PS对非饱和重塑黏土的土-水特征曲线的影响
邵明申1，李最雄1, 2
(1. 兰州大学 土木工程与力学学院，甘肃 兰州，730000；
2. 敦煌研究院，甘肃 敦煌，736200)
摘要：采用扫描电镜测试PS加固前后黏土微观结构的变化，研究黏土矿物、孔隙结构和土体收缩特性3种因素对加固以后非饱和重塑黏土的土-水特征曲线的影响。研究结果表明：PS与土颗粒的反应是非常复杂的物理化学反应，在反应中大量的黏土矿物被消耗，形成一种较致密的结构，力学强度提高，同时，孔隙壁变得光滑、平直，土颗粒磨圆度增大，膨胀性降低，这些因素导致非饱和黏土的土-水特征曲线发生明显变化；PS加固后饱和含水率和残余含水率都有一定程度下降，进气值较高，斜率变陡，下降速度快。Van Genuchten模型(即VG模型)对PS作用前、后的土-水特征曲线的拟合效果较好。研究结果证明PS材料加固土遗址的良好性能。
关键词：PS；土-水特征曲线；黏土矿物；孔隙结构；VG模型
中图分类号：TU 411 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)05-1432-05
Effect of PS on soil-water characteristic curve of remolded unsaturated clay
SHAO Ming-shen1, LI Zui-xiong1, 2
(1. College of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;
2. Dunhuang Academy, Dunhuang 736200, China)
Abstract: SEM was employed to analyze the micropore structure of remolded samples which were reinforced by PS or not. The effects of clay mineral, pore structure and shrinkage on the soil-water characteristic curve (SWCC) of remolded unsaturated clay after consolidating by PS were analyzed. The results show that PS can improve the mechanical property through binding separate earthen relics particle together, and a series of physical and chemical reactions between PS and particle surface also improve the clay behaviors of the remolded unsaturated clay, such as pore structure, psephicity and shrinkage, which lead to the change of SWCC of the unsaturated clay. The results also suggest that the characters of the samples including saturated water content, residual water content, air entry value and the slope of the SWCC are changed after consolidating by PS, the saturated water content and residual water content are lower while the air entry value and the slope of the SWCC become higher than that without PS. Van Genuchten model (i.e., VG model) fits the experimental data well. The conclusion proves the good performance of PS consolidation for earthen sites well.
Key words: PS; soil-water characteristic curve; clay mineral; pore structure; VG model
土-水特征曲线描述了非饱和土含水率和基质吸力的关系，在非饱和土力学中具有重要意义。很多学者对土-水特征曲线进行了大量研究，并提出了很多曲线表达式[1-8]。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、干密度、初始含水率、土的应力历史和温度等。但刘艳华等[9]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2个基本因素而起作用的。PS是敦煌研究院研究开发的一种高模数K2SiO3溶液，为透明黏稠胶体，pH约为12，呈碱性，密度为1.25 g/cm3(25 ℃时)，加入扩散剂－亚甲基二磺酸钠，可以降低表面张力，提高稳定性，增强渗透性[10-13]。PS作为一种无机化学材料对低强度土体有非常好的加固效果，在我国土遗址保护工作中也发挥着越来越重要的作用。在此，本文作者研究PS对土体内部结构的改变状况，通过对重塑样土-水特征曲线的测试，对比PS加固前后曲线的变化，从矿物成分、孔隙结构等方面探讨引起变化的原因，以便为PS加固土遗址的良好效果提供理论依据，并为PS更加有效地加固土遗址提供技术支持。
1 土-水特征曲线
1.1 试样的选取
土样取自吐鲁番高昌故城东墙中部坍塌的夯土，黏土含量较高，含水率极低，深黄色和浅黄色2种颜色交替，中间夹杂有暗灰色，孔隙较大，渗透性好。黏粒含量(质量分数，下同)为40%~50%，方解石含量20%~30%，碎屑含量15%~25%。其中黏粒主要成分为蒙脱石、高岭石、伊利石等。土样的基本物理性质见表1。
1.2 土-水特征曲线测试
为更好地反映PS与土作用引起的矿物成分、孔隙结构变化对土水曲线的影响，特对其他影响因素如温度、液体等均采用同等条件进行控制，不再考虑它们的影响。PS加固样是在黏土样基础上滴加7% PS制作而成，由于PS用量小，干密度增加不明显，初始孔隙比也近似；将黏土样和PS加固样同时放入压力膜仪中，采用同等条件进行试验。
对脱湿土-水特征曲线进行试验测试，采用美国Soilmoisture公司生产的1.5 MPa压力板仪，如图1所示。将饱和土样与饱和高进气值陶土板充分接触，先将陶土板下面的空气排净，并充满水与量管连接，以保证试样水量变化可由量管指示读出，试样内孔隙水压力uw=0。逐级增加容器内的空气气压ua，待吸力(ua-uw)
图1 体积压力板仪示意图
Fig.1 Schematic diagram of volumetric pressure plate test
平衡时，读出量管指示数。逐级施加空气气压并记录ua及含水率变化，以便反算含水率。施加最后一级空气压力后，记录吸力值ua-uw=us，称量试样质量，烘干后计算质量含水率w，绘出土水特征曲线。
2 结果与分析
2.1 试验结果
PS与土作用以后土-水特征曲线发生了很大变化，如图2所示。由图2可知：饱和含水率和残余含水率都有一定程度下降，说明各吸力段的持水能力变差，特别是高吸力段表现得尤为明显；进气值较高；斜率变陡，失水的速度快。
2.2 原因分析
一般来说，土的持水能力在中低吸力段主要依赖于毛管作用和孔隙分布，在较高吸力范围内，愈来愈受吸附作用的制约，土颗粒的吸附能力及比表面的影响作用增强。由此可以推断：PS与土反应以后，土体的孔隙结构、颗粒形态以及骨架结构发生了较大的改变。Li等[14-15]对PS与黏土的作用机理进行了研究，认为PS改变了分离的、片状的晶态黏土矿物的微观结构, 形成了一种致密的凝胶网状结构。PS溶液是一
表1 高昌故城土的基本物理性质
Table 1 Basic soil properties of loess soil from ancient City of Gaochang
图2 非饱和黏土的土-水特征曲线
Fig.2 Soil-water characteristic curves of remolded unsaturated clay
种无机加固剂, 它在水中会发生以下离解反应：
K2SiO3=2K++
黏土矿物的主要化学成分为伊利石KAl2[(OH)2(Si, Al)4O10]和绿泥石Mg6(Mg, Al, Fe, Mn)6- [(OH)16(Si,Al)8O20]等硅铝酸盐晶体，土团之间具有大量的空隙。黏土矿物中硅铝和氧原子之间的电子向硅铝原子发生偏移，黏土矿物中含氧酸根硅铝的电子云密度增加，而氧原子周围的电子云密度降低，减弱了氧原子与黏土矿物分子中金属阳离子的结合力。氧原子与金属阳离子结合力的降低可能是PS 离解出的与黏土矿物中的金属阳离子发生了静电吸附作用，使硅铝和氧原子之间的电子向氧原子发生偏移的结果。这种静电吸附作用使PS 离解所产生的 进入了黏土矿物分子中的空隙, 将这些黏土矿物片层连接起来。最终产物应为一种晶态和非晶态共存的硅铝酸盐凝胶体。
其次, 黏土矿物在溶液中易分散成片状颗粒，而这些颗粒的板面与边沿带有不同的电荷,在一个较大的pH范围内，边缘往往带有正电荷，而板面总是带有负电荷，且板面所带的负电荷在数值上远大于边缘所带的正电荷，因此，黏土颗粒除了吸附PS 水解所产生的外，还会与K+进行当量吸附，使分散的黏土颗粒形成较大的团粒。由于其表面积很大，会产生很大的表面能，能与较大的硅铝酸盐凝胶进一步结合，形成团粒结构。
2.2.1 矿物成分的影响
土颗粒的矿物成分的变化极大地影响了土-水特征曲线的变化规律(图2)。试样含有大量强亲水性的矿物，如蒙脱石、高岭石、绿泥石、伊利石等，对水分的亲和程度非常高，持水性好，脱水速度较慢，脱水曲线的斜率也较为平缓。
PS与土体反应以后，大量的矿物被消耗，其比表面和可能的结合水含量降低，在相同吸力条件下储水能力变弱，脱水速度加快，曲线的斜率变陡。这种现象在吸力较小范围内表现得最明显，在大吸力范围内，土样储水能力变化较小，曲线均变得比较平缓，此时，残余含水率较低。
2.2.2 孔隙结构
孔隙结构与土的脱水速率、进气值和残余含水率均有着密切的关系，它是影响土水特征曲线形状的重要因素。对PS加固前后的试样进行电镜测试，结果表明孔隙率没有显著降低，孔隙结构发生了很大的改变。一方面，孔隙壁发生了明显的变化，如图3所示。孔隙表面的黏土矿物被消耗，几乎所有的棱角都消失，颗粒排列更为紧密、规整，表面变得光滑，由此带来的结果是：比表面积缩减，土水作用的面积减小，吸附水的能力减弱，持水能力降低；收缩膜的形状、张力的方向、作用点也随之变化，吸力降低，进而影响
图3 PS加固前后孔隙变化
Fig.3 Pore variation before and after reinforcement by PS
到土水特征曲线的形态。
另一方面，孔隙空间不规则分布特征与原来基本保持一致，没有根本改变，同一尺寸范围的孔隙所占面积几乎完全一致，但PS反应后小孔隙的比例有所减小，见图4。反应前，孔隙面积小于10 ?m2的比例为69.808%，10~20 ?m2之间的比例为16.123%，反应以后，小孔隙比例略有下降，小于10 ?m2和10~20 ?m2的比例分别为65.218%和13.499%，相应地，较大孔隙的比例都有所增大。由于PS与黏土反应过程中的充填作用，小孔隙的孔径略有减小，脱水过程小孔径起决定作用，孔隙尺寸小，进气值高，持水性强，则 土-水特征曲线平缓；小孔隙尺寸的相对变化也对土-水特征曲线造成一定影响。
图4 孔隙面积分布图
Fig.4 Distribution of pore area
2.2.3 收缩性的影响
对试样均在侧向约束的状态下进行饱水及脱水测试，其上部的变形不受外界约束，可自由膨胀或收缩。由于微观结构的变化，PS加固样的力学强度很高，已具有明显的强应变软化特性(图5)，在增湿和脱湿过程中，体积和孔隙变化很小，土样则呈现出黏土应有的膨胀性，体积发生较显著的变化，饱和时体积增加了33.63%，孔隙率也随之大幅度增大，导致其进气值比PS加固样的低。在增湿过程中，饱和含水率也随孔隙比的增大而增大，脱湿时因吸水而膨胀的孔隙被重新压缩，随着饱和土中孔隙水的排出，土颗粒间出现水气界面即收缩膜，收缩膜产生的表面张力增加了土粒间的压应力；随着更多的水排出，收缩膜曲率半径减小，表面张力增大，又增强了土体的持水能力，使土样的土-特征曲线的形状更为平缓。
图5 剪应力与剪切位移关系曲线 (p=100 kPa)
Fig.5 Relationship curve between shear stress and shear displacement
3 土-水特征曲线的函数拟合
随着对非饱和土的土-水特征曲线研究，大量的土-水特征曲线模型被提出，而常用的模型包括Van Genuchten 模型[2]、Fredlund 3参数模型[3]和Fredlund 4参数模型[3]，本文选用Van Genuchten 模型进行拟合。Van Genuchten 模型为：
(1)
式中：θ为土体体积含水率；θs为饱和含水率；θr为残余含水率；
为土体基质吸力；参数a为空气进气值的倒数；参数n为土-水特征曲线的斜率；参数m通常认为等于1-1/n。θr也可通过试验方法来得到，但由于残余含水率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，所以，本文采用参数拟合来得到θr。
需要提出的是：本文采取的是质量含水率，而不是原公式中的体积含水率，Van Genuchten 模型仍显示出了良好的拟合效果，相关性系数非常高，R2都在0.97以上。比较表2中各试样的拟合参数可知：PS加
表2 不同样品的土-水特征曲线拟合参数
Table 2 SWCC fitting parameters under different moulded conditions
固以后残余含水率θr和a较小，控制土-水特征曲线斜率的n有所增大，较好地验证了前面的分析结果，也证明了矿物成分和孔隙结构对土的持水性能有较大影响。
4 结论
(1) PS与土反应后，黏土的微观结构出现了显著变化。黏土矿物被大量消耗，使PS加固样的持水能力大幅度减弱；孔隙变得光滑、通畅，绕曲度减小，易于水的流动，在同等吸力条件下更易脱水；力学强度的提高使其表现出明显的应变软化特性，与未加固样相比膨胀性几乎可以忽略；在排水过程中，收缩膜曲率半径没有明显变化，表面张力保持稳定，使得排水持续高速进行，并较快地达到残余含水率。因此，PS作用以后微观结构的变化是导致土水曲线呈现不同形状的主要原因。
(2) 土-水特征曲线模型Van Genuchten对压力板仪测试数据的拟合也取得了很好的效果，θr，a，n和m等参数也显示了很好的相关性，验证了微观结构的变化是导致土-水曲线显著差异的原因。
(3) 非饱和土的土-水特征曲线能够很好地反映黏土颗粒的微观结构的变化。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2010-03-10；修回日期：2010-06-15
基金项目：国家科技支撑计划项目(2006BAK30B02)
通信作者：邵明申(1980-)，男，山东聊城人，博士，从事土遗址保护与非饱和土渗透性的研究；电话：15201119845；E-mail: shaomsh@163.com
