某滑坡滑带土的土水特征曲线试验研究

第30卷第3期 2007年3月

自然科学版)

JO U RN AL O F H EFEI U N IV ERSIT Y OF T ECH N OL O GY

合肥工业大学学报(

Vol. 30No. 3 M ar. 2007

某滑坡滑带土的土水特征曲线试验研究

谈云志, 王世梅

(三峡大学土木水电学院, 湖北宜昌 443002)

摘 要:文章采用T empe 仪测定了某滑坡滑带土的水质量分数与基质吸力的对应关系, 利用指数衰减函数对该土水特征曲线进行描述, 并确定了该土样的残余水质量分数; 结合土水特征曲线的性质对指数衰减函数中的参数的物理意义作了明确的定义, 结果证明该公式简单明了及适用性强。关键词:土水特征曲线; 基质吸力; 非饱和土

中图分类号:T U 411. 91 文献标识码:A 文章编号:1003 5060(2007) 03 0298 03

Experimental research on the soil water characteristic curve of a landslide

TAN Yun zhi, WANG Shi mei

(College of Civil &Hyd ropow er E ngineering, China Th ree Gorges U nivers ity, Yichang 443002, Ch ina)

Abstract:The relatio nship betw een m oistur e content and matr ix suction of the sliding zo ne so ils of a landslide is o btained based on the measurements w ith the Tempe equipment. The soil water character istic cur ve is descr ibed w ith the ex ponential decay function and the r esidual moisture content of the sample is calculated. The phy sical significance of all parameter s in m athematic derivation is defined based on the character istic of the soil w ater characteristic curve. T he presented equatio n is simple and suitable for using.

Key words:soil w ater char acteristic cur ve; matrix suctio n; unsaturated soil 土水特征曲线SWCC(Soil Water Character istic 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

[1]

要曲线。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

[2, 3]

取8个土样, 其基本物理性质见表1所列。

表1 土样物理性质指标

性状低液限粘土

液限32. 2

塑限16. 4

塑性指数15. 8

/k g/m 32. 76

%w (初始水) 20. 9

。本文利

用Tempe 压力膜仪对清江古树包滑坡滑带土的低液限粘土进行了测定和分析, 以探讨非饱和土的水质量分数随基质吸力变化的规律。

1. 3 方法

用T em pe 压力板仪测量试样脱湿过程中的基质吸力与质量分数之间的对应关系, 具体操作步骤

[4]

1 实 验

1. 1 仪 器

Tempe 仪由美国土壤水分仪器公司生产, 型号为LAB523。

1. 2 试样的物性指标

试验土样选自清江古树包滑带土, 本试验选

收稿日期:2006 03 03; 修改日期:2006 05 22

作者简介:谈云志(1979-) , 男, 湖北阳新人, 三峡大学博士生.

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Tempe 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。

第3期谈云志, 等:某滑坡滑带土的土水特征曲线试验研究299

(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, 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, 以便测定其水质量分数的变化。本次试验中的水质量分数与体积分数 换算关系为

w = w / d

其中, d 为土的干密度; w 为水的密度。

(6) 施加下一级更高的基质吸力重复步骤(3) 和(4) 。在施加最高一级基质吸力达到稳定后取出土样, 烘干称重, 应于最高吸力下测定水质量分数。利用水质量分数和前已测定的质量变化,

反算相应于其他吸力值的水质量分数, 然后绘制基质吸力与水质量分数关系特征曲线。

基质吸力的测量从0~800kPa, 分8个吸力水平进行, 即20kPa 、40kPa 、80kPa 、150kPa 、300kPa 、500kPa 及800kPa 。用连续称重法计算水质量分数为

m i

(1+ n ) -

1 100%(1) m n

其中, i 、m i 分别为某一吸力下试样的水质量分

i =

数(g /kg ) 与质量(g ) ; n 、m n 分别为最终吸力下试样的水质量分数(g /kg) 与质量(g ) 。

2 试验结果与分析

2. 1 土水特征曲线

根据上述试验方法测定的数据整理结果, 见表2所列。

%

620. 913219. 420218. 116616. 854714. 911412. 135611. 904511. 1380

721. 133219. 471818. 499417. 297315. 764713. 365711. 892211. 2781

820. 583919. 118217. 545116. 487214. 690612. 255811. 807111. 3242

表2 土样基质吸力与对应水质量分数

吸力/kPa

[***********]0

121. 155419. 323118. 055916. 683415. 450813. 144811. 834511. 5302

220. 878519. 282317. 910916. 930415. 349813. 068711. 678310. 9434

320. 874619. 389817. 688816. 622814. 634512. 523411. 893511. 2186

421. 007919. 499918. 181716. 912215. 369312. 87411. 510510. 9445

520. 664818. 980317. 339216. 147414. 632912. 124411. 508610. 3775

各试样的变化趋势, 大致是水质量分数随着基质吸力的逐渐增大而减小, 但变化幅度随吸力的变化而不同, 两者之间可以看出成反比例函数关系。

2. 2 土水特征曲线基本特征

(1) 土样的土水特征曲线大概在300kPa 以前很陡, 水质量分数随基质吸力增大而急剧衰减, 在吸力300kPa 后段平缓, 且吸力越大越接近平行。说明刚开始水质量分数对吸力敏感, 随着吸力增大, 这种敏感程度逐渐消失。

(2) 此曲线为土特征曲线的干燥段, 随非饱和土基质吸力的增大, 其水质量分数连续减小, 至一定值后水质量分数趋向稳定, 该稳定值定义为

[5]

残余水质量分数。根据曲线趋势, 可大致推算出该滑带土的残余水质量分数为10%, 对应基质吸力为1200kPa 。

出现上述规律主要与试样中水的存在状态有关, 一般土中的水包括自由水和结合水。本试[6]

在结合水。而在施加吸力作用下弱结合水优先排出, 强结合水由于分子间的作用力很大, 在吸力的作用下很难游离出去。所以, 在整个吸力作用过程中, 开始水质量分数变化很快, 而随着吸力的增大逐渐减小, 最后趋于不变。另外, 土体的孔隙、粘粒含量及干密度等都是影响土水特征曲线的因素, 其性质实际受土的微观结构控制。2. 3 土水特征曲线的函数描述

非饱和土中水质量分数随着基质吸力发生变化, 从而引起土的工程性质的明显变化。为了更好地反映两者之间的内在规律和联系, 现利用指数衰减函数关系式拟合水质量分数和基质吸力之间的关系。即

w =B 0+B 1e

-u/t

[7]

(2)

其中, w 、u 分别为水质量分数和基质吸力; B 0、B 1、t, 分别为随土样不同而变化的拟合参数。

通过M icro soft Origin 软件, 利用(2) 式拟合表2的数据, 其拟合结果见表3所列。

300

表3 公式拟合参数

合肥工业大学学报(自然科学版)

ln (w -B 0) =ln B 1-u/t

设k =1/t, 所以

R 20. 98920. 99110. 99390. 99460. 98770. 99490. 99410. 99420. 9925

第30卷

(4) (5)

指数衰减函数

编号12345678平均值

B 011. 59811. 01411. 46210. 95010. 77311. 25811. 22211. 41911. 212

B 19. 0189. 3419. 1419. 6549. 4149. 4579. 4288. 9129. 296

t 154. 535183. 328135. 251176. 939150. 933146. 277192136. 82159. 51

ln (w -B 0) /B 1=-ku

其中, k 表示在以! 为横坐标, ln (w -B 0) 为纵坐标的坐标系中直线的斜率, 表示水质量分数减少幅度对数随吸力增大的变化程度。因此t 实际上了刻画了水质量分数随吸力变化的量度指标, 定义为水质量分数衰减常数。k 越大表示单位吸力的增加而引起水质量分数减少量越大, k 越小表示单位吸力的增加引起的水质量分数减少幅度很

[8]

小, 相应地t 刚好与k 意义相反。

由表3数据可知, 对该试验结果应用指数衰减函数表达式拟合, 其相关系数达到99. 59%~99. 9%, 能很好地拟合表2的数据。求出各个参数的平均值, 得到土水特征曲线方程式为w =11. 212+9. 296e (3)

根据(3) 式绘出土水特征曲线, 如图1所示; 典型的土水特征曲线, 如图2

所示。

-u/159. 51

3 结束语

(1) 通过观察该曲线的形状后选择与之相似指数衰减函数进行拟合, 确定出了函数式中参数的物理含义。

(2) 实验数据符合典型的土水特征曲线图的大致趋势。实验证明, 压力板仪一般适用于基质吸力高于50kPa 的情况, 施加低于20kPa 以下的基质吸力试样水质量分数变化不明显, 因此很难确定其进气值, 利用体积压力板仪测试可以弥补这个不足。

(3) 一条完整的土水特征曲线具有回滞现象, 即有干燥和吸湿2个过程。但由于受T em pe 压力板膜仪功能的限制, 土水特征曲线仅有其干燥过程, 吸湿曲线只能利用体积压力板仪测量。

图1

拟合后的土水特征曲线

参 考 文 献

[1] 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.

[2] Xu Y F, Su n D A. Determination on of expansive s oil

strength usin g a fractal model [J ]. Fractals, 2001, 9(1) :51-60.

[3] Fredlund D G, Xing A , Fredlund M D. T he relation ship of

th e unsaturated soil shear strength fu nction to th e soil w a

图2 典型的土水特征曲线

ter characteristics [J]. Can Geotech, 1996, 33(3) :440-448. [4] 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, 1997:157-158. [5] 卢廷浩. 土力学[M ]. 南京:河海大学出版社, 2002:10-12. [6] 叶为民. 上海软土土水特征的室内试验研究[J ]. 岩土工程

学报, 2006, 28(2) :260-263.

[7] 叶卫平. Origin 7. 0科技绘图及数据分析[M ]. 北京:机械工

业出版社, 2004:134-136.

[8] 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) :32-34.

2. 4 参数的物理意义

根据(2) 式, 当lim w =B 0时, 水质量分数不u !

再变化而等于一个固定的值, 定义为残余水质量分数。

当u =0时w =w s , 指初始水质量分数或称饱和水质量分数; B 1=w s -B 0即是在整个吸力变化过程中水质量分数的变化范围。

) ( 吕