红层软岩泥化夹层土水特征曲线影响因素

祝艳波¹，余宏明¹，付克俭²，高建伟¹，罗昌宏²，邵然²

(1. 中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北 武汉，430074；

2. 湖北省宜巴高速公路建设指挥部，湖北 兴山，443700)

摘要：为探讨红层软岩泥化夹层土-水特性的变化规律及影响因素，采用体积压力板仪对不同初始状态的泥化夹层土进行试验研究。选取van Genuchten模型对试验结果进行拟合。试验结果表明：(1) 初始含水质量分数大的试样，进气值、残余含水质量分数也大，进气值随初始含水质量分数变化敏感性在高干密度时明显降低；(2) 初始干密度大的试样，进气值明显增大，这种变化幅度在低初始含水质量分数时更大。同时土-水特征曲线斜率变得更缓，试样残余含水质量分数增高；(3) 粗粒质量分数高的试样，进气值降低，持水能力增强，残余含水质量分数更低。

关键词：泥化夹层；基质吸力；土-水特征曲线；土体含水质量分数；干密度；级配

中图分类号：TU411          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)07-2919-08

Experimental study of soil-water characteristic curves of siltized intercalation of red-bed soft rock

ZHU Yanbo¹, YU Hongming¹, FU Kejian², GAO Jianwei¹, LUO Changhong², SHAO Ran²

(1. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;

2. Expressway Headquarters of Yichang to Badong in Hubei Province, Xingshan 443700, China)

Abstract: In order to study the changes and influence factors of the soil-water characteristic curves (SWCCs) of the siltized intercalation of red-bed soft rock, the SWCCs of different initial state’s samples were tested by the volumetric pressure plate instrument. Then, the van Genuchten model was employed to fit the soil water characteristic curves. The model can fit into the experimental data well. The testing results show that the higher compaction water content is, the higher air entry value and residual water content are. Under higher initial dry density, the change sensitivity of air entry value changing with the initial water content obviously decreases. It is also can found that the higher initial dry density is, the higher air entry value is. The change rate is higher in the condition of lower initial water content. At the same time, the SWCCs change from steep shape to mitigative shape and the residual water content decreases. The results also suggest that when the sample has more coarse particles, the air entry value and residual water content reduce, and the ability of holding water enhances.

Key words: intercalation; matrix suction; soil-water characteristic curve; soil moisture mass fraction; dry density; grain composition

在建工程宜昌—巴东高速公路，经过俗称“红层”的三叠中统巴东组(T₂b²)紫红色泥岩地层，沿线形成大量的路堑边坡，部分出露工程性质较差的泥化夹层带。该地区受大气四季循环交替作用显著，特别是在多雨炎热的夏季更为突出。雨季下，泥化夹层强度降低，性质变差，大量路堑边坡顺软弱夹层失稳。从非饱和土力学角度看，边坡的泥化夹层带也都处于非饱和运行状态。许多边坡的失稳通常是由于降雨入渗使土体的含水质量分数增高，导致基质吸力丧失所造成的^[1]。泥化夹层大部分时间处于非饱和状态，存在基质吸力，天然状态下有一定强度，边坡稳定；开挖路堑边坡后，在雨季降雨入渗条件下，夹层土体水质量分数增加，基质吸力降低，土体强度降低，路堑边坡失稳，线路设计被迫变更。目前，针对软弱夹层的不良工程特性研究，大多是研究其饱水临界状态。而实际上软弱夹层含水质量分数从天然状态到饱和状态是一个渐变的过程，基质吸力也随之改变，从而影响夹层土的强度及变形特性。所以，从含水质量分数亦即基质吸力的角度，研究泥化夹层的非饱和土-水特性及其影响因素，指导工程实践是十分迫切的，也是行之有效的。土-水特征曲线描述非饱和土含水质量分数和基质吸力的关系。该曲线是非饱和土研究中的一个重要内容，非饱和土的渗透系数，抗剪强度，应力状态等力学或水力学参数均可从该曲线中得到^[1-2]。土水特征曲线受很多因素影响，如土体类型、矿物成分、结构、初始含水质量分数、干密度、孔隙比、应力历史等因素。很多学者针对上述各种影响因素开展试验研究，成果颇丰。Rao等^[3]用滤纸法在碾压黏土中测试基质吸力时发现，黏粒质量分数越大，土中基质吸力越大，浸湿越容易塌陷。Kawaik等^[4-7]分析不同初始含水质量分数对不同类型土体的土-水特征曲线的影响。张雪东等^[8-12]研究土体密度状态对土-水特征曲线的影响。王协群等^{[10, 13-14]}从级配角度研究土-水特征曲线的影响因素。汪东林等^[15]从固结压力等5个方面研究重塑非饱和黏土的土-水特征曲线的影响因素。Mijares^[16]则研究干湿循环对黏土的土-水特征曲线的影响。本文作者针对工程区域内泥化夹层特点，设计不同初始状态的重塑泥化夹层土-水试验，探讨泥化夹层的土-水特性及影响因素。

1  土水特征曲线模型

在对非饱和土土-水特征曲线的研究中，大量的曲线模型被提出。常用的模型包括van Genuchten (VG)模型^[17]、Fredlund 3^[18]参数模型和Fredlund 4^[18]参数模型。通过各种模型对试验结果进行拟合，发现VG模型拟合效果最好，模型公式如下：

            (1)

其中：为土体含水体积分数；为饱和含水体积分数；为残余含水体积分数；为土体基质吸力；拟合参数为，a，n和m。a直接与空气进气值有关，一般认为参数a为进气值的倒数^[19-22]；n控制着土-水特征曲线的斜率；m通常认为等于1-n^-1。也可通过试验方法来得到。但由于残余含水质量分数的测试方法没有统一的标准，各种不同方法所测值也不相同，本文采用拟合得到。

2  试验土样、仪器及方案

2.1  试验土样的基本性质

本次试验土样选取宜巴高速路路堑边坡出露的泥化夹层带。为考虑不同级配对土-水特性影响，参照筛分实验结果选取2种级配夹层土进行试验，土样呈紫红色，经过室内试验及矿物成分鉴定，土样的物理性质指标如表1所示。

2.2  试验仪器

本项研究利用采用美国Soilmoisture公司生产的 5bar Tempe压力板仪测量非饱和土不同含水质量分数对应的基质吸力，进而获得土水特征曲线。具体仪器介绍及试验操作步骤参见文献[23]。

2.3  试验方案

参考夹层土样的击实曲线、液塑限及制样的可成型性，选取合适的初始干密度、初始含水质量分数对2种级配的夹层土进行试验。选择直径为61.8 mm、高度为20 mm的环刀制样，真空抽气饱和后准备试验。为分析不同初始状态对夹层土-水特性影响，设计试验方案如下：

(1) 级配Ⅰ相同初始干密度下，不同初始含水质量分数对比试验。例如初始干密度1.85 g/cm³，初始含水质量分数分别为11%，13%，15%，17%和19%的对比试验。干密度依次为1.65，1.75，1.85，1.95 g/cm³。

(2) 级配Ⅰ相同初始含水质量分数下，不同初始干密度对比试验。例如初始含水质量分数为15%，初始干密度分别为1.65，1.75，1.85，1.95 g/cm³的对比试验。初始含水质量分数依次为11%，13%，15%，17%和19%。

表1 土样的物理力学指标

Table 1  Physical indexes of soil sample

(3) 级配Ⅰ、级配Ⅱ初始干密度均为1.85 g/cm³，初始含水质量分数分别为11%，13%，15%，17%和19%的对比试验。

3  试验成果分析

历时半年，完成夹层土不同试验方案共50个土样的试验，得到较为理想的试验数据。利用Matlab7.6^[24]版的最优化工具箱里的lsqcurvefit非线性拟合函数对试验数据进行曲线拟合，相关系数R²均在0.99以上。求取拟合参数，并绘制于图形中。试验拟合均采用含水质量分数，拟合前将VG模型公式中的含水体积分数改写成相应的含水质量分数。

3.1  初始含水质量分数对土水特征曲线影响

从图1和图2可见：基质吸力都随含水质量分数的增大而减小。干密度相同、初始含水质量分数大的试样的土-水特征曲线落在初始含水质量分数小的曲线上方。在试验过程中，对应于初始含水质量分数高的试样，基质吸力随含水质量分数变化更敏感。这里只给出干密度为1.85和1.95下试样的土水曲线。

从图3可见：同一干密度下拟合参数a随着初始含水质量分数的增大而降低，进气值则随之增大。Miller等^[5-6]也得出相同结论。拟合参数a随初始含水质量分数变化近似呈线性关系；而参数a随初始含水质量分数增大而变小，这种趋势又随着干密度的增大而变缓，可见初始含水质量分数变化对参数a的影响程度还和试样的干密度有关。相同干密度下，残余含水质量分数随着初始含水质量分数的增大而总体有增大趋势，如图4所示。

图1  干密度1.85 g/cm³下不同击实含水质量分数的土水特征曲线

Fig.1  SWCCs using different compaction water contents at ρ_d=1.85 g/cm³

图2  干密度1.95 g/cm³下不同击实含水质量分数的土水特征曲线

Fig.2  SWCCs using different compaction water contents at ρ_d=1.95 g/cm³

不同的初始含水率之所以能够影响着土-水特性，因为其制约着试样的微观结构。初始含水质量分数小的土样在击实过程中可塑性较差，试样中形成较大的孔隙，压力下水更容易排出，空气进气值则较小，残余含水质量分数略低；而初始含水率较大的土样由于可塑性较好，则试样孔隙小且分布均匀，水不易排出，进气值较大，残余含水质量分数略高。土-水曲线的斜率与初始含水质量分数并无明显的相关性，如图5所示。

图3  拟合参数a随初始含水质量分数变化关系

Fig.3  Relationship of fitting parameter a varied with compaction water contents

图4  残余含水质量分数随初始含水质量分数变化关系

Fig.4  Relationship of residual water content varying with compaction water contents

图5  拟合参数n随初始含水质量分数变化关系

Fig.5  Relationship of fitting parameter n varied with compaction water contents

3.2  初始干密度对土水特征曲线影响

从图6和图7可见：基质吸力均随含水质量分数的增大而减小。在相同初始含水质量分数下、不同干密度试样的土水特征曲线的位置和形状是不相同的。在试验初始阶段，低吸力范围内，干密度小的试样的土水特征曲线在干密度大的曲线上方，这是因为干密度小的试样饱和含水质量分数要高。随着试验进行，高吸力范围内，干密度小的曲线逐渐落在干密度大的曲线下方，说明干密度小的试样基质吸力随含水质量分数变化更敏感。限于篇幅，仅给出初始含水质量分数为13%和19%时的土水曲线。

将拟合参数绘制于图8~10中，相同初始含水质量分数下，随着干密度的增大，拟合参数a不断减小，进气值则不断增大。初始含水质量分数增大时，参数a随干密度增大而减小的敏感性逐渐降低，说明干密度变化对参数a的影响程度也和初含水质量分数有关。

图6  初始含水质量分数13%下不同干密度的土水特征曲线

Fig.6  SWCCs using different dry densities at compaction w=13%

图7  初始含水质量分数19%下不同干密度的土水特征曲线

Fig.7  SWCCs using different dry densities at compaction w=19%

图8  拟合参数a随干密度变化关系

Fig.8  Relationship of fitting parameter a varying with dry density

相同初始含水质量分数条件下，土水曲线的斜率总体上随着干密度的增大而呈下降趋势，含水质量分数变化幅度逐渐减小，曲线更趋于平缓，试样持水能力增强。残余水质量分数随着初始干密度的增大而增大，随着初始含水质量分数的增大，这种变化幅度总体呈下降趋势。

图9  残余含水质量分数随干密度变化关系曲线

Fig.9  Relationship of residual water content varying with dry density

图10  拟合参数n随干密度变化关系曲线

Fig.10  Relationship of fitting parameter n varying with dry density

上述拟合参数变化规律是由于土的干密度越大,土体结构越致密，内部孔隙相对较小, 孔隙水不易从这些微孔隙中排出, 进气值也越大，试样的持水能、水稳定性强力也越强，基质吸力随含水质量分数变化的敏感程度降低。进气值和残余含水率所反映的规律，刘奉银等^[11]通过引入基质吸力与毛细管弯液面表面张力来解释这一现象。

3.3  级配对土水特征曲线影响

图11和图12对比不同级配土样的土-水特征曲线，粗粒质量分数高的试验曲线在下方。由图11和图12可见：同一含水质量分数下，粗粒质量分数小的试样对应的吸力值更大，饱和含水质量分数更高，这与Rao等的结论是一致的^[3]。本文仅给出初始含水质量分数为13%和15%时试样的土水曲线。

图11  初始含水质量分数13%的土水特征曲线

Fig.11  SWCCs at compaction w=13%

图12  初始含水质量分数15%的土水特征曲线

Fig.12  SWCCs at compaction w=15%

图13~15所示分别为不同级配下，拟合参数a、残余含水质量分数及拟合参数n的变化曲线。如图13~15可见：级配II试样的曲线拟合参数a变化趋势线落在级配I的趋势线之上，说明粗颗粒含量高的试样中，参数a较大，而进气值则较低。由图15可见：粗颗粒质量分数高的试样残余含水质量分数要更低，拟合参数n也降低，曲线斜率更小，持水能力变强。这是因为粗粒土中由于砾粒的加入，粗颗粒增多，虽然分选差，但是，土的级配却更加良好，土样孔隙相对较小，水不易排出，基质吸力随含水质量分数变化的敏感性降低。

图13  不同级配下拟合参数a变化曲线

Fig.13  Relationship of fitting parameter a varied with gradation

图14  不同级配下残余含水质量分数变化曲线

Fig.14  Relationship of residual water content varied with gradation

图15  不同级配下拟合参数n变化曲线

Fig.15  Relationship of fitting parameter n varied with gradation

4  结论

(1) 在相同干密度下，随着初始含水质量分数大，试样进气值、残余含水质量分数都会增大。进气值随初始含水质量分数增大的幅度又随着干密度增大而降低；初始含水质量分数相同，干密度增大，进气值也增大，这种增幅随初始含水质量分数的增大而降低。同时，基质吸力随含水质量分数变化敏感性降低，残余含水质量分数有所增高，持水能力增强；对于不同级配土样，粗粒质量分数高的试样进气值更低，持水能力强，残余含水质量分数也低。

(2) 试验表明巴东组红层软岩泥化夹层的非饱和土-水特性明显，干密度、初始含水质量分数、粒径对试样的土-水特性影响很大。研究成果对从非饱和土力学角度分析不同物理状态下软岩泥化夹层工程性质及其对边坡稳定性影响具有参考价值。

参考文献：

[1] Fredlund D G, Xing A Q, Fredlund M D, et al. The relationship of the unsaturated soil shear strength to the soil-water characteristic curve[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1996, 33(3): 440-448.

[2] Vanapalli S K, Fredlund D G, Pufahl D G, et al. Model for the prediction of shear strength with respect to soil fsuction[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1996, 33(3): 379-392.

[3] Rao S M, Revanasiddappa K. Role of soil structure and matric suction in collapse of a compacted clay soil[J]. Geotechnical Testing Journal, 2003, 26(1): 1-9.

[4] Kawaik K, Kato S. The model of water retention curve considering effects of void ratio[C]// Unsaturated Soils for Asia. Rotterdam: Balkema, 2000: 329-334.

[5] Miller C J. Impact of soil type and compaction conditions on soil water characteristic[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 2002, 128(9): 733-742.

[6] Vanapalli S K, Fredlund D G, Pufahl D E. Relationship between soil-water characteristic curves andthe as-compacted water content versus soil for a clay till[C]// Proceedings of Ⅺ Pan-American Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Brazil: Iguanzu Falls, 1999: 991-998.

[7] Chetia M. An investigation on the effect of initial water content and dry density on drying soil-water characteristic curve of a cohesionless soil[J]. Unsaturated Soils-Proceedings of the 5th International Conference on Unsaturated Soils, 2011, 1: 447-451.

[8] 张雪东, 赵成刚, 蔡国, 等. 土体密实状态对土-水特征曲线影响规律研究[J]. 岩土力学, 2010, 31(5): 1463-1468.

ZHANG Xuedong, ZHAO Chenggang, CAI Guo, et al. Research on influence of soil density on soil-water characteristic curve[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(5): 1463-1468.

[9] 熊承仁, 刘宝琛, 张家生. 重塑黏性土的基质吸力与土水分及密度状态的关系[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(2): 322-327.

XIONG Chengren, LIU Baochen, ZHANG Jiasheng. Relation of matric suction with moisture state and density state of remolded cohesive soil[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(2): 322-327.

[10] 王协群, 邹维列, 骆以道, 等. 考虑压实度时的土水特征曲线和温度对吸力的影响[J]. 岩土工程学报, 2011, 33(3): 368-372.

WANG Xiequn, ZOU Weilie, LUO Yidao, et al. SWCCs and influence of temperature on matrix suction under different compaction degrees[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(3): 368-372.

[11] 刘奉银, 张昭, 周冬, 等. 密度和干湿循环对黄土土-水特征曲线的影响[J]. 岩土力学, 2011, 32(S2): 132-136.

LIU Feng-yin, ZHANG Zhao, ZHOU Dong, et al. Effects of initial density and drying-wetting cycle on soil water characteristic curve of unsaturated loess[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(S2): 132-136.

[12] QIAN Jingsong. Effect of compaction degree on soil-water characteristic curve of chongming clay[J]. Applied Mechanics and Materials, 2011, 90: 701-706.

[13] 文宝萍, 胡艳青. 颗粒级配对非饱和黏性土基质吸力的影响规律[J]. 水文地质工程地质, 2008, 35(6): 50-55.

WEN Baoping, HU Yanqing. Effect of particle size distribution on the metric suction of unsaturated clayey soils[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2008, 35(6): 50-55.

[14] Gallage C P K. Effects of dry density and grain size distribution on soil-water characteristic curves of sandy soils[J]. Soils and Foundations, 2010, 50(1): 161-172.

[15] 汪东林, 栾茂田, 杨庆. 重塑非饱和黏土的土-水特征曲线及其影响因素研究[J]. 岩土力学, 2009, 30(3): 751-756.

WANG Dongling, LUAN Maotian, YANG Qing. Experimental study of soil-water characteristic curve of remolded clay[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(3): 751-756.

[16] Mijares R G. Soil water characteristic curves of compacted clay subjected to multiple wetting and drying cycles[J]. Geotechnical Special Publication, 2010, 199: 400-409.

[17] van Genuchten M T. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity for unsaturated soils[J]. Soil Science Society of America, 1980, 44: 892-898.

[18] Fredlund D G, Xing A. Equations for soil-water characteristic curve[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1994, 31(4): 521-532.

[19] 邵明申, 李最雄. PS对非饱和重塑黏土的土-水特征曲线的影响[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2011, 42(5): 1422-1436.

SHAO Mingshen, LI Zuixiong. Effect of PS on soil-water characteristic curve of remolded unsaturated clay[J]. Journal of Central South University: Science and Technolgoy, 2011, 42(5): 1422-1436.

[20] van Genuchten M T. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity for unsaturated soils[J]. Soil Science Society of America, 1980, 44(5): 892-898.

[21] 杨和平, 林丽萍, 肖杰, 等. 用土水特征曲线分析膨胀土的改良效果[J]. 公路交通科技, 2011, 29(10): 1-6.

YANG Heping, LIN Liping, XIAO Jie, et al. Journal of highway and transportation research[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2011, 29(10): 1-6.

[22] 彭建平, 邵爱军. 用Matlab确定土壤水分特征曲线参数[J]. 土壤, 2007, 39(3): 433-438.

PENG Jianping, SHAO Aijun. Determination of parameters of soil water characteristic carve by Matlab[J]. Soils, 2007, 39(3): 433-438.

[23] 王菁莪, 项伟, 毕仁能. 基质吸力对非饱和重塑黄土崩解性影响试验研究[J]. 岩土力学, 2011, 3(11): 3258-3262.

WANG Jinge, XIANG Wei, BI Renneng. Experimental study of influence of matric suction on disintegration of unsaturated remolded loess[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 3(11): 3258-3262.

[24] 苏金明, 阮沈勇. Matlab 6.1 实用指南(下册)[M]. 北京: 北京电子工业出版社, 2002.

SU Jinmin, RUAN Shenrong. Matlab 6.1 practical guide (Book 2)[M]. Beijing: Beijing Publishing House of Electronics Industry, 2002.

(编辑  邓履翔)

收稿日期：2012-06-04；修回日期：2012-11-15

基金项目：湖北省交通运输厅科技项目(2011)；国家自然科学基金资助项目(41272377)

通信作者：祝艳波(1985-)，男，辽宁阜新人，博士研究生，从事岩土体的工程稳定性及地质灾害防治研究；电话：18986007710；E-mail: 342948684@qq.com