基于离心机法研究变重度压实黄土土—水特征曲线

基于离心机法研究变重度压实黄土土—水特征曲线

潘宗俊1,刘庆成2

(1交通部公路科学研究院　北京市　100088; 2·中国公路工程咨询集团有限公司　北京市　100088)

    摘要:为研究压实黄土土—水特征曲线,采用离心机对不同压实度黄土进行脱水试验。通过调节离心机转速 得到不同吸力条件下压实黄土含水量以及重度的变化,将定重度的压实黄土土-水特征曲线和变重度的土-水特征 曲线进行分析比较,得出不同压实度黄土土-水特征曲线的变化规律。结果表明:离心试验过程中土样重度随吸力 增大而增加,其变化过程分为快速增大、慢速增大和基本稳定3个阶段,土样的重力含水量随基质吸力的逐渐增大而 减小,在相同的含水量下,基质吸力随着压实度的增加而增大;考虑重度变化且吸力高于6 bar各组不同压实度试样 土—水特征曲线基本重合,而并非未考虑重度土-水特征曲线的平行关系,因此测定压实黄土土—水特征曲线必须 考虑重度的变化。

    关键词:土—水特征曲线;变重度;压实黄土;离心机;吸力;体积含水量

    土-水特征曲线SWCC(Soil—water Characteris- tic Curve)是描述非饱和土中的基质吸力与体积含水 量、重量含水量或饱和度等之间关系的重要曲线[1]。 测定土-水分特征曲线的方法主要有3种:张力计、 压力膜和离心机法[5,6]。通常用张力计、压力膜、离心 机等方法测定土-水分特征曲线时,都存在着因压 力、离心力作用或湿胀干缩而导致的重度变化[6]。有 研究表明[6,7]:在采用压力膜法测定土-水分特征曲 线的过程中,当压力从0 kPa增加到1 500 kPa时,土 壤重度相应地从1·2 g/cm3变化到1·86 g/cm3;用离 心机法测定重壤土的水分特征曲线时,在0~ 2 000 kPa的范围内,土壤的重度变化为1·3 ~ 2·05 g/cm3。忽略这一重度变化必然与实际情况有较 大的差别,带来一定的误差,因此土-水分特征曲线 测定过程中的重度变化值得重视和进一步探索。 鉴于张力计量程为0~100 kPa,不能全面刻画 土-水特征曲线;压力膜法实验过程要反复称重,不 可避免地存在着水分的蒸发和小土颗粒的散失等误 差,耗时且实验数据精度不高[8];本文采用离心机法 研究压实黄土的土-水特征曲线,试验过程测定不 同压实度黄土的土-水特征曲线以及重度的变化, 将定重度的压实黄土土-水特征曲线和变重度的土 -水特征曲线进行分析比较,得出不同压实度黄土 土-水特征曲线的变化规律。

    1　离心机法基本原理

    用离心机测定土-水特征曲线的基本原理,实际上就是把重力场装置搬移到离心力场。在重力场中,H高度的水体是受重力加速度G作用。在离心场中,G的作用由离心加速度rω2代替(r为运转半 径,ω为角速度)。

    式中:H为水势;r为离心机半径;h为装土量(g);ρ为水的密度;n为转速(转数/min)。 根据公式(4)将H转化为吸力值,进而可以计算出吸力和转速的对应关系。

    2　试验步骤

    2·1　试验黄土的物理性质

    本试验黄土试样取自陕西周至,根据公路工程土工试验规程,进行如下常规物理力学试验,数据见表2。

    2·2　试验装置及操作步骤

    试验采用HITACHI公司生产的CR21G高速恒温离心机,由中科院水土保持所引进,如图1和图2所示。起动离心机时,先打开离心机开关,按DOOR键后,机壳门可自行打开,然后完成以下几步。

    (1)先把转子平稳放在转轴上,使转子来回转动灵活即可。

    (2)土样试管平衡对称放入转头里,相对称的土样试管重量必小于2 g。

    (3)放土样试管时,应使贮水器靠近转子圆周的外边缘,土样试管透气孔必须朝上。

    (4)拧紧转子上的盖子,确定拧紧后方可开机。

    (5)关好机壳门,可按要求设置所需的各项参数,核对无误后可按START键运动,运动要在设定的时间、稳重后,再设定转速运动,进而得到被测土样含水量和重度。

    土样经过碾压后过2 mm土筛,均匀混合后放入烘箱,在105℃烘干制备成试验用的土样。称取60g烘干土样,采用分层压实法配置3组不同压实度(85%, 92%, 100%)的试样,每组4个相同压实度的试样,分别装入到D(直径)×h(高度)=4·4 cm ×4·4 cm的有机玻璃盒中,然后将土样饱和。将饱和后的土样称重,用游标卡尺量取土样长度并确定 饱和时土壤的重度,然后将土样放入离心管中,按照 设定的离心力(1·02~102 m水柱)进行旋转。待到达平衡时间后,取出有机玻璃土样盒,称重且通过游标卡尺量距确定该离心力下的土样含水量及重度, 将不同吸力的离心试验做完后,把土样取出并放入烘箱烘干称重,进而求得体积含水量与吸力的特征曲线。

    3　试样重度变化

    离心机法测定土—水特征曲线过程中随着转 速(离心力)的不断增加,含水量减少,土体体积随 之收缩,重度相应增大,在不同吸力条件下,将平 衡后的试样称重,而后用游标卡尺量测试样高度 得到体积变化,从而得到试样的重度变化与吸力 的关系。

    由图3可见,在低吸力(0~2 bar)范围内,3组 土样重度变化曲线较为陡直,存在着明显的拐点,在 高吸力(6~10 bar)范围内,4种土壤重度的变化趋 势基本稳定,离心试验重度变化分为3个阶段。

    (1)快速增大阶段,吸力在0~2 bar阶段,不同 压实度的试样重度均迅速增大。

    (2)慢速增大阶段,吸力在2~6 bar阶段,重度 增大的速度低于前一阶段,但仍有明显的增长幅度。 (3)稳定阶段,当吸力超过6 bar以后,重度增 长的幅度微小,基本认为不发生变化。

    当吸力小于2 bar时,土样重度随吸力增加而发 生显著的增大变化,变化幅度均超过3·2 kN/cm3,单 位吸力(1 bar)内重度增大超过2 kN/cm3,占总的重 度变化的60%以上,这是因为低吸力段土中水主要 以自由水的形式存在,受重力和毛管力的作用,在外 界力的作用下水分容易运动,水分损失较大,造成土 样容积较大的收缩,使得重度增加较明显。当吸力 处于2~6 bar时,重度仍然有明显增长,但是单位 吸力(1 bar)内重度平均变化为0·2~0·8 kN/cm3, 变幅减小。在高吸力段(6~10 bar)内,土颗粒孔隙 水主要以薄膜水、吸着水方式存在,水分移动非常困 难,水分损失很小,因而重度变化很小。

    4　土-水特征曲线

    为得到压实黄土的土-水特征曲线,必须获得 土样中水分含量。离心试验稳定后,对土样进行称 重,整个试验结束后,进行烘干称重,各组数据取其 算术平均值,因此可求得不同吸力条件下土样重力 含水量,见表4。

    由表4可知,离心机转速增大,土颗粒孔隙中自 由水流出,吸力也随之增大,重力含水量逐渐减小, 吸力在0~10 bar范围内,含水量减小了70%左右; 随压实黄土含水量的增大,基质吸力持续减小,非饱 和黄土的工程性质向饱和弱性转化,同一吸力条件 下,随着压实度增大,含水量总体上随之变大。

    为研究考虑重度变化与否对土—水特征曲线中体积含水量影响的差异性,求得以体积含水量为纵坐标的土—水特征曲线,分别将相同压实度的定重度 和变重度土—水特征曲线绘制成图,见图4~图6。

    由图4~图6可知,两种曲线走势基本相同,随着吸力的增大,曲线距离也增大,吸力超过6 bar后,各组曲线之间基本保持平行,这是由于离心试验过程中,土样重度在6 bar以后保持稳定;变重度土-水特征曲线较为平缓,相同吸力时,考虑重度变化均高于未考虑重度变化的体积含水量。

    分别考虑测定过程中土样重度固定不变和发生变化两种情况,将3组不同压实度土样的土—水特征曲线绘成图,见图7和图8。

    由图7和图8可知,压实黄土随着吸力的增大体积含水量逐渐减小。对于图7而言,吸力低于4 bar时,微呈“喇叭口”状收缩,吸力高于4 bar后, 组土样的曲线呈平行状,且在相同吸力时,随着压实度增大,土样体积含水量也变大;图8所示曲线的吸力低于6 bar时,呈“喇叭口”状收缩,高于6 bar后,三组曲线基本重合。可见,当吸力低于4bar时,随着离心机转速增大,饱和土样中自由水减少,相对密 实的土样中水散失较少,吸力相同时体积含水量较大,但随着离心力增大,土样中吸力值很大时,土中水多以结合水形式存在,仅有少量自由水,土颗粒之间结合紧密,3组土样的含水量以及重度十分接近, 因此相同吸力对应的体积含水量应比较接近,并非平行关系,而应该为图8所示重合关系,所以土—水特征曲线测定必须考虑重度的变化。

    5　结语

    采用离心机对3组不同压实度黄土进行脱水试 验,测定不同吸力状态下试样的重度和含水量,得出 土—水分特征曲线。测定结果如下。

    (1)离心试验过程中,试样重度随着吸力增大而 增大,变化分为3个阶段:快速增大、慢速增大和稳 定阶段。

    (2)土样的重力含水量随基质吸力的逐渐增大 而减小,在相同的含水量下,基质吸力随着压实度的 增加而增大。随压实黄土含水量的增大,基质吸力 持续减小,非饱和黄土的工程性质向弱性变化。

    (3)相同压实条件下,变重度土—水特征曲线较 为平缓,相同吸力时,变重度土—水特征曲线的体积 含水量均高于未考虑重度变化的体积含水量。

    (4)吸力低于6 bar时,变重度土水特征曲线呈 “喇叭口”状收缩,高于6 bar后,3组曲线基本重合, 而并非定重度土水特征曲线的平行关系,因此土— 水特征曲线测定必须考虑重度的变化。

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