温 煦
(天津市勘察院，天津 300191)
0 引言
土—水特征曲线(Soil-Water Characteristic Curve，简称SWCC)的概念源于土壤水动力学，它是土的含水率(或饱和度)与土中吸力的关系曲线。SWCC反映了非饱和土吸水以及储水能力，借助它可以直接得到不同含水率土体所处的吸力环境并可以间接推算出饱和土的强度和渗透系数等难以量测的土体参数。因此，本文从SWCC着手，研究了干湿循环条件下的非饱和土持水特性。
1 土—水特征曲线的影响因素
影响土—水特征曲线的因素主要有土的矿物成分、孔隙结构、土体的收缩性、土的应力历史和温度等［1］。但笔者认为土的矿物成分和孔隙结构是基本因素，其他因素往往是通过影响这两个基本因素而起作用的。
1)土的矿物成分，包括土颗粒的矿物成分以及孔隙中可溶盐成分。其影响反映在土体对水分的亲和程度上，对于具有较强亲水性的矿物组成的土体，它表现出的吸力也必然较大，反映在土—水特征曲线上，则为残余含水量较大，曲线的斜率也变得平缓。
2)孔隙结构，包括孔隙大小、级配和组成结构等。孔隙结构影响土水作用面积和收缩膜的形状，而后者决定吸力的大小。土体的孔隙尺寸小，进气值高，持水性强，则土—水特征曲线平缓。孔隙结构通常和粒径、级配以及土骨架结构相关，一般说来粒径较小、级配良好的土体，其孔径较小。此外，影响孔隙结构的其他一些因素也间接影响着土—水特征曲线的形状，如干密度、初始含水量、应力路径和应力状态等。
3)土体的收缩性，土体在干湿循环过程中所产生的收缩或膨胀必然会引起孔隙结构的变化，进而影响土体的持水能力，改变土—水特征曲线的形状。
2 试验研究
2.1 试验方法
本试验试样取自河南新乡，表1为基本物理性质指标，试验方法均参考《土工试验技术手册》［2］《土工试验方法标准》［3］。
表1 试样的基本物理指标
2.1.1 滤纸法测定SWCC
滤纸法是将滤纸作为传感器间接量测土中的吸力，与其他量测方法相比，滤纸法具有成本低、不易损坏、不需外加电压、不受外加电压变动影响的特点，同时，同一型号的滤纸具有相同的吸力与含水率率定曲线，不需像其他探头那样使用前必须进行率定。
用滤纸法可测定土中的总吸力或基质吸力，其原理是滤纸能够同具有一定吸力的土在水分传递上达到平衡，当滤纸(干的或湿的)与土样接触时，水分将在两者之间迁移，直至最终平衡。因此，可通过量测滤纸平衡时的含水率并借助该型号滤纸的率定曲线间接获取土样的总吸力或基质吸力。
本文选用whatman NO.42滤纸的率定公式为［4］:
其中，S为吸力，kPa;wf为含水率，%。
2.1.2 非饱和固结仪测定SWCC
本文用于测定土—水特征曲线的非饱和土固结仪基于轴平移技术测定基质吸力。仪器可以测试的最大基质吸力一般不超过1000kPa。
2.2 试验方案
试验方案见表2。
表2 试验方案
表中的曲线编号中的字母D(Dry)量测土样处于干燥过程的SWCC曲线，W(Wet)表示处于增湿过程，连字符后的数字表示制备土样的初始干密度。本试验主要包括两大组试验:干燥过程和增湿过程，每组试验分别包括干密度为1.55g/cm3，1.65g/cm3，1.75g/cm3(对应的相对密实程度分别为 85.6%，91.2%，96.7%)三种不同试样。
2.3 试验结果与分析
2.3.1 干燥过程
图1 干燥过程SWCC
图1为三种初始干密度的试样处于干燥过程的土—水特征曲线，从图中可以看出干燥过程的土—水特征曲线具有以下基本特征:
1)各试样的饱和度随着基质吸力的增大而减小;在相同吸力下，饱和度随着初始干密度的增大而增大，土—水特征曲线呈现右移趋势;
2)初始干密度对土体的进气值有一定的影响。干密度为1.55g/cm3的曲线，有两个比较明显的拐点，干密度为1.65g/cm3的曲线也有两个拐点，但不是很明显，干密度为1.75g/cm3的曲线则只有一个拐点，出现这种情况主要是因为土样中的空隙分布并不均匀，在土样中可能存在相对较大的裂隙，干密度越小的土样存在大裂隙的可能性越大，裂隙也越大，因此在小吸力的时候土样就已经进气，SWCC在小吸力范围内出现拐点。但土样中的大裂隙很少，因此继续增加吸力时，SWCC再次出现平缓阶段，直至出现第二个拐点。
2.3.2 增湿过程
图2 增湿过程SWCC
图2为干密度为1.65g/cm3和1.75g/cm3的试样增湿过程的土—水特征曲线。可以得到以下结论:
1)试样的饱和度随着基质吸力的减小而增大;
2)在吸力大于进气值时，两条曲线基本重合。在吸力小于进气值时，饱和度随着初始干密度的增大而增大，土—水特征曲线呈现上移趋势;密度对于土体的进气值有一定的影响，大密度的土样的进气值较小密度土样的进气值小。
2.3.3 一次干湿循环
图3 ρd=1.65g/cm3 一次干湿循环SWCC
图4 ρd=1.75g/cm3 一次干湿循环SWCC
图3和图4分别为干密度为1.65g/cm3和1.75g/cm3的土样一次干湿循环过程的土—水特征曲线。从图中可以看出干湿循环对土样的土—水特征曲线的影响基本如下:
1)土样的增湿曲线与干燥曲线的走势基本一致，但具有非常明显的滞后现象:增湿过程较干燥过程相同吸力对应的饱和度明显减小;土样的进气值也有减小;
2)干密度为1.65g/cm3的土样，增湿过程只有一个进气值，而不是像干燥过程中有两个进气值。这是因为在经历了一次干湿循环，土样经历了一次胀缩过程，土体内的裂隙进一步开展，土样中的较大裂隙增加，因此像干燥过程中少量较大裂隙的特殊影响基本消失，不会出现两个进气值的现象。这也可以解释增湿过程较干燥过程进气值变小的现象;
3)干密度为1.75g/cm3的土样曲线的滞后现象比干密度为1.65g/cm3的土样曲线更加明显。这是因为在经历了一次干湿循环的过程中，密度大的土样的膨胀程度会更大，土样中裂隙开展的相对比例也比密度小的土样大，由新增的土中孔隙的几何形状所引起，因此增湿和干燥两个过程存在的瓶颈现象在密度大土样中表现的更加明显，而导致相同的吸力值对应于饱和度的减小量不同。
2.3.4 干湿循环作用下土—水特征曲线拟合
王钊等［5］根据拟合参数的个数对现有的土—水特征曲线方程进行分类，对方程中重要参数的意义进行探讨，并分析现有方程的拟合效果。结合本文试验，固结仪受陶土板进气值的限制无法测得完整的土—水特征曲线，在缺少残余含水率θr以及残余含水率对应的吸力ψr情况下，式(2)更适合拟合本文试验结果。
其中，a，m，n均为拟合参数，a为与土的进气值有关的参数，kPa，n为控制SWCC拐点处坡度的参数，m为与参与含水率有关的参数;θ为体积含水率，%;θs为饱和土的体积含水率(φ=0，θ=θs);ψ 为吸力，kPa。
利用式(2)对SWCC进行拟合，应用Origin软件，得到相应的吸力—饱和度的拟合曲线，见图5～图9。从拟合曲线可以知道，拟合方程式能够较好的拟合出本文的试验曲线。
图5 干密度为1.55g/cm3（干燥曲线）
图6 干密度为1.65g/cm3（干燥曲线）
图7 干密度为1.75g/cm3（干燥曲线）
图8 干密度为1.65g/cm3（增湿曲线）
图10为三种初始干密度的试样处于干燥过程的土—水特征曲线拟合曲线，从图中可以更为清晰的看出干燥过程的土—水特征曲线具有以下基本特征:
1)各试样的含水率随着基质吸力的增大而减小;
2)初始干密度对土体的进气值有一定的影响，即土体进气值随土样的初始干密度的增大而增大，这是因为由于初始干密度越大，存在于土体中的孔隙体积越小，越难进气，因此初始干密度越大土样也需要加到越大的吸力才能进气。
图9 干密度为1.75g/cm3（增湿曲
图10 干燥过程拟合曲线
3 结语
本文使用两种试验方法，针对三种初始干密度的试样量测一次干湿循环的土—水特征曲线。
根据试验结果，可得到以下结论:
1)干燥过程中，干密度小的试样土—水特征曲线会明显出现两个进气值，但随着干密度的增大，这种现象逐渐减弱，并最终表现为单进气值。进气值随干密度的增大而减小。增湿阶段的土—水特征曲线有明显的滞后现象，且密度越大，滞后越明显，说明初始状态对土体持水性能有影响，表现为干密度越大，土体的持水性能越差;
2)增湿过程较干燥过程，相同吸力对应的饱和度明显减小;土样的进气值也有减小，说明经历干湿循环过程，使土体的持水能力提高;
3)本文利用现有的经验公式对试验结果进行拟合，得到了较好的拟合效果。
［1］刘艳华，龚壁卫，苏 鸿.非饱和土的土水特征曲线研究［J］.工程勘察，2002(3):8-11.
［2］南京水利科学研究院土工实验所.土工试验技术手册［M］.北京:人民交通出版社，2003.
［3］GB/T 50123-1999，土工试验方法标准［S］.
［4］Chandluer R.I.，Gutierret，C.I..The filter paper method of suction measurement［J］.Geotechnique，1986，36(2):265-268.
［5］胡 波，肖元清，王 钊.土—水特征曲线方程参数和拟合效果研究［J］.三峡大学学报，2005，27(1):31-33.
