压缩变形影响下的土-水特征曲线及其简化表征方法

水

文章编号：0559-9350（2014）10-1239-08利学报压缩变形影响下的土-水特征曲线及其简化表征方法

陶高梁1，2，张季如3，庄心善2，杨琳3

（1.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉

2.湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430071；

430070）430068；3.武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉

摘要：非饱和土的本构关系研究需获得任意压缩变形条件下的土-水特征曲线，但试验测量往往只能给出特定状态下的土-水特征曲线。压缩变形改变了土体孔隙分布特性，从而影响其土-水特征曲线。采用压汞技术、核磁共振技术、扫描电镜研究压缩变形条件下土体孔隙孔径分布的变化规律，基于实测及已有试验数据研究土-水特征曲线变化规律，通过孔径分布变化规律阐释压缩变形影响土-水特征曲线的机制。研究结果表明：在不同的压缩变形条件下，土体（单位颗粒质量）的累计孔隙体积分布整体上呈现“扫帚型”分布，质量含水率表示的土-水特征曲线也呈现相似的分布，二者变化规律较为一致，从而揭示了土-水特征曲线随压缩变形变化的内在机理。在此基础上，建议了一种压缩变形影响下的土-水特征曲线简化表征方法，其描述的土-水特征曲线与试验结果吻合较好。

关键词：压缩变形；土-水特征曲线；孔隙分布；压汞技术；核磁共振

中图分类号：TU43文献标识码：Adoi：10.13243/http://doc.guandang.netki.slxb.2014.10.0131研究背景

非饱和土的基质吸力与含水率之间的关系称为土-水特征曲线（Soil-watercharacteristiccurve，简称SWCC），是非饱和土土力学理论研究的基础，在非饱和土的工程性质研究中具有重要的地位。非饱和土土力学理论研究需要任意压缩变形条件下的SWCC，试验测量一般无法完全满足。因此，建立任意压缩变形条件下的SWCC预测方法，一直以来是非饱和土研究领域的热点问题，具有重要性与迫切性。

在压缩变形对SWCC的影响规律研究方面，刘奉银等

［5］［6］［1］、张文杰等［2］、Jang等［3］、Miao等［4］、Huang、王铁行等进行了大量的试验。结果表明：不论在低吸力还是高吸力范围，初始孔隙比对

［7］体积含水率、饱和度所表示的SWCC影响明显。孙德安等对质量含水率表示的SWCC进行了研

究，认为干密度对SWCC影响较小，并建议高吸力范围内用粉状试样直接测量。

对于压缩变形条件下SWCC的预测，Rawls等、Rajkai等建立经验公式来描述干密度、黏粒含量、有机物等对SWCC的影响规律。这种统计分析方法考虑因素较多，实际效果并不理想。孙德安［10］［8］［9］的研究表明，干密度、应力历史通过孔隙分布特性来影响SWCC，只要孔隙分布特性相近，则其SWCC相近，这也符合Young-Laplace理论。由此可见，对于特定的温度及土体，压缩变形主要是通过孔隙分布来影响SWCC，孔隙分布研究可揭示SWCC变化的内在机理，但相关研究并不多见。可喜的是，Huang、Sun等［5］［11］、张雪东等［12］、张昭等［13］研究孔隙比对SWCC的影响规律，提出

收稿日期：2014-01-16；网络出版日期：2014-08-12

网络出版地址：http：//http://doc.guandang.net/kcms/detail/http://doc.guandang.net.20140812.1153.007.html

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51209084，41072214）；湖北工业大学博士科研启动基金（BSQD12061）

作者介绍：陶高梁（1979-），男，湖北黄冈人，副教授，博士后，主要从事土体孔隙结构及非饱和土研究。

通讯作者：张季如（1964-），男，湖北武汉人，博士，教授，主要从事岩土工程研究。E-mail：zhangjr@http://doc.guandang.netE-mail：tgl1979@http://doc.guandang.net

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了相应的预测方法，促进了相关研究的发展。值得指出，从孔隙分布特性出发预测压缩变形对SW CC的影响有望取得新进展。本文基于压汞技术、核磁共振技术、扫描电镜（SEM）研究压缩变形对土体（单位颗粒质量）孔隙分布特性的影响规律，再与压缩变形条件下质量含水率表达的SWCC变化规律进行对比分析，从孔隙分布特性阐释SWCC变化机理。最后建议了一种压缩变形影响下的土-水特征曲线简化表征方法，其描述的土-水特征曲线与试验结果基本吻合。

2

2.1变形对土体孔隙分布特性的影响规律供试土样土样取自武汉某工程基坑底部黏土，属第四纪全新世沉积黏性土，土体基本物理性

3质指标见表1。土样风干后，过2mm筛，采用液压千斤顶制备3组平行试样，每组重塑试样7个，干密度ρd分别为1.30、1.35、1.40、1.45、1.50、1.60、1.71g/cm。3组试样分别用于压汞试验、核

磁共振试验及SWCC测试。

2.2压汞试验将制得的7个试样进行抽真空饱和，为保证土体孔隙不受干燥的影响，采用液氮冷冻

3对试样进行干燥处理。利用锋利小刀切取1cm的小方块备用。采用美国康塔公司生产的PoreMaster33

压汞仪进行压汞试验，孔径分布的试验结果如图1所示。应说明的是，图1中分析的是单位颗粒质量（1g）对应的孔隙分布规律，这与后文中的质量含水率相对应。由图1可知，随着干密度的增大，孔径大于20μm以上的孔隙体积变化极为明显，小孔隙累计体积几乎不变，整体图形呈现“扫帚型”分布。

2.3NMR）技术研究更大体积（32cm）样本的孔隙分布特性。NMR技术是一种主要用于医学诊断、石油勘3核磁共振试验为进一步验证压汞试验结论，采用核磁共振（Nuclearmagneticresonance，简称

［14-17］探等领域的无损测试方法，近年来开始应用于岩石、土体、煤孔隙分布特性研究方面

验一般给出T2谱分布，弛豫时间T2值与孔径d成正相关［18］。NMR试［19］次试验采用纽迈公司制造的低磁场NMR分析仪器。对备用7个试样进行抽真空饱和，再进行NMR测试。试验结果给出整个试样的T2谱分布（相对于总体积32cm），为分析单位颗粒的孔隙分布情况式给出（见图2），显示同样呈现“扫帚型”分布，即T2值（孔径）较大时，不同干密度样本的累计孔隙体积差别非常大，而T2值（孔径）较小时，累计孔隙体积几乎一致。3，T2谱总面积可以标定为总孔隙度。本并与质量含水率表示的SWCC进行对比分析，将试验结果以单位颗粒质量包含的累计T2分布谱的形

弛豫时间T2

/ms

图1不同干密度下土体的孔隙孔径分布图2不同干密度下土体的累计孔隙体积—T2关系曲线

2.450、100、200、400、800kPa条件下完成压缩试验，并获得试样的SEM图像

-1SEM试验土样取自汉宜铁路某段原状软黏土，制试样6个。其中5个试样分别在荷载等级为［20］，图3是不同压缩压2力下试样SEM照片转换后的二元图像，其中白色代表孔隙，黑色代表颗粒。为使分析结果具有可比性，各图像的放大倍数（1000倍）、分辨率（0.095μmpixel）和分析区域（127.8×95.8μm）完全一致。

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表1

土体埋深/m

天然密度（/g/cm3）土粒相对密度

土样的物理性质指标天然质量含水率/%

液限/%

塑限/%

塑性指数

从图3可以直观看到，对于一定的研究区域来讲，随着压缩应力的增加（变形量的增加），大孔隙越来越少，小孔隙越来越多，该区域内的小孔隙累计面积越来越大。另一方面，该区域内颗粒面积（可以理解为颗粒质量）也越来越大，那么相应于一定的颗粒面积而言，小孔隙累计面积随压缩变形变化规律会是怎样呢？我们利用IPP软件提取孔隙分布数据［21］，并给出相应于一定的颗粒面积的孔径分布变化 …… 此处隐藏：12207字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……