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user: 3. 不同配比粘土及砂的吸力研究 3.1. 冷镜露点水势仪法吸力实验 3.1.1. 背景 冷鏡湿度计技术首次用于食品(如Hand，1994) [ 2 ] 和药品(如Ahineck和Zografi，1990) [ 3 ] 的相对湿度测量。冷镜露点水势仪(WP4C) 在岩土工程应用中已广泛用于测定土壤吸力(Ali等，2014) [ 4 ]，李娟(2010) [ 5 ] 利用WP4C对土壤水势进行了测量，并通过存在偏差进行了纠偏。Lu等(2017) [ 6 ] 提出运用冷镜露点水势仪(WP4C)测定土壤吸力的问题，无法获得低于1 MPa吸力的可靠读数。 3.1.2. 试验过程 实验涉及了的土壤类型包括高岭土、膨润土和砂，并配置了十种不同的土壤混合物作为研究对象。并在脱水和吸湿的路径下观察不同比例地混合物的土水特征曲线，各起始条件如下表1所示。 Table 1 Different soil mixture initiation condition 类别 起始含水量(%) 100% K 74 100% B 580 90% K + 10% B 125 80% K + 20% B 175 70% K + 30% B 226 60% K + 40% B 276 90% K + 10% S 71 80% K + 20% S 63 70% K + 30% S 57 60% K + 40% S 52 表1. 不同土壤混合物起始条件 待测的样本被放入一个样本杯，然后放置在WP4C装置的外壳室中，在密封的条件下，与周围环境达到蒸汽平衡。该腔体包括一个红外温度计来测量样品的温度，以及一个受控的冷却镜子(冷镜)，在镜面开始冷凝时使用光学传感器仔细检测温度(露点)。 制作好起始含水率后，把土样放入烤箱几分钟，使土样的含水量降低，重复吸力测定，通过数次重复后，土样趋于干燥，通过冷镜露点水势仪(图3)确定样品从而得到脱水路径下的吸力数据。重复加水和测量吸力，直至含水量趋近于起始配置的含水量为止。得到吸湿路径下的吸力数据。 3.1.3. 数据分析与讨论 根据图4~图7显示了高岭土与膨润土、高岭土和砂在脱水和吸湿路径下的吸力关系，根据上述的土水特征曲线可以看出不管是高岭土和膨润土，或是它们之间与砂的土壤混合物，在脱水路径和吸湿路径之间存在滞后现象，这也说明土水特征曲线是不稳定的，吸力值与脱水和吸湿路径有关。 土壤在脱水或者吸湿路径下，高含水量段吸力曲线相对于低含水量段较陡对应的斜率较大，说明了土壤的吸力在高含水量段变化不太明显。相反在低含水量段吸力曲线较缓对应斜率较小，在土壤比较干燥时一点点的含水量的变化吸力会有巨大的变化。这些现象体现了吸力在高含水量段的不敏感性和低含水量的敏感性。 图3. 冷镜露点水势仪 图4. 高岭土和膨润土不同混合物在脱水路径下的吸力关系 砂的粒径最大，其次是膨润土，最小是高岭土。在相同条件下，膨润土的吸力值比高岭土的要大，这说明膨润土的持水能力要比高岭土强，相同条件下较小颗粒的高岭土吸力比较大颗粒的膨润土，这也说明并不是所有的较大颗粒吸力都比较小颗粒要小，这与土的性质有关。 3.1.4. 小结 本节主要利用WP4C冷镜露点水势仪对不同配比粘土(高岭土、膨润土)及砂的土壤混合物在脱水和吸湿过程进行吸力测定，并研究土壤在脱水和吸湿下的土水特征曲线的相关规律。工作内容及结果如下： 1) 利用WP4C得到的土水特征曲线，以幂函数可作为反映各条件下含水量和吸力的关系，其相关系数在0.9以上，双参数的幂函数形式的数学模型可以作为本次研究土壤的土水特征曲线模型。 图5. 高岭土和膨润土不同混合物在吸湿路径下的吸力关系 图6. 高岭土和砂不同混合物在脱水路径下的吸力关系 2) 在不同配比粘土及砂的土壤混合物在脱水和吸湿过程进行吸力测定实验中，发现吸湿下的路径吸力都要比脱水要偏小，可以认为土水特征曲线是不稳定的，吸力值与脱水和吸湿路径有关，在脱水路径和吸湿路径之间存在滞后现象。 3) 实验体现了土壤吸力在高含水量段的不敏感性和低含水量的敏感性，相同土壤在不同路径下，或者相同路径下不同土壤，变化速率不是一致的。 4) 膨润土的持水能力要比高岭土强，并且在相同含水量下，不是大颗粒的土壤比小颗粒的土壤吸力要强。另外在土壤混合物中，以高岭土作为基础，膨润土的掺入吸力的变强，砂的掺入吸力变弱，吸力的增强或减弱不全是与掺入土壤的颗粒大小有关，而是与掺入土颗粒的持水能力和性质有关。 图7. 高岭土和砂不同混合物在吸湿路径下的吸力关系 3.2. 离心机法吸力实验 3.2.1. 背景 Briggs和McLane (1907) [ 7 ] 似乎是第一个使用离心技术测量土壤吸力和土壤含水量之间关系的研究者。Anderson (2015) [ 8 ] 和Emidio (2012) [ 9 ] 使用台式离心机来研究非饱和土的水力特性。Caicedo和Thorel (2014) [ 10 ] 发现，在更高的重力作用下，自重在离心试验中的固结作用可以忽略不计。 3.2.2. 试验过程 本实验配置了三种土样，分别为100% K；90% K-10% S；80% K-20% S的土壤混合物，每种类型的土样分别作了3个样品。通过离心机在4000 rpm的转速下，在25℃温度下的离心机装置内，分别在60分钟、120分钟和1天、2天、3天、4天内对样品的重量进行了测定。 3.2.3. 数据分析与讨论 图8~图10为土壤样品的净重量在离心机作用下随时间变化情况，可以看出土壤在前60分钟内，在高速离心作用下，排出了大量的水分，在120分钟后土壤趋于稳定，在离心机4000 RPM作用下不到一天，土壤就稳定下来趋近于平衡状态。 在后续的几天内，土样的质量几乎保持不变，只有微小量的减少，考虑到离心机夹持器未达到完全密封状态，水分从夹持器中流失到外界，而且在每次测量土样重量时，会暴露在空气中存在水分的流失，其微小的变化量可以认为土壤与夹持器中的水压已经处于平衡状态。 土样都是以超饱和状态的含水量去配置，目的是为了寻找在离心作用下，土壤含水量的变化规律。 正如本节前面所解释的，原理是当试样处于吸力平衡时，用离心机(公式3-2)计算的高岭土试样吸力与用WP4C测量的吸力应该是相似的。图11~图13比较了WP4C测定的土样吸力与离心机(公式3-2)计算的吸力的差异。 图8. 100% K样品净重量在离心机作用下随时间变化 图9. 90% K-10% S样品净重量在离心机作用下随时间变化 图10. 80% K-20% S样品的净重量在离心机作用下随时间变化 实验发现在100% K的土样中，最终平衡后吸力十分相似的，高岭土的吸力值的测定采用离心机和WP4C的两种技术几乎相同。但在90% K-10% S与80% K-20% S中，虽然两种技术测定的吸力值相近，但发现与其对应的土水特征曲线相比，二者都要偏小。在离心实验中，发现高岭土、高岭土与砂的土样混合物中，在离心最后平衡后二者的状态是不一样的。离心试验后发现高岭土试样是非常均匀的，而高岭土与砂的混合物在离心后二者分离了，因此高岭土与砂的混合物是不均匀的，在离心条件下砂都沉积在土样底部，这可能是导致了90% K-10% S与80% K-20% S吸力值的测定比其对应的土水特征曲线的值要偏小。高岭土与砂的混合物在离心作用下砂会往下移动的原因，可能是离心的转速过高，也可能是初始的含水量过高导致的。 图11. 100% K离心机与WP4C吸力测定差异 图12. 90% K-10% S离心机与WP4C吸力测定差异 3.2.4. 小结 本节主要利用离心技术对实验所研究土壤的土–水特征曲线进行了测定，并与WP4C技术做对比，分析其差异性。工作内容及结果如下： 图13. 80% K-20% S离心机与WP4C吸力测定差异 1) 在100% K；90% K-10% S；80% K-20% S三组离心测定吸力的实验中，在4000 rpm、25℃的条件下，在前120分钟土壤在离心作用下排出大量的水分，在接下来的1、2、3、4天内土样的质量几乎保持不变，说明了土样不再失水(即含水量不变)，土样对应的吸力也不再变化，可以认为离心技术大约1天就使土样稳定达到吸力平衡状态。 2) 在WP4C测定的土样吸力与离心机实验测得的吸力的差异比较中，离心机实验得到的数据与WP4C测量的数据基本吻合，达到了预期的效果，这也说明了WP4C作为分析土壤吸力的工具，其准确程度是可靠的。 3) 实验中也发现离心机对于土壤的混合物在高起始含水量条件下，吸力值会有偏差。在90% K-10% S；80% K-20% S的实验中，吸力值的测定比其对应的土水特征曲线的值要偏小，这是由于高含水量在离心作用下不同大小颗粒的土会分离，使土样不均匀(高岭土与砂分离，高岭土在上部，砂沉积在下部)。 4) 高吸力段的测量要求离心机更高的转速或者具有一定长度的夹持器，这些条件限制了离心机使得高吸力的测量很难实现，所以离心技术较适合低吸力段的测量。 3.3. 滤纸法吸力实验 3.3.1. 背景及原理 滤纸技术可以用“接触法”测量基质吸力，用“非接触法”测量总吸力。两种方法都基于基质吸力和总吸力与滤纸含水量之间关系的校准曲线(ASTM D5298， 1992) [ 11 ]。白福青(2011) [ 12 ] 指出滤纸法是一种低成本、高精度、易操作，能够测量非饱和土全范围吸力测试方法。许海楠(2017) [ 13 ] 采用国产双圈No.203型滤纸，对土壤进行了总吸力和基质吸力的测定，并指出人为因素影响较大数据较离散。 3.3.2. 试验过程 本次试验所需的实验设备与材料包括高精度0.001 g电子天平、Whatman NO.42定量滤纸、蒸馏机、烤箱(105℃)、一次性塑胶手套。 图14为本次滤纸法的实验装置，主要部分由一个直径为50 mm的密闭容器构成，其中制备好的土样被分切为两半，在土样之间放置三张滤纸，并用胶带把两个土样固定好，最中间层的滤纸要比上下两张滤纸稍小，其作用是保护最中间的滤纸防止其被土壤污染，影响吸力测定；在顶层土样上方放置一个塑料圆环，在圆环上部放置一张滤纸，使滤纸悬置于土壤上空。最终平衡后，测量上方和中间层的滤纸含水量，并通过校准曲线分别计算得出总吸力和基质吸力。 图14. 实验装置 3.3.3. 数据分析与讨论 图15显示滤纸法测的吸力要比WP4C测定的吸力要小，这可能是由于WP4C仪器自身精确程度导致的数据偏差；也有可能是在滤纸实验中容器不是完全密封，或转移滤纸过程中，较为干燥的滤纸吸收了空气的水分，因为在滤纸率定曲线中，在含水量低于45.26%时，含水量微量的改变会使吸力有更大的变化。 图15. 100% K滤纸法与WP4C吸力测定差异 实验表明土壤的吸力测定采用的滤纸法与WP4C技术几乎相同。在100% K的滤纸实验中，可以发现效果是较理想的。根据已有的实验数据分析与WP4C相比差异很小，WP4C的误差在允许范围内，可以满足吸力测定需要，通过WP4C测定的土壤吸力是可靠的。 3.3.4. 小结 本节采用高岭土作为研究对象，使用Whatman NO.42定量滤纸，在25℃条件下密封保存至少7天后，利用滤纸率定曲线对吸力进行了计算，并与WP4C技术做对比，分析其差异性。 1) 在100% K的实验中，41.21%、40.52%、40.14%、33.23%、30.28%、35.19%对应的6个土样中，与WP4C测定的吸力作对比，偏差分别为15.09%、10.66%、15.83%、10.62%、14.40%、10.53%。 2) 滤纸法测的吸力要比WP4C测定的吸力要小，这可能是由于WP4C仪器自身精确程度导致的数据偏差；也有可能是在滤纸实验中容器不是完全密封，或转移滤纸过程中，较为干燥的滤纸吸收了空气的水分。 3) 滤纸法测定的吸力与WP4C作对比，偏差为10%~16%。以滤纸法作为检验WP4C作为一种测量非饱和土吸力的方法的实验中，得出WP4C偏差不大基本满足吸力测量的要求。