基于離心機(jī)法研究變重度壓實(shí)黃土土—水特征曲線

基于離心機(jī)法研究變重度壓實(shí)黃土土—水特征曲線

潘宗俊1,劉慶成2

(1交通部公路科學(xué)研究院　北京市　100088; 2·中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司　北京市　100088)

    摘要:為研究壓實(shí)黃土土—水特征曲線,采用離心機(jī)對不同壓實(shí)度黃土進(jìn)行脫水試驗(yàn)。通過調(diào)節(jié)離心機(jī)轉(zhuǎn)速 得到不同吸力條件下壓實(shí)黃土含水量以及重度的變化,將定重度的壓實(shí)黃土土-水特征曲線和變重度的土-水特征 曲線進(jìn)行分析比較,得出不同壓實(shí)度黃土土-水特征曲線的變化規(guī)律。結(jié)果表明:離心試驗(yàn)過程中土樣重度隨吸力 增大而增加,其變化過程分為快速增大、慢速增大和基本穩(wěn)定3個階段,土樣的重力含水量隨基質(zhì)吸力的逐漸增大而 減小,在相同的含水量下,基質(zhì)吸力隨著壓實(shí)度的增加而增大;考慮重度變化且吸力高于6 bar各組不同壓實(shí)度試樣 土—水特征曲線基本重合,而并非未考慮重度土-水特征曲線的平行關(guān)系,因此測定壓實(shí)黃土土—水特征曲線必須 考慮重度的變化。

    關(guān)鍵詞:土—水特征曲線;變重度;壓實(shí)黃土;離心機(jī);吸力;體積含水量

    土-水特征曲線SWCC(Soil—water Characteris- tic Curve)是描述非飽和土中的基質(zhì)吸力與體積含水 量、重量含水量或飽和度等之間關(guān)系的重要曲線[1]。 測定土-水分特征曲線的方法主要有3種:張力計、 壓力膜和離心機(jī)法[5,6]。通常用張力計、壓力膜、離心 機(jī)等方法測定土-水分特征曲線時,都存在著因壓 力、離心力作用或濕脹干縮而導(dǎo)致的重度變化[6]。有 研究表明[6,7]:在采用壓力膜法測定土-水分特征曲 線的過程中,當(dāng)壓力從0 kPa增加到1 500 kPa時,土 壤重度相應(yīng)地從1·2 g/cm3變化到1·86 g/cm3;用離 心機(jī)法測定重壤土的水分特征曲線時,在0~ 2 000 kPa的范圍內(nèi),土壤的重度變化為1·3 ~ 2·05 g/cm3。忽略這一重度變化必然與實(shí)際情況有較 大的差別,帶來一定的誤差,因此土-水分特征曲線 測定過程中的重度變化值得重視和進(jìn)一步探索。 鑒于張力計量程為0~100 kPa,不能全面刻畫 土-水特征曲線;壓力膜法實(shí)驗(yàn)過程要反復(fù)稱重,不 可避免地存在著水分的蒸發(fā)和小土顆粒的散失等誤 差,耗時且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度不高[8];本文采用離心機(jī)法 研究壓實(shí)黃土的土-水特征曲線,試驗(yàn)過程測定不 同壓實(shí)度黃土的土-水特征曲線以及重度的變化, 將定重度的壓實(shí)黃土土-水特征曲線和變重度的土 -水特征曲線進(jìn)行分析比較,得出不同壓實(shí)度黃土 土-水特征曲線的變化規(guī)律。

    1　離心機(jī)法基本原理

    用離心機(jī)測定土-水特征曲線的基本原理,實(shí)際上就是把重力場裝置搬移到離心力場。在重力場中,H高度的水體是受重力加速度G作用。在離心場中,G的作用由離心加速度rω2代替(r為運(yùn)轉(zhuǎn)半 徑,ω為角速度)。

    式中:H為水勢;r為離心機(jī)半徑;h為裝土量(g);ρ為水的密度;n為轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)數(shù)/min)。 根據(jù)公式(4)將H轉(zhuǎn)化為吸力值,進(jìn)而可以計算出吸力和轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系。

    2　試驗(yàn)步驟

    2·1　試驗(yàn)黃土的物理性質(zhì)

    本試驗(yàn)黃土試樣取自陜西周至,根據(jù)公路工程土工試驗(yàn)規(guī)程,進(jìn)行如下常規(guī)物理力學(xué)試驗(yàn),數(shù)據(jù)見表2。

    2·2　試驗(yàn)裝置及操作步驟

    試驗(yàn)采用HITACHI公司生產(chǎn)的CR21G高速恒溫離心機(jī),由中科院水土保持所引進(jìn),如圖1和圖2所示。起動離心機(jī)時,先打開離心機(jī)開關(guān),按DOOR鍵后,機(jī)殼門可自行打開,然后完成以下幾步。

    (1)先把轉(zhuǎn)子平穩(wěn)放在轉(zhuǎn)軸上,使轉(zhuǎn)子來回轉(zhuǎn)動靈活即可。

    (2)土樣試管平衡對稱放入轉(zhuǎn)頭里,相對稱的土樣試管重量必小于2 g。

    (3)放土樣試管時,應(yīng)使貯水器靠近轉(zhuǎn)子圓周的外邊緣,土樣試管透氣孔必須朝上。

    (4)擰緊轉(zhuǎn)子上的蓋子,確定擰緊后方可開機(jī)。

    (5)關(guān)好機(jī)殼門,可按要求設(shè)置所需的各項參數(shù),核對無誤后可按START鍵運(yùn)動,運(yùn)動要在設(shè)定的時間、穩(wěn)重后,再設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)動,進(jìn)而得到被測土樣含水量和重度。

    土樣經(jīng)過碾壓后過2 mm土篩,均勻混合后放入烘箱,在105℃烘干制備成試驗(yàn)用的土樣。稱取60g烘干土樣,采用分層壓實(shí)法配置3組不同壓實(shí)度(85%, 92%, 100%)的試樣,每組4個相同壓實(shí)度的試樣,分別裝入到D(直徑)×h(高度)=4·4 cm ×4·4 cm的有機(jī)玻璃盒中,然后將土樣飽和。將飽和后的土樣稱重,用游標(biāo)卡尺量取土樣長度并確定 飽和時土壤的重度,然后將土樣放入離心管中,按照 設(shè)定的離心力(1·02~102 m水柱)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。待到達(dá)平衡時間后,取出有機(jī)玻璃土樣盒,稱重且通過游標(biāo)卡尺量距確定該離心力下的土樣含水量及重度, 將不同吸力的離心試驗(yàn)做完后,把土樣取出并放入烘箱烘干稱重,進(jìn)而求得體積含水量與吸力的特征曲線。

    3　試樣重度變化

    離心機(jī)法測定土—水特征曲線過程中隨著轉(zhuǎn) 速(離心力)的不斷增加,含水量減少,土體體積隨 之收縮,重度相應(yīng)增大,在不同吸力條件下,將平 衡后的試樣稱重,而后用游標(biāo)卡尺量測試樣高度 得到體積變化,從而得到試樣的重度變化與吸力 的關(guān)系。

    由圖3可見,在低吸力(0~2 bar)范圍內(nèi),3組 土樣重度變化曲線較為陡直,存在著明顯的拐點(diǎn),在 高吸力(6~10 bar)范圍內(nèi),4種土壤重度的變化趨 勢基本穩(wěn)定,離心試驗(yàn)重度變化分為3個階段。

    (1)快速增大階段,吸力在0~2 bar階段,不同 壓實(shí)度的試樣重度均迅速增大。

    (2)慢速增大階段,吸力在2~6 bar階段,重度 增大的速度低于前一階段,但仍有明顯的增長幅度。 (3)穩(wěn)定階段,當(dāng)吸力超過6 bar以后,重度增 長的幅度微小,基本認(rèn)為不發(fā)生變化。

    當(dāng)吸力小于2 bar時,土樣重度隨吸力增加而發(fā) 生顯著的增大變化,變化幅度均超過3·2 kN/cm3,單 位吸力(1 bar)內(nèi)重度增大超過2 kN/cm3,占總的重 度變化的60%以上,這是因?yàn)榈臀Χ瓮林兴饕?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運(yùn)動,水分損失較大,造成土 樣容積較大的收縮,使得重度增加較明顯。當(dāng)吸力 處于2~6 bar時,重度仍然有明顯增長,但是單位 吸力(1 bar)內(nèi)重度平均變化為0·2~0·8 kN/cm3, 變幅減小。在高吸力段(6~10 bar)內(nèi),土顆?？紫?水主要以薄膜水、吸著水方式存在,水分移動非常困 難,水分損失很小,因而重度變化很小。

    4　土-水特征曲線

    為得到壓實(shí)黃土的土-水特征曲線,必須獲得 土樣中水分含量。離心試驗(yàn)穩(wěn)定后,對土樣進(jìn)行稱 重,整個試驗(yàn)結(jié)束后,進(jìn)行烘干稱重,各組數(shù)據(jù)取其 算術(shù)平均值,因此可求得不同吸力條件下土樣重力 含水量,見表4。

    由表4可知,離心機(jī)轉(zhuǎn)速增大,土顆粒孔隙中自 由水流出,吸力也隨之增大,重力含水量逐漸減小, 吸力在0~10 bar范圍內(nèi),含水量減小了70%左右; 隨壓實(shí)黃土含水量的增大,基質(zhì)吸力持續(xù)減小,非飽 和黃土的工程性質(zhì)向飽和弱性轉(zhuǎn)化,同一吸力條件 下,隨著壓實(shí)度增大,含水量總體上隨之變大。

    為研究考慮重度變化與否對土—水特征曲線中體積含水量影響的差異性,求得以體積含水量為縱坐標(biāo)的土—水特征曲線,分別將相同壓實(shí)度的定重度 和變重度土—水特征曲線繪制成圖,見圖4~圖6。

    由圖4~圖6可知,兩種曲線走勢基本相同,隨著吸力的增大,曲線距離也增大,吸力超過6 bar后,各組曲線之間基本保持平行,這是由于離心試驗(yàn)過程中,土樣重度在6 bar以后保持穩(wěn)定;變重度土-水特征曲線較為平緩,相同吸力時,考慮重度變化均高于未考慮重度變化的體積含水量。

    分別考慮測定過程中土樣重度固定不變和發(fā)生變化兩種情況,將3組不同壓實(shí)度土樣的土—水特征曲線繪成圖,見圖7和圖8。

    由圖7和圖8可知,壓實(shí)黃土隨著吸力的增大體積含水量逐漸減小。對于圖7而言,吸力低于4 bar時,微呈“喇叭口”狀收縮,吸力高于4 bar后, 組土樣的曲線呈平行狀,且在相同吸力時,隨著壓實(shí)度增大,土樣體積含水量也變大;圖8所示曲線的吸力低于6 bar時,呈“喇叭口”狀收縮,高于6 bar后,三組曲線基本重合?？梢?當(dāng)吸力低于4bar時,隨著離心機(jī)轉(zhuǎn)速增大,飽和土樣中自由水減少,相對密 實(shí)的土樣中水散失較少,吸力相同時體積含水量較大,但隨著離心力增大,土樣中吸力值很大時,土中水多以結(jié)合水形式存在,僅有少量自由水,土顆粒之間結(jié)合緊密,3組土樣的含水量以及重度十分接近, 因此相同吸力對應(yīng)的體積含水量應(yīng)比較接近,并非平行關(guān)系,而應(yīng)該為圖8所示重合關(guān)系,所以土—水特征曲線測定必須考慮重度的變化。

    5　結(jié)語

    采用離心機(jī)對3組不同壓實(shí)度黃土進(jìn)行脫水試 驗(yàn),測定不同吸力狀態(tài)下試樣的重度和含水量,得出 土—水分特征曲線。測定結(jié)果如下。

    (1)離心試驗(yàn)過程中,試樣重度隨著吸力增大而 增大,變化分為3個階段:快速增大、慢速增大和穩(wěn) 定階段。

    (2)土樣的重力含水量隨基質(zhì)吸力的逐漸增大 而減小,在相同的含水量下,基質(zhì)吸力隨著壓實(shí)度的 增加而增大。隨壓實(shí)黃土含水量的增大,基質(zhì)吸力 持續(xù)減小,非飽和黃土的工程性質(zhì)向弱性變化。

    (3)相同壓實(shí)條件下,變重度土—水特征曲線較 為平緩,相同吸力時,變重度土—水特征曲線的體積 含水量均高于未考慮重度變化的體積含水量。

    (4)吸力低于6 bar時,變重度土水特征曲線呈 “喇叭口”狀收縮,高于6 bar后,3組曲線基本重合, 而并非定重度土水特征曲線的平行關(guān)系,因此土— 水特征曲線測定必須考慮重度的變化。

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