第40卷第6期2020年12月
Vol.40No.6
Dec.2020防灾减灾工程学报
Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering
DOI：10.ki.jdpme.2020.06.016
王叶娇I，王有为I，靳奉雨I，马田田2"
(1.上海大学土木工程系，上海200444；2.中国科学武汉岩土力学研究所，湖北武汉430071；
3.岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉430071)
摘要：土水特征曲线反映了非饱和土的持水特性，与土体的水力特性及力学特性密切相关。土的冻结特征曲线表示土体中液态水的势能与含水率之间的关系，也可以用来描述土体的持水特性。以黄土为研究对象，利用低温恒温冷浴结合核磁共振系统(NMR)测得未处理黄土以及石灰改良土的冻结特征曲线，根
据冻结温度降低法计算得出试验土样0°C时对应的土水特征曲线。另外，采用滤纸法在0°C附近得到实测的土水特征曲线，将这两结果进行对比分析，并讨论了抽真空饱和过程对土样的土水特征曲线的影响。通过滤纸法测得的土水特征曲线与非饱和土样的冻结特征曲线具有较好的一致性，两者之间存在差异很小。土样在饱和状态下利用冻结温度降低法得到的孔隙水总势能#与质量含水率w关系曲线位于非饱和土样结果的下方，这可能是因为饱和土样在冻结过程中会发生冻胀现象，土样结构被破坏，孔隙增大，土样持水性能下降 关键词：土水特征曲线；冻结特征曲线；非饱和土；核磁共振技术
中图分类号:TU443文献标识码：A文章编号:1672^2132(2020)06-0967-07
Soil-water Characteristic Curve and Freezing Characteristic Curve of
Lime Improved Soil
WANG Yejiao',WANG Youwei1,JIN Fengyu1.MA Tiantian2
(1.Department of Civil Engineering,Shanghai University,Shanghai200444,China；
2.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotech n ical En g ineeri n g,Wuhan430071,China；
3.Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan430071,China)
Abstract：The soil-water characteristic curve(SWCC)indicates the water retention properties of unsaturated soil,which is strongly related to soil hydro-mechanical behavior.The freezing characteristic curve of the soil represents the relationship between the potential energy of the liquid water in the soil and the water content.It can also represent the water retention behavior of unsaturated soil.In this study,loess was selected as the research object.The freezing characteristic curves of untreated loess and lime-treated soil were obtained from a cryogenic thermostat cold bath and nuclear magnetic reso-nance(NMR)system,and then the soil-water characteristic curve at0°C was deduced by applying the freezing temperature reduction method.In addition,the measured soil-water characteristic curve was obtained by using the filter paper method at around0°C.The two results were compared and analyzed, and the influence of the vacuum saturation process on the soil-water characteristic curve of the soil *收稿日期：2020-05-05；修回日期：2020-09-11
基金项目：国家自然科学基金项目(41702306)资助
作者简介：王叶娇(1988-)，女，讲师，博士。主要从事非饱和土力学方面的研究。Email:******************
967
sample was discussed.The soil water characteristic curve measured by the filter paper method has a good consistency with the freezing characteristic curve of the unsaturated soil samples.The deduced SWCC by NMR test of saturated sample was settled below that of unsaturated soil sample.This can be due to frost heaving during the freezing process inside the saturated soil sample.More large pores were formed during this process because more soil structures were destroyed.And it led to a decreasing water retenTion capacity.
Keywords：Soil-water characteristic curve；freezing characteristic curve；unsaturated soil；NMR
引言
非饱和土的持水特性是指非饱和土内吸力与含水量(重力含水率、体积含水率或饱和度)之间的关系，反映这种关系的本构函数曲线被称为土水特征曲线(SWCC)'。土水特征曲线的准确量测是预测非饱和土强度、渗透性以及本构关系的重要基础0。随着“一带一路”倡议的实施，在相关工程设计和建设过程中，非饱和特殊土的工程问题日益增加⑷。黄土是广泛分布于我国西北地区的一种特殊土，其特殊工程性质会给工程建设带来诸如滑坡、地基湿陷等严重问题。黄土路基处理一直是西北地区的重要课题，工程中广泛采用添加石灰材料的方法来改善路基等，位于甘肃省定西市通渭至榜罗革命遗址公路
采用3%的石灰改性黄土(有效Ca()含量为65%)来避免路床承载力不足、路基不均匀沉降等问题。从颗粒组成的角度来看，黄土属于细粒土，但是黄土又具有大孔隙、弱胶结的结构特点，使其比一般细粒土结构性更为复杂，对持水性能的影响也更大，为了准确预测西北地区土体的强度、变形及渗透性等性质，对黄土及其改良土的持水特性进行研究显得尤其重要。
通常在实验室内主要通过滤纸法、压力板法和蒸汽平衡法等方法来量测非饱和土的土水特征曲线晌。这些传统方法通常测量时程较长且较为繁琐。冻结特征曲线表示冻结温度和未冻水含量之间的关系，也可以作为土体持水特性的表征“。由于冻结特征曲线测量精确度高且速度快，一些学者利用两者的相似性通过冻结特征曲线快速精确地得到土水特征曲线。E.J.A.Spaans等曲研究了SW-CC和SFC的关系，得出两者之间具有很好的一致性；R.W.R.Koopmans等⑷在较大的温度范围内，同时测量土样的冻结温度和未冻水含量，利用Clap-eyron方程通过土样温度计算冻土的水势，在实验中确定冻结特性，得出冻土的冻结特性与水分特性有关；M.Bitteli等a设计了一种仪器来测量多孔介质20〜0°C的冻结特征曲线，将得到的冻结特征曲线与蒸气压法进行了比较，结果表明两者之间显示出良好的一致性，并且整个特征曲线可以在24小时内确定；马田田等二采用低温恒温冷浴结合核磁共振系统(NMR)获得粉土和黏土的冻结特征曲线，并与传统方法得到的土水特征曲线进行比较，指出两种方法测得的特征曲线存在的差异主要由于冰和气体使得土颗粒对孔隙水的相互作用不同导致。然而，冻结温度降低法计算出的是0°C时的势能与含水率之间的关系"，多数研究并没有将其直接与0°C时得到的土水特
征曲线进行对比。另外，采用冻结温度降低法通常将土样进行抽真空饱和过程，该过程是否影响非饱和土的土水特征曲线尚不清楚。因此，对于冻结特征曲线与土水特征曲线之间的关系还有待进一步研究。
本文利用低温恒温冷浴结合核磁共振系统(NMR)测得了未处理黄土以及石灰改良土的冻结特征曲线，根据冻结温度降低法计算得出0°C时的土水特征曲线。另外，采用滤纸法在0°C附近得到实测的土水特征曲线，将这两结果进行对比分析，并讨论了抽真空饱和过程对土样的土水特征曲线的影响。
1试验材料
本试验所用土样取自甘肃兰州的Q4黄土，相关的基本物理力学指标见表1小。土样取回后经室温风干，碾碎后进行土样重塑。
本试验制备了未处理土样以及石灰处理土样。土样的含水率取为17%，干密度为1.6g/cm3o参数选取参考文献［11］。石灰处理土样采用生石灰(CaO)进行处理，石灰掺量为2%，养护龄期分别为28d-^90d a
968
表1黄土的基本物理力学指标z
Table1Basic physical indexes of loess
物性指标土粒比重G、液限如/%塑限S，/%液性指数厶/%黏粒含量/%最大干密度/(g-cm')数值 2.6827.415.911.520.1 1.63
称取一定质量的风干土颗粒，与2%的生石灰粉末充分混合，喷洒蒸憎水至目标含水量并充分拌合。用保鲜袋将拌好后的土样密封保存，静置12h，使得土样中的水分分布均匀。采用静态压实方法严格控制土样的最终干密度，土样高度为10mm、直径为61.8mm o取出后密封养护至不同龄期(28d或90d)o
2滤纸法测定土水特征曲线
采用滤纸法测定3种土样在0°(时的土水特征曲线。首先将土样放置在密封盒中，土样与滤纸间放置一层塑料纱网.使土样不直接接触滤纸，然后扣紧密封盒放入恒温恒湿箱中，为了不出现负温，避免结冰现象，将试验温度设置为0.5°C，稳定后温度波动W±0.1°C。静置7d，使滤纸中水分平衡，然后，取出密封盒，按照ASTM D529812方法测量滤纸含水率，并测量土样水气平衡后的实际质量含水率，从而得到0°C附近的土水特征曲线".如图1所示。
图10°C下的土水特征曲线
Fig.1Soil water characteristic curves at0°C
调浆桶从图1可以看出，当土样的质量含水率3= 12%时，未处理土样、养护28d土样和养护90d土样的吸力值分别为：2190.4.2416.6.2550.9kPa，分别增长10.32%和16.46%；当土样的质量含水率3=8%时，未处理土样、养护28d土样和养护90d 土样的吸力值分别为：3725.6、4081.0.4401.5 kPa，分别增长9.54%J&14%。试验结果说明在添加石灰材料后，黄土的持水能力明显增加，并在养护期间不断增加，这主要与石灰的水化反应有关，同时水化反应的产物与黄土中的活性氧化硅、活性氧化铝等成分发生反应，生成水化硅酸钙(C-S-H)和水化铝酸钙(C-A-H)等产物.进一步提升改良黄土的持水能力。
3冻结特征曲线
3.1试验仪器
本次试验仪器为苏州纽迈公司生产的PQ-001型低磁场核磁共振分析仪.设备永久磁体磁场强度为(0.5±0.08)T.磁体温度为32°C左右，仪器主频率为21.3MHzo
3.2理论基础
核磁共振试验(NMR)的原理如图2所示：质子具有较大的自旋磁矩，在均匀磁场中会被磁化而定向排列，当对其施加一个干扰射频磁场后，质子则会发生偏转，横向矢量增加：停止干扰射频磁场后.质子的横向磁化矢量逐渐减弱，核磁共振分析器测量这一过程中核磁信号自由感应衰减(FID)曲线“。
相关研究及试验已验证，FID曲线的峰值点(第一个点)与土样所含质子数成正比，因而土样的含水率可根据该峰值点来测定。
根据居里定律，当土样处于正温区内时，孔隙水的核磁信号强度随着温度的升高而线性降低，利用这种线性关系可采用正温区内核磁信号实测数据绘制顺磁回归线：由TNMR技术只能检测到土样中液态水的核磁信号.无法检测到固态水的核磁信号，所以当温度下降到孔隙水的冰点时，土样中部分孔隙水结成冰后.这部分水的核磁信号便不能被检测，导致F11)峰值点数值明显下降，故而当某一实测数据值明显低于顺磁回归线的值时，便可反推温度已达孔隙水的冰点：现假设正温区的顺磁线性回归线可以应用于负温区，则某一负温丁下土样的未冻水含量为側：
3”=二3(1)
969
(b)无外部磁场的质(
(a)具有自旋磁矩的质子
(c)施加均匀磁场后的质子
(d)施加干扰射频磁场后
图2核磁共振原理示意
Fig.2 Schematic of NMR
恶劣的太阳横向磁化矢重
装置实时测量土样温度，以更加准确的测量温度。sdram控制器
(3) 将标准油样放入核磁共振仪试样管中，寻 中心频率，确定所需的脉冲宽度。
(4) 放入平行土样，在电脑上点击脉冲序列〜 硬脉冲CPMG，设置相应序列参数。除温度外，该 平行土样与试验土样均相同。
(5) 放入试验土样，操作系统软件，采集数据,
得到FII)曲线。
(6) 设置温度，重复操作(4)〜(6)。
(7) 假定试验土样在温度变化过程中含水率不
变，试验后采用烘干法测定土样的含水率。
(8) 绘制土样的顺磁线性回归线，计算得到不
同温度下土样的未冻水含量，用压力势表示孔隙水
总势能，绘制土样冻结特征曲线。
3.4试验结果
式中，©为土样的未冻水含量；a 为实测对应温度7'
时的FID 峰值点"为顺磁线性回归线上温度丁对 应的FID 峰值点；3为土样在正温区的含水率。
根据E.J.A. Spaans 等"来计算孔隙水总势能,
为方便将冻结特征曲线与土水特征曲线进行对比， 公式两侧同乘水的密度(1 000 kg/m )，用压力势表
示孔隙水总势能，得到：
9 = —712 380 X Ing + 5545 X (丁一 T ”)—
几 ⑵
3.14乂(厂—T,?)
式中，甲为未冻水的总势能.kPa ； 7'为某时刻土样温
度,K ；T ”为相变点，对于水来说T,,=273.15 K 。
3.3试验步骤
分别对非饱和土样以及经过抽真空饱和后的
土样在不同温度下进行NMR 试验，具体试验步骤 如下：
(1) 将土样切成小于1() mmX20 mm 的块状，称
量土样质量，用保鲜膜将其包好放入密封袋，尽可
能地将袋内空气挤出。
(2) 将密封袋放入恒温冷浴箱中，正温试验升
温过程为 0 °C °Cf 10 ¢-15 °C-*
20 °C，负温试
验升温过程为一 10 °Cf — 7 °Cf — 4 °C-*-3 °C —
—2 °Cf -1.5 °C — -1 °C-* — 0.5 °C —0 °C 。为保证
土样内外温度一致和冻结平衡，在负温区第一级温 度(一10 °C)下恒温冷浴24 h，其他负温试验恒温冷
浴6h，正温试验恒温冷浴4h 采川热敏数显测温 对非饱和土样和饱和土样进行核磁共振试验,
图3和图4分别为三种土样非饱和状态以及饱和状 态时在不同温度时(一10〜20 °C)的实测FID 峰值 点以及对正温区数据进行拟合得到的顺磁回归线。
试验所用土样非饱和状态以及饱和状态时的质量
含水率见表2。
从图3和图4中可以看出：①正温区内F11)峰 值随着温度升高而线性减小；②非饱和土样的FID 峰值点在温度低于一1 °C 开始低于顺磁回归线，而
饱和土样的FII)峰值点在温度低于一0.5 °C 后便明 显低于顺磁冋归线。说明非饱和土样孔隙水的冻 结温度为一1 °C ，而饱和土样中孔隙水的冻结温度
为一0.5 °C o 通过式(1)结合表2计算出对应每一级
温度下的未冻水含量.则可计算得到土样的冻结特 征曲线，如图5所示。
从图5中可以看出，在同一冻结温度下饱和土
样的未冻水含量低于非饱和土样，且二者差值随冻
结温度升高而增大。非饱和土样的3条曲线存在明 显的差异。当温度为一1.5 °C 时，未处理土样、养护
28 d 土样和养护90 d 土样的质量含水率分别为： 11.46%、12.15%、13.72% ；当温度为一3.8 °C 时，未 处理土样、养护28 d 土样和养护90 d 土样的质量含 水率分别为：6.09%、6.49%、6.97%。非饱和土样
添加石灰材料后，黄土的持水能力明显增加，并在 养护期间不断增加，并且这一效应在含水率较高时 更加明显，这点与滤纸法所得出结论一致。但是同
小型航空发动机
时还可以看出，饱和土样在添加石灰材料之后，3条
970
I 2000
-20
切型Q
E
-io o 10 20 30
温度/・C (a)未处理土样
1 500
切
驾
O H
-
10 0 10 20 30
温度/・C (a)未处理土样
-200
-2
聖菩
E
00
3-10 0 10 20 30
温度/1
(b)养护28 d 土样00
0()
5-20
300
00
6-10010 20 30
温度/°C
(c)养护90 d 土样
500
-10 0 10 20 30
温度/£(b)养护28 d 土样
图3非饱和土样的顺磁回归线
Fig.3 Paramagnetic regression line of unsaturated soil
sample
网络分配器温度/・C
(c)养护90 d 土样
硅胶分条机
图4饱和土样的顺磁回归线
Fig.4 Paramagnetic regression line of saturated soil sample
50表2试验所用土样的质量含水率
Table 2 The mass water contents of samples
单位：％
土样类型
土样状态
非饱和
饱和
未处理16.8824.84养护28d 16.9624.57
养护90d
16.91
24.15
曲线几乎重合，持水能力并没有较明显的改变。
20
%/>
圣袒翔疑
5
10温度厂C
图5 土样的冻结特征曲线
Fig.5 Freezing characteristic curves
4结果对比与分析
冻结温度降低法通常用于饱和土试验，利用土
样的冻结特征曲线结合Clapeyron 方程来反算土样 中孔隙水的势能⑺⑺。
通过式(2)结合土样的未冻水含水量与冻结温
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