试验环境影响较大，特别是对高吸力时滤纸含水量的测定精度要求很高.所以，本研究没有进行高吸力范围的吸力测定.

2 试验结果及分析

2.1 土-水特性

由试验结果可以得到上海地区第②，③，④层原状土及第②，③层重塑土的土-水特征曲线(见图4)，即吸力(S)与饱和度(Sr)的关系曲线.从图中可以看到，第②，③，④层原状土的进气值分别为150～180，220～250，650～800 kPa，其中第②层原状土的进气值与叶为民等［3］得到的上海地区第②1层软土的进气值在180 kPa左右的结论一致.一般通过作图的方法确定进气值，在土-水特征曲线中，边界效应段的直线与过渡段直线的交点对应的吸力就是进气值.从图中还可以看出，在相同吸力条件下，第②，③，④层土样的饱和度和含水量依次增大.当吸力增至较大范围内时，第②层土样开始进入残余含水量阶段，而第③，④层土样的含水量依然较高.

一般认为，影响土-水特征曲线的主要因素是土的矿物成分和孔隙结构［5］，而上述3种原状土的孔隙比大致相同.因此，造成上述试验现象的原因主要是由于各层土样的矿物成分不同：第②层为褐黄色黏性土;第③层为灰色淤泥质粉质黏土，土质松软，夹薄层粉砂，在显微镜下鉴定为泥质粉砂结构，矿物成分主要有泥质、粉砂质石英、方解石及少量云母片，其中泥质占10%～15%，石英碎屑占45%～50%，方解石占5%～10%，水云母占10%～15%;第④层为灰色淤泥质黏土，黏土矿物为蒙脱石混水云母，显微镜下鉴定为泥质结构，除少量砂质石英和方解石外，几乎全是泥质物、黏土质点(占55% ～65%)，以及显微鳞片状或纤维状的云母片［9］.从表1还可以知道，第②，③，④层土样的塑性指数依次增大，并且由图1中第②，③，④层土样的颗粒级配可知，微小颗粒的含量越多，保水性能越好，脱水速度越慢，从而使3种不同土样的进气值与残余阶段含水量差别较大.

图4 上海软土的土-水特征曲线Fig.4 Soil-water characteristic curves of Shanghai soft soils

对于同为第②层土样的原状土和重塑土，从图4(a)中可以看出，重塑土的进气值比原状土的要大，在吸力变化相同时，重塑土的含水率变化量比原状土的要小，保水能力更强.这主要是由于二者的孔隙比不同造成的，原状土和重塑土的初始孔隙比分别为1.13和0.83.孔隙比越小，土体越密实，气体通过孔隙越困难，脱水速度越慢，从而进气值越大.而含水率变化量与土孔隙孔径大小的均匀性有关，重塑土的孔隙大小比较均匀，故含水率变化量较小.

第③层土样的原状土和重塑土的初始含水量大致相等，初始孔隙比十分接近.从图4(b)中可以看出，第③层原状土的进气值为220～250 kPa，而第③层重塑土的进气值大约为550～600 kPa，这说明重塑土在相同吸力情况下的保水能力比原状土强.

第③层土样的原状土和重塑土的矿物成分是相同的，尽管二者的孔隙比大致相同，但孔隙的孔径分布不一样.原状土的颗粒组合结构复杂，孔隙大小不均，孔隙孔径分布比较分散.因此，即使原状土和重塑土的孔隙比相同，原状土的最大孔隙孔径比重塑土的还是要大.当施加气压时，气体首先进入大的孔隙通道，将水挤出，导致原状土样的进气值较小.当吸力气压增大到一定程度时，大的孔隙通道中的水基本排完，使得脱水速率变慢.而重塑土经过彻底搅拌和固结后，孔隙大小比较均匀，孔隙孔径分布较为集中，使得空气不容易将孔隙里面的水挤出去，所以重塑土的进气值比原状土的要高.因重塑土的孔隙大小相对于原状土要均匀，一旦吸力超过进气值，其含水率变化量比原状土要大，故重塑土的土-水特征曲线的斜率(见图4(b))比原状土的大.

2.2 收缩变形特性

通过测量每级吸力稳定后的试样尺寸可以得出对应吸力下的孔隙比.图5是在脱湿过程中测得的5个试样的吸力(S)与孔隙比(e)的关系.从图5可以看出，随着吸力的增大，含水量的降低，孔隙比总体是减小的趋势.开始比较平缓，当吸力达到了一定值时，孔隙比减小较快，并且呈线性下降趋势;而当吸力增大到某一值时，孔隙比几乎不变.无论原状土还是重塑土，其趋势是一致的.

Alonso等［10］指出，当吸力S超过某一临界吸力S0时，土体将产生不可恢复的塑性体积变形，并定义了如下的吸力增大屈服方程：

图5 收缩曲线Fig.5 Shrinkage curves

该方程表示土体的变形分为两个阶段：当S＜S0时，土体处于弹性阶段;当S＞S0时，土体处于弹塑性阶段.

由图5可见，当吸力很小时，孔隙比变化不大，为弹性阶段;当吸力增大时，孔隙比变化较快，为弹塑性阶段;而当吸力很大时，孔隙比并未有明显变化，土样收缩变形较小，为缩限阶段.在土力学中，当土的体积基本上不再因含水量的减少而减小时，土中的水分主要是固态的强结合水，土粒间联接非常牢固，这标志着土已经由半固体状态变为固体状态.这时的界限含水量为收缩界限，简称缩限，对应的吸力即为缩限吸力.从图5中还可以发现，第②，③，④层原状土从初始状态到缩限的收缩变形所引起的孔隙比变化量分别为0.25，0.35，0.44，即收缩变形依次增大.同时，第②，③层重塑土从初始状态至缩限的收缩变形所引起的孔隙比变化量分别为0.16和0.38，也是依次增大的.这可能与其塑性指数有关，塑性指数越大，黏粒越多，因干化而产生的变形量越大.比较图5(b)中原状土和重塑土的收缩曲线可知，对于含同样矿物成分的黏土，如不同结构土的孔隙比相近，则收缩变形量也接近.而从图5(a)可知，对于含同样矿物成分的黏土，初始孔隙比越大，则收缩变形量也越大.

图6是在干燥脱水过程中土体的饱和度与孔隙比之间的关系.从图中可以看出，对于第②，③层原状土及第②，③层重塑土，当饱和度大于90%时，土体的孔隙比减小较明显;而后随着饱和度的减小，孔隙比的减小并不十分明显.对于这4个试样，在干燥脱水过程中，当饱和度减小到90%以后，基本完成了变形收缩过程，也就是说，非饱和状态下由于吸力增大而引起的收缩变形不大.而对于第④层原状土样，当饱和度大于70%时，土体的孔隙比减小较明显;当饱和度小于70%时，孔隙比的变化才不明显.因此，第②，③层土样和第④层土样在干燥脱水过程中，收缩变形基本完成时对应的饱和度不同.这主要是由于第④层土样的塑性指数较大，微小黏土颗粒较多，保水能力强.这说明矿物成分不仅对土-水特性影响明显，而且对收缩变形特性的影响也很大.

图6 饱和度与孔隙比之间的关系Fig.6 Relationship between degree of saturation and void ratio

3 结论

本研究对上海地区第②，③，④层原状土和第②，③层重塑土进行了土-水特性试验，分别得到了各自的土-水特征曲线和收缩变形曲线，并作了对比分析.可得到以下结论：

(1)上海地区第②，③，④层原状土的土-水特性各不相同，其保水特性依次增强，进气值分别为160～180，220～240，650～800 kPa.

(2)同一种土样的原状土与重塑土的土-水特性有很大差别，可用孔隙结构分布不同来解释这一现象.第③层重塑土的进气值为550～600 kPa，比原状土的大;而对于土-水特征曲线的斜率，尽管原状土与重塑土的孔隙比相近，但重塑土的斜率较大.原因都是由于重塑土的孔隙大小分布比原状土的均匀.

(3)随着吸力的增大，上海软土的收缩变形可以分为3个阶段，即弹性阶段、弹塑性阶段和缩限阶段，每个阶段的变形特点也不同，并且土体的收缩变形大小与塑性指数有关.

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