基于两种粉质粘土的土水特征曲线试验对比分析

第34卷第8期2018年8月科技通报BULLETIN OF SCIENCE AND TECHNOLOGYVol．34No．8Aug．2018基于两种粉质粘土的土水特征曲线试验对比分析林群仙，李少和（浙江工业职业技术学院建筑工程分院，浙江绍兴312000）摘要：基坑工程的非饱和土问题一直是设计和施工中比较难解决的问题，由于非饱和土理论尚不成熟，在实际工程中往往按照饱和土理论进行设计，这样不可避免出现很多工程问题。

而研究非饱和土的土－水特征曲线是非常重要一个环节，本文通过对浙江诸暨的一个典型基坑工程在降水后形成的两种非饱和粉质粘土取原状样和实验室制作成重塑样，从初始含水率、土的干密度、土的矿物含量和土的结构进行实验入手，分析其对水特征曲线的影响。

得出土的持水能力越强，土水特征曲线越平缓。

关键词：基坑；非饱和土；因素中图分类号：TU441+.2文献标识码：A 文章编号：1001－7119（2018）08－0181－04DOI ：10.13774/j．cnki．kjtb．2018.08.037Experimental Comparative Analysis of Soil Water CharacteristicCurve Based on Two Kinds of Silty ClayLin Qunxian ，Li Shaohe（Department of Construction Engineering ，Zhejiang IndustryPolytechnic College ，Shaoxing 312000，China ）Abstract ：The foundation pit engineering of unsaturated soil problems is always difficult to solve problems in design and construction ，the theory of unsaturated soil is not mature ，in practice often in accordance with the theory of saturated soil is designed ，which inevitably appear many engineering problems．The water characteristic curve of unsaturated soil is a very important link ，through a typical foundation pit engineering of Zhejiang Zhuji formation after rainfall in two kinds of unsaturated silty clay and undisturbed and remolded soil laboratory made ，from the initial water ratio ，dry degree ，soil structure the mineral content and density of soilexperiment ，analyzes its influence on the water characteristic curve．The stronger the water holding capacity ，the more gentle the soil water characteristic curve．Keywords ：foundation ditch ；Unsaturated soil ；Factor 收稿日期：2017－09－02基金项目：2016年省访问工程师项目（项目编号：FG2016118）；教育厅项目（项目编码：Y201737752）。

作者简介：林群仙（1974－），女，四川资阳，讲师/工程师，主要从事建筑工程及岩土工程专业方面教学与研究。

E-mail ：382691419@qq．com 。

土－水特征曲线（SWCC ）是指土中基质吸力与土的含水率之间关系曲线。

吸力有基质吸力和渗透吸力，反映的是在基质吸力作用下土体的持水能力，通过该曲线可以推测抗剪强度、体应变、渗透系数及确定地下水面以上的土水分布，对于不同的非饱和土，土－水特征曲线有所不同，影响土－水特征曲线的因素主要有矿物成分、孔隙大小、初始孔隙比、微观结构、土体收缩性、应力状态、土的应力历史和温度等。

众多学者在此进行了大量的研究，但绝大部分是研究特殊土类，比如黄土、膨胀土等，而由于土182科技通报第34卷具有区域性，对于浙江很多地区的土来说，在这个方面研究较少，特别是降水后的基坑形成的非饱和土体鲜有报道，而这部分土体往往是按照饱和土来设计，这样的结果和实际是不相符合的，因此有必要对该问题进行研究。

1试样与实验仪器试样取自浙江越美国际轻纺商贸城一期工程，工程开挖基坑深度为11.5m，设两层地下室，采用井点降水方法将地下水降至基坑底0.5m以下，处于非饱和状态的土有两层粉质粘土。

本文试验采用原装样和重塑样。

重塑样测量粉质粘土的天然含水率，经风干、击碎、过筛然后密封保存备制样所用。

仪器采用南京泰克奥科技有限公司生产的非饱和土三轴仪，型号为TKA-TTS－10标准试微机控制吸力：高达900kPa；标准试样尺寸：直径39.1mm*高度80mm；微机控制孔隙气压力：0 900kPa，压力室：耐2MPa周围压力。

一套吸力控制系统：孔隙气压力控制范围0 0.9MPa，精度1kPa，孔隙水压力控制范围0 1MPa，精度1kPa，分辨率均为1kPa。

试验原理：试样在孔隙气压和孔隙水压的共同作用下，利用轴平移技术分级控制试样基质吸力，使试样在每一级基质吸力（u a－u w）下水气平衡，试验结束后测量试样的质量（以便校核时用）。

根据试验得出试样在不同基质吸力下的排水量和总体变及相关数据绘制土水特征曲线。

2实验方法（1）陶土板的饱和打开压力室底座上的孔隙水压力的球阀，通过与孔隙水压力1进水孔相连的孔隙水压力控制器施加5kPa的压力进行排水，直至没有气泡排出为止，并关闭球阀。

（2）试样安装将装在承膜筒中的试样放在陶土板上，套好橡皮膜，用橡皮筋扎好下端，然后安放带有铜板的试样帽，用橡皮筋扎好上端，装上压力室，并注内腔水，排除连接在内腔的水管中气泡，最后注外腔水，调整好压力架开始试验。

3土－水特征曲线的影响因素分析在分析和探讨土的含水率、土的干密度、土的矿物颗粒和土的结构对特征曲线的影响时，需要制备实验要求的土样；对于探讨土样初始含水率对土－水特征曲线的影响，需要对同一种土不同初始含水率进行对比试验。

试验土样为越美国际轻纺商贸城粉质粘土1的扰动样，保持原有的干密度、孔隙比，配制的初始含水率分别为30%、24.6%和20%，试验结果见图1；对于分析干密度对土－水特征曲线的影响时，制备重塑试样分别取1.50，1.6，1.65 g/cm3，推算出体积含水量为分别为46%，42%和34%，试样制备完成在保湿缸中密闭放置48h以上，以便水分运移扩散均匀，实验结果见图2；分析土的矿物成分对土－水特征曲线的影响时采用原状土样，分析结果见图3；在分析土体结构的影响时，对同一种土进行了原状土与重塑土的土－水特征曲线比较试验。

在试样的制备上，原状样与重塑样有着相同的含水率、干密度，试验结果见图4。

3.1初始含水量的影响由图1可知：土的初始含水率不同，土水特征曲线有明显变化，在基质吸力较小时，初始含水率比较大的土样土水特征曲线比较明显，而含水率比较小的土样土水特征曲线变化不是很明显，图中在对初始含水率为30%的土样的土－水特征曲线在基质吸力较小时下降明显，质量含水率随基质吸力增大而急剧衰减，基质吸力在70kPa以后慢慢趋于平缓，初始含水率比较低的土样曲线不是很明显，但最终三条曲线趋于平行。

说明脱水过程中开始阶段质量含水率对基质吸力比较敏感，随着基质吸力增大，这种敏感程度逐渐消失。

这主要是较高的初始含水率土样中土的孔隙比较大，使得土的进气值降低，持水性减弱，能在较低的基质吸力作用下将水很快排出，当基质吸力达到一定程度时，土的自由水和弱结合水逐渐被吸出，而土体中的强结合水在基质吸力的作用下将越来越难游离出去，所以表现在土－水特征曲线上开始段曲线很陡，而后逐渐趋于平缓，即在整个基质吸力变化过程中，质量含水率而随着基质吸力的增大逐渐减小，最后趋于不变，这个不变的值就是残余含水率。

3.2土的干密度对土水特征曲线的影响如图2所示：土的干密度较小时，进气值比较小，随着干密度值增大，进气值逐渐增大，表现的规第8期林群仙．基于两种粉质粘土的土水特征曲线试验对比分析183图1初始含水量变化与基质吸力的关系Fig．1The relationship between the initialmoisture content and the substrate suction律是土的初始干密度越大进气值越大。

这主要是土的干密度较小时，土的孔隙体积较大，即孔隙比较大，随着试样干密度的增大，试样孔隙比相应减小，空气进入土体的难度增大。

土样的排水就变得越来越困难。

干密度大的试样在饱和度降低过程中脱水速率要低于干密度小的试样。

图2干密度变化与基质吸力的关系Fig．2The relationship between dry densityand matrix suction3.3土的矿物成分土－水特征曲线的影响由图3可知：粉质粘土1土样的基质吸力曲线比较平缓，随着基质吸力的增大，质量含水率减小，该土样的持水能力比较强；粉质粘土2土样随着基质吸力的变大，脱水速率很快，且残余含水量较土样1小很多。

分析原因主要有两方面：一方面是矿物成分和组成结构的差异。

粉质粘土1土样的塑性指数为16.5，黏粒含量为28%，土中黏粒较多，亲水性强，黏土矿物含量越多，水化学作用越强烈，结合水含量也越高，且细粒多，较密实，孔隙尺寸小，进气值高，持水性强，反映在土－水特征曲线上表现为曲线的斜率平缓，残余含水量大；粉质粘土2土样的塑性指数为12，黏粒含量为13.3%，在压缩过程中容易发生破坏，改变空隙结构，使得持水性减弱。

土颗粒大小悬殊、不均匀、分选差，这样使得其孔隙直径的大小相应增大，则进气值减小，脱水速率变大，残余含水量减小。

图3矿物成分变化与基质吸力的关系Fig．3The relationship between mineral composition and substrate suction3.4土体结构的影响由图4可以看出：两种土中，土的原状土样土水特征曲线都比较陡，而重塑样的土－水特征曲线比较平缓。