高速铁路土地基工程中非饱和土固结试验研究

1.非饱和土水土特征曲线

水土特征曲线从一定程度上反映了非饱和土内部结构特征和水土特性，是非饱和土研究中的重点内容。事实上，水土特征曲线的影响因素非常复杂，如矿物成分、孔隙结构、应力状态、应力历史以及温度等都会对水土特征曲线产生影响，尤其是矿物成分和孔隙结构是影响水土特征曲线的主要因素。目前水土特征曲线无法根据土的基本性质由理论分析得到，只能用试验的方法确定，试验数据如表2.1-4所示。

表2.1-4　非饱和粉质黏土与粉土基质吸力试验数据

续表

图2.1-13（a）是非饱和粉质黏土水土特征曲线，从图中可以看出，曲线按照含水量由低到高的顺序可分为3段：BC段土体的含水量较低，此时土中孔隙气连通，水量的微小变化会引起基质吸力的剧烈增加。AB段基质吸力随含水量的减小变化幅度不大，该阶段是土体由气封闭向水封闭转化的过程，转化初期含水量变化幅度较小，土体处于双封闭状态，孔隙水和孔隙气都不连续；后一阶段转化幅度增大，土颗粒接触点的水膜开始搭结并最终转化为水封闭结构。OA段土体含水量较高，土中孔隙充满水，土体颗粒接触点的水膜是连续的，基质吸力随含水量的变化显著。图中A、B两点分别对应土体的进气值和残余含水量，非饱和粉质黏土的进气值大约在35 kPa，含水量w＝23.6%；残余含水量大约为11.87%。

根据图2.1-13（a）把气相形态与水土特征曲线对应起来，将非饱和粉质黏土按照气相形态分为3种类型：① 气相完全连通（饱和度Sr<55%）；② 气相内部连通（饱和度 Sr＝55%～85%）；③ 气相完全封闭（饱和度Sr>85%）。由此可以得出非饱和粉质黏土水土特征曲线的变化规律：当含水量高于23.6%（饱和度Sr＝82.8%）时，土体对应于气相完全封闭；当含水量低于11.87%（饱和度Sr＝52.9%）时，土体中气体已经完全连通。含水量介于两者之间时，水气转换幅度大，性质变化剧烈。

图2.1-13　非饱和土水土特征曲线

受所取的土样含水量限制，图2.1-13（b）所示的重塑非饱和粉土水土特征曲线仅为全范围量测的一部分。从图中可以看出重塑粉土的水土特征曲线可近似看作两条直线段组成，前一阶段基本呈水平，对应于土体的气相封闭阶段，进气值约55 kPa，远高于原状粉质黏土。后一段近似于斜线段，此时非饱和土的内部气相连通。对于重塑粉土，水土特征曲线具有明显的转折点，而原状土的曲线更加平滑。

2.非饱和土变形特性

表2.1-5和表2.1-6分别列举了粉质黏土和粉土在100～200 kPa压力的压缩系数和压缩模量，可以看出此类粉质黏土和粉土均属于中等压缩性土。图2.1-14为土样的Δe-p曲线，饱和土的压缩性同时受到非饱和土初始孔隙比和初始含水量的影响，通常初始孔隙比大的土体浸水饱和后，其压缩性明显低于初始孔隙比小的土体饱和后的压缩性。而对于相同初始孔隙比，不同含水量的非饱和土体，浸水饱和后，初始饱和度高的土体因饱和引起的压缩变形要相对小一些。

表2.1-5　粉质黏土试验结果

表2.1-6　粉土试验结果

图2.1-14　土体的孔隙比-应力（Δe-p）曲线(www.xing528.com)

3.初始饱和度对固结时间的影响

非饱和土的固结时间问题是非饱和土研究中的难点，也是目前认知较少的部分。由前述分析可知，土体自身物理力学性质的差异，包括含水量、孔隙比、黏粒含量等，会造成非饱和土内部结构的迥然不同，从而影响到整个固结过程。相关的研究表明，初始饱和度对固结时间的影响最为显著，但是针对不同的土体缺乏量化表述。

图2.1-15是3种不同初始饱和度的粉质黏土固结时间与固结度的关系曲线。从图中可以看出：初始饱和度大的非饱和粉质黏土固结时间长；初始饱和度小的非饱和粉质黏土，固结时间反而短。这是由于非饱和土饱和度较低时，土中气相连通可以传递压力，孔隙气在相对较短的时间内消散，固结排除以气体为主。而高饱和土体固结排除以孔隙水为主，含有气泡的孔隙水在短时间内不能完全消散，固结时间较低饱和度土体要长。

图2.1-15　不同饱和度固结度-时间关系曲线

通过以上分析可知，非饱和土的固结过程与初始饱和度有密切联系。对非饱和土而言，初始饱和度越高，固结完成所需要的时间反而越长，但是这仅适用于饱和度不是很高的非饱和土。当土体的饱和度很高甚至饱和时（Sr≥90%），饱和土的固结仅仅是孔隙水排出体外，固结速度明显比非饱和土快，如图2.1-16和图2.1-17所示；相反，当土体的饱和度较低时，孔隙气主导了非饱和土的固结过程，此时非饱和土的固结时间与饱和土接近，甚至于小于饱和土的固结时间，如图2.1-18所示。

图2.1-16　饱和度76.8%粉质黏土固结度-时间关系曲线

图2.1-17　饱和度83.5%粉质黏土固结度-时间关系曲线

图2.1-18　饱和度63.1%粉质黏土固结度-时间关系曲线

结合非饱和粉质黏土的水土特征曲线，将土体按照饱和程度的高低分为4个阶段：低饱和度（Sr<52.9%），中等饱和度（52.9%≤Sr<82.8%）、高饱和度（82.8%≤Sr <90%）和饱和土（Sr≥90%）。从图2.1-19可以看出，土样处于低饱和状态时（Sr<52.9%），土中气处于完全连通，该阶段土样固结速度最快，固结时间最短，变化趋势并不是很显著。随着饱和度的增加，水膜开始搭接形成双开敞形式，土中气排出体外变得困难起来，此时气相孔隙率仍然较大，固结完成时间也随着饱和度的增加逐渐延长。当粉质黏土的饱和度超过82.8%时，土体已经完成从双开敞结构向气相封闭的转变，土中孔隙气要排出体外变得更加困难，饱和度进一步增加导致固结时间持续增长。当土体的饱和度接近于饱和土时（Sr≥90%），孔隙水完全连通并可以传递水压力，固结速度明显增加，固结时间开始减小，并逐渐趋近于饱和土的固结时间。

图2.1-19　非饱和粉质黏土固结时间与初始饱和度关系曲线