黃土密度與溫度對土-水特征曲線的影響

1關于含水率、密度和溫度的耦合研究在洛杉磯高原的干燥、半干旱和深溝槽條件下，工程黃土通常處于非飽和狀態。要研究非相交黃土的工程性質，有必要考慮基質吸收的作用。目前基質吸力主要依據特定土樣測得的土-水特征曲線確定,此曲線反映了基質吸力隨含水率的變化。為了確定基質吸力隨含水率的變化關系式,多位學者先后進行了研究工作,提出了多個有代表性的經驗公式,這些公式擬合各自試驗土樣測試效果很好,但僅考慮含水率對基質吸力的影響,未能考慮土體密度和溫度的影響。雖然對高塑性壓實黏土的研究表明,在壓實初期,基質吸力與初始含水率存在唯一性關系,與土的干密度無關,但也有研究成果表明,不同密度土的基質吸力存在顯著差別,對于黃土,密度的影響尚需進一步研究。溫度對基質吸力有影響。由于黃土高原氣溫日變幅較大,淺層土上下層溫差大,隨著氣候變化淺層土溫度變化也比較大,溫度引起黃土基質吸力的變化會影響黃土的力學性質及水分運移的進程,這一點應該得到重視。綜上所述,在有關黃土水、熱、力三場耦合研究中,綜合考慮含水率、密度和溫度對基質吸力進行研究是必要的,此方面研究文獻目前尚少。本文基于現有文獻及非飽和黃土的測試結果,對此問題進行探討,嘗試探討基質吸力隨密度和溫度的變化規律。2密度對基質吸力的影響取擾動黃土進行試驗研究,試驗黃土取自西安市某工程場地地表下5m深度處,塑限為18.4%,液限30.7%。室內配制不同密度的壓實黃土土樣,采用高速離心機法方法進行測試。試驗溫度分別控制為5,15,25,35℃,測試結果如圖1~4所示。測試吸力水頭范圍為0~7189cm。為了充分揭示低吸力時的曲線特征,圖中橫坐標采用吸力水頭的開方,即體積含水率θ與吸力水頭h的關系曲線繪制在坐標中。從圖1~4可以看出,干密度ρd對基質吸力的影響非常顯著,這主要是密度變化引起土體孔隙尺寸和薄膜水曲率半徑發生了變化。因此,確定基質吸力時應充分考慮密度的影響。比較圖1~4中同一密度土樣在不同溫度下的測試結果可以發現,相對于密度的影響,溫度對基質吸力的影響不顯著。圖5為密度為1.5g/cm3土樣在不同溫度時的的測試結果,圖中顯示溫度對基質吸力的影響不大,但并非沒有影響。雖然5,15,25,35℃時的曲線比較靠近,但較高溫度時的曲線均在較低溫度曲線的上方,不應簡單將其歸結為誤差影響。當含水率較低或吸力較大時,曲線比較平緩,雖然吸力相同時在不同溫度的含水率差別不大,同一含水率土樣在不同溫度時的吸力是有較大差別的。例如,對于干密度為1.5g/cm3的土樣,根據測試結果,體積含水率為27.6%時的吸力水頭如表1所示。其他密度土樣在不同溫度時的曲線分布及其特征同圖5。從試驗結果可以得出如下結論:密度對基質吸力的影響非常顯著。相對而言,溫度對基質吸力的影響不顯著。對于一定含水率的土樣,溫度變化引起的吸力變化是有一定值的,這一吸力變化值在高含水率時較小,可以忽略不計,在低含水率時較大。溫差越大,吸力變化越大。當研究非飽和土水分遷移問題時,因吸力相同時在不同溫度的含水率差別不大,此時可不考慮溫度對吸力的影響,但溫差變化較大時不易忽略溫度的影響。3土-水特性分析結果土-水特征曲線常采用下式描述:式中:h為吸力水頭;θ為體積含水率;θr為殘留含水率;θs準飽和含水率;α,m,n均為系數,m=1-1n。式(1)表述了吸力水頭和含水率的關系,文獻已經證明了其對于非飽和土的適用性。但目前僅用于一定密度的土樣,是否適用于本文測試結果?能否在其中考慮溫度和密度的影響?以下對此進行探討。首先,對不同密度、不同溫度土樣試驗結果分別進行擬合分析,擬合結果見表2。表中,r為根據擬合參數計算結果與實測結果的相關系數。擬合結果表明,式(1)擬合土樣水分特征曲線測試結果是比較好的。殘留含水率和準飽和含水率是土樣的物理參數,其數值必然隨密度的變化而變化,但溫度對其影響可忽略,可不考慮θr,θs隨溫度的變化,表2結果表明了這一點。系數α,n均隨密度ρd和溫度T的變化而變化。進一步考慮密度和溫度影響,以表2參數θr,θs,α,n作為已知值,對其進行擬合分析。僅考慮密度對θr,θs的影響。為了便于分析,分析α,n時先考慮單因素影響,由于密度對基質吸力的影響很大,首先考慮考慮密度ρd影響進行擬合分析。擬合公式如式(2)~(5)所示,參數見表3~5。從表3~5可以看出,式(2)~(5)擬合結果是比較好的。但式(4)、式(5)參數隨溫度是變化的。從表4可以看出,式(4)參數1b,2b隨溫度是變化的。因此,考慮溫度T影響,以表4中1b,b2作為已知值,對其進行擬合分析。擬合公式如式(6)、式(7)所示,公式參數及擬合相關系數見表6。從表5可以看出,式(5)參數c1,c2,c3隨溫度是變化的。因此,考慮溫度影響,以表5中c1,c2,c3作為已知值,對其進行擬合分析。擬合公式如式(8)~(10)所示,公式參數及擬合相關系數見表7。將式(6)、式(7)代入式(4),將式(8)~(10)代入式(5),再將式(2)~(5)代入式(1),可得綜合考慮溫度和密度影響的土-水特征曲線表述關系式:最后,采用式(11)進行計算,將計算結果與測試結果進行對比分析,得到計算值與實測值的相關系數如表8所示。從表可以看出,式(11)的計算精度主要受密度控制,隨溫度的變化較小,說明溫度的影響不大。若不考慮溫度的影響,則在表3~7參數回歸時,4個溫度下參數取相同值進行分析,此時回歸精度將降低。4土-水特征曲線目前,綜合考慮含水率、密度和溫度對基質吸力進行研究的文獻尚少,現有研究對象主要是一定密度的土樣,很少考慮溫度的影響。取擾動黃土進行試驗研究,測試得到了不同密度和溫度黃土土樣的土-水特征曲線。試驗資料揭示出:密度變化引起基質吸力的變化非常顯著。相對而言,溫度變化引起基質吸力的變化不顯著。對于一定含水率的土樣,溫度變化引起的吸力變化值在高含水率時較小,可以忽略不計,在低含水率時較大。溫差越大,吸力變化越