某滑坡滑带土的土水特征曲线试验研究

【摘 要】利用能够控制基质吸力的非饱和土土水特征曲线压力板仪，测定了某滑坡滑带土土样在不同干密度条件下的质量含水量与基质吸力的对应关系。结合试验数据，绘制了各个干密度试样的土水特征曲线，并把不同干密度试样的土水特征曲线呈现在了一幅图上。分析说明了各个试样土水特征曲线变化的总体趋势，并对不同干密度条件下的试样的土水特征曲线作了比较分析。

【关键词】非饱和土；土水特征曲线；基质吸力；干密度

【Abstract】 Using the unsaturated soil-water characteristics curves plate apparatus which can control the matrix suction to measure the corresponding relationship between the water content and the matrix suction of the sliding zone soils samples of a landslide in different dry density condition. According to the test data， the soil-water characteristics curves of different dry density samples are drawn and all those different curves are put into a table. The study analyzes and illustrates the general change trend of the soil-water characteristics curves of the different samples； and the study also compares and analyzes the soil-water characteristics curves of difference samples in different dry density conditions.

【Key words】unsaturated soil； soil-water characteristics curves； matrix suction； dry density

1、前言

非饱和土的基质吸力是指主体内孔隙气压力和孔隙水压力的差值，它反映了以土的结构、土的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[1]。土水特征曲线SWCC（Soil-Water Characteristic Curve）是描述非饱和土中的基质吸力与体积质量分数、质量分数或饱和度等之间关系的重要曲线[2]。非饱和土的抗剪强度与土体的基质吸力有着直接的关系，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[3，4]。本文利用土水特征曲线压力板仪对某滑坡滑带土的粘土土样进行了试验研究和分析，以探讨非饱和土的质量含水量（w）随基质吸力（u）变化的规律，并对不同干密度下的土水特征曲线作了比较。

2、试验

2.1试验原理

其原理是对含有土样的容器施加一定的压力，迫使土壤水分渗出，达到平衡时，土壤基质势与所加压力值相等，通过其他方法测量此时土壤水分含量，从而标定土壤的水分特征曲线。

2.2 试验方法与步骤

用压力板仪测量试样脱湿过程中的基质吸力与质量含水量之间的对应关系，具体操作步骤[5]如下：

（1）试验开始前将土样和高进气值陶土板进行饱和。

（2）将土样置于压力板仪护筒内的高进气值陶土板上使它们充分接触，高进气值陶土板下设有一排水管供土样排水之用。

（3）将顶盖安装好并上紧螺丝，通过护桶壁上的进气管施加气压力，设定气压力等于所需的基质吸力值。

（4）在施加气压力后，利用轴平移技术[5]，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。

（5）在达到平衡后，称量试样的质量，以便测定其质量含水量的变化。

（6）施加下一级更高的基质吸力，重复步骤（3）、（4）和（5）。在施加最高一级基质吸力达到稳定后取出土样，烘干称重，以便测得最高吸力稳定时试样的含水量。

以13、28、63、100、200、300、400、500kPa逐级施加气压，测量每级压力稳定后所对应的试样的含水量，然后绘制土水特征曲线。

3、试验结果与分析

3.1 试验结果绘制

试样是分为4个不同的干密度配制的，根据试验测定的数据，绘制了不同干密度（g/cm3）下的试样的含水量（）随基质吸力（）变化的土水特征（见图1-4），干密度分别为：1.649、1.790、1.841、1.884 g/cm3。

从以上图中可以看出，各曲线的变化趋势基本一致，都呈现含水量随着基质吸力的逐渐增大而减小的现象，但减小的幅度随基质吸力的变化而不同。

为了对4个不同干密度的试样的土水特征作一个比较，就把不同干密度的试样的土水特征在一幅图中展现了出来（见图5）。可以看出干密度的不同对含水量和基质吸力的影响也呈现一定的规律性。

3.2 土水特征曲线基本特征分析

（1）土水特征曲线大致在基质吸力100kPa以前很陡，含水量随吸力增大而衰减很快；在吸力100kPa以后曲线逐渐变缓，且吸力越大含水量的衰减幅度越小。说明该滑带土土样的含水量的衰减在吸力较小时很敏感，随着吸力的增大，这种敏感性逐渐减弱。

（2）土样含水量大概在18%以上时随吸力的增大而减小很快，在18%以下时随吸力的增大而减小幅度逐渐变缓。说明在土样含水量较大时，含水量随吸力的增大而衰减很敏感，在土样含水量较小时，这种敏感性逐渐减弱。

3.3 不同干密度的土水特征曲线比较

（1）从图5的总体来看，干密度越大，土水特征曲线相对就越平缓，即试样脱水相对较慢，说明干密度影响了试样在加压过程中的脱水速度。

（2）从图5的纵向来看，在同一基质吸力不同干密度条件下对应的试样的含水量存在一个差值，干密度越大，含水量越小，说明在同一基质吸力下干密度与含水量呈反比例关系；且这个差值在基质吸力大于200kPa后随着吸力的增大而逐渐减小，说明在基质吸力大于200kPa后随着吸力的增大，干密度对在同一吸力下不同试样含水量的差异的影响越来越小。

从图5来看，在基质吸力小于200kPa时，干密度对同一吸力下不同试样含水量差异的影响也有减小的趋势，但有待进一步研究和论证。

（3）从横向来看，在同一含水量不同干密度条件下对应的试样的基质吸力也存在一个差值，干密度越大，基质吸力越小，说明在同一含水量下干密度与基质吸力也呈反比例关系；但在图5中这个差值随含水量的变化趋势不是很明显。

4、结论

（1）对4个不同干密度的试样的土水特征曲线都作了绘制，变化趋势都是含水量随着基质吸力的增大而减小，但减小的幅度有所不同。

（2）把4个不同干密度的试样的土水特征曲线放在一幅图中作了比较。总体呈现：干密度越大，土水特征曲线相对就越平缓；纵向来看，同一基质吸力下干密度与含水量呈反比例关系，且在基质吸力大于200kPa后随着吸力的增大，干密度对在同一吸力下不同试样含水量的差异的影响越来越小；横向来看，同一含水量下干密度与基质吸力也呈反比例关系。

（3）在图5中，同一含水量不同干密度条件下对应的试样的基质吸力存在一个差值，由于试验数据有限，这个差值对含水量的变化趋势不是很明显。但可以进行进一步的试验，再通过试验数据对土水特征曲线进行函数拟合，得到不同干密度下的土水特征曲线函数，然后再表达出来，就可以看出这个差值随含水量的变化趋势了。同样，这种拟合对同一基质吸力不同干密度条件下对应的试样的含水量随基质吸力的变化趋势也可以作进一步的分析。以上这些不足都需要进一步的研究。

【参考文献】

[1]谈云志，王世梅.土-水特征曲线的研究现状及发展趋势[J].建筑技术开发，2005，32（5）.

[2]徐永福，董平.非饱和土的水分特征曲线的分形模型[J].岩土力学，2002，23（4）：400-405.

[3]Xu Y F， Sun D A. Determination on of expansive soil strength using a fractal model[J]. Fractals，2001，9（1）：51-60.

[4]Fredlund D G，Xing A ，Fredlund M D.The relationship of the unsaturated soil shear strength function to the soil-water characteristics[J].Can Geotech，1996，33（3）：440-448.

[5]弗雷德隆德DG，拉哈尔佐H.非饱和土土力学[M].陈仲颐，张在明，译.北京：中国建筑工业出版社，1997：57-58，157-158.

作者简介：熊荣军（1980―），男，硕士，工程师，主要从事岩土工程勘察及试验检测工作。