第2章　膨胀土的土水特性试验研究

2.1　引言

膨胀土及其工程病害问题一直是当今国内外岩土工程领域始终没能得到妥善解决的世界性技术难题,有岩土工程界的“癌症”之称。膨胀土具有一般黏性土所没有的“三性”特征,即胀缩性、裂隙性和超固结性,主要原因是其颗粒组成中黏粒含量超过30%,且蒙脱石、伊利石或蒙-伊混成等强亲水性矿物占主导地位,对气候变化特别敏感,频频引发工程灾害[3]。全世界每年因此造成的经济损失高达150亿美元以上,而我国是受膨胀土灾害比较严重的国家之一。膨胀土的失水收缩、吸水膨胀过程分别对应着土-水特征曲线的脱湿和吸湿过程,由于明显胀缩特征的存在,决定着它与一般黏土的土水特性不同。土-水特征曲线是指土中的含水量与土中吸力的关系曲线,它能够反映非饱和土的持水能力、渗透系数和强度,对于研究非饱和土的水力与力学特性有着决定性的作用。所以对于膨胀土的土水特性研究显得非常重要。

土的含水量可以用重力含水率、体积含水量和饱和度来表示。重力含水率的测量比较简单,不需要测量土体的体积,而体积含水量和饱和度需要测量土样的体积,由于非饱和土气相的存在,使得体积的准确测量存在着困难,需要更多的试验经验和更长的时间[101]。膨胀土具有很强的吸水膨胀和失水收缩的变形特性,其体积变化的测量精度,对其土-水特征曲线的影响非常大。通常仅仅通过室内试验进行脱湿曲线上几个吸力点的测量,从而拟合出整个吸力范围内的土-水特征曲线方程,来估计全吸力范围内的情况。Thieu等(2001)[102]通过利用不同土-水特征曲线的方程对渗流分析的影响程度进行了研究,表明运用正确的土-水特征曲线方程对于准确模拟渗透具有非常重要的作用。Fredlund(2007)[103]也指出非饱和土的水力-力学特性数值模拟精度取决于土-水特征曲线方程反映其土水特性的准确度。所以开展全吸力范围内膨胀土的土水特性试验研究是非常必要的。

缪林昌(2002)[104]利用压力板试验法研究了初始应力状态、干湿循环数对南阳膨胀土的土水特性影响。白福青等(2011)[105]用滤纸法测定南阳中膨胀土的土-水特征曲线,给出了含水率介于16%～30%之间的南阳中膨胀压实土的土-水特征曲线。唐朝生等(2011)[106]用渗析法和蒸汽平衡法对南京膨胀土在干湿循环过程中的胀缩变形特性进行了研究,得到干湿循环过程的孔隙比随吸力变化的规律。

为了进一步研究南水北调中线工程穿越的南阳地区膨胀土在全吸力范围内的土-水特征曲线,及其脱湿曲线与吸湿曲线之间的关系,本章用三种不同测量吸力的方法,在不同吸力范围下对南阳膨胀土进行了土水特性试验。以此来研究南阳膨胀土在全吸力范围内的土水特性和变形特性,即分析含水率、吸力、孔隙比以及饱和度之间的关系,从而得出这些参数之间的相互关系,为南水北调中线工程的设计与施工提供可靠的参数,同时为我国典型的膨胀土的水力和力学性质研究提供基础数据。

此处非饱和土的水力特性指的是土的持水特性,用土-水特征曲线(Soil-Water Characteristic Curve,SWCC)来表示,该曲线通常可表示为体积含水率或饱和度或含水量与吸力间的关系曲线。在研究非饱和膨胀土的水力特性之前,先说明一下非饱和土中吸力(Suction)的概念及吸力的量测方法。