含水量对非饱和土性质的影响
非饱和土与特殊土测试技术新进展
非饱和土与特殊土测试技术新进展随着工程建设的不断发展，非饱和土与特殊土测试技术在土木工程、地质工程等领域发挥着越来越重要的作用。
近年来，非饱和土与特殊土测试技术取得了显著进展，本文将分别探讨其新进展、应用现状及未来研究方向。
非饱和土是指土体中含水量未达到饱和状态，即含水率低于最大含水率的土。
非饱和土测试技术主要研究土体在非饱和状态下的各种性质，如有效应力、气体传输等。
在非饱和土测试中，气体传输机理是影响测试结果的关键因素。
气体传输包括气体在土体中的扩散和渗透，受到土体孔隙特征、含水率、气压差等因素的影响。
因此，研究气体传输机理对于非饱和土测试技术的进步至关重要。
特殊土是指具有特殊性质的土体，如膨胀土、盐渍土和软粘土等。
这类土体的性质与常规土体存在明显差异，因此在测试技术上也需要针对性地研究。
对于膨胀土，测试重点在于研究其膨胀性和收缩性；对于盐渍土，则需其盐分含量和离子交换等特性；对于软粘土，需要考察其强度和变形特性。
然而，现有的特殊土测试技术仍存在一些问题，如测试结果受环境因素影响大、测试周期长等。
因此，未来研究需要进一步优化测试方法，提高测试效率，同时加强理论模型的研究，以更好地解释测试结果。
近年来，非饱和土与特殊土测试技术取得了诸多新进展。
在非饱和土测试方面，随着计算机技术和数值模拟方法的不断发展，非饱和土力学模型的研究逐渐深入。
新型测试设备如气体渗透仪、压力板仪等也为非饱和土测试提供了更为准确、便捷的手段。
在特殊土测试方面，研究者们针对各类特殊土的特性，研发出了一系列新的测试方法，如超声波检测、电学特性测量等。
同时，有关特殊土体本构关系和数值模型的研究也取得了重要进展，为特殊土体的工程设计和施工提供了更为准确的依据。
非饱和土与特殊土测试技术的不断进步为土木工程和地质工程提供了更为可靠的技术支持。
尽管现有的测试技术已经取得了一定的成果，但仍存在诸多挑战和问题，如气体传输机理的复杂性、特殊土体本构关系的多样性等。
黄河大堤非饱和土的强度特征及其稳定性分析
２ １ 抗 剪力公 式 ．
根据非饱和土抗剪强度公式 Ｈ及静力平衡原 理 ， 土条底面
上的非饱和土抗剪强度公式 可以写成 ：
ｓ 等［ ＋ ｏ ～ ｔ 咖＋ Ⅱ一 ）ｎ ］（ ＝ ｃ （ Ⅱ ａ （ ｔ ｒ ）ｎ ａ １ ）
究具有重要 的意义 。
不同起始含水量 的试样 而言 ， 抗剪强度包线的 内摩擦角相差无
几， 但凝 聚力却有很大 的差别。
根据试验数据 ， 制不 同含水量 与总凝 聚力的关 系曲线 ， 绘 并利用最小二乘法 对两 者之 间的 函数进行 拟合 ， 结果 见图 １ 。 实测与拟合内聚力的最 大相对误差 为 ６０ ， ．％ 满足工程要求。
渗流计算采用黄河下游历年最高洪水水位及大堤水位计 算， 以黄河大堤堤角为基准面， 洪水期水位在基准面以上 ８ｍ， 在随后的瞬变过程中， 水位保持常数 ８ｍ 不考虑降雨入渗对边 ，
坡 的影 响。根据 改进 的二 维饱 和～非 饱 和渗流有 限元计 算 程 序Ｓ Ｓ ２ ＷＭ － Ｄ进行 分析计算 ， 将试验所得 的渗透 函数和土水特 征 曲线 函数加 入程 序中 ， 到饱 和～ 非饱 和 区域 在不 同时期的 得 水头分布 、 浸润线位置及渗流场的分布规律 。从开始稳态 （ 时问
黄河大堤非饱和土强度
非饱 和土不 同于饱 和土 的根本原 因在 于非饱 和土 中存在
基质吸力 。利用改进 的非饱 和土 三轴仪对 不 同含水量 下黄河
一
大堤的非饱 和土强度 进行 试验 ， 出了非饱 和土 的基质 吸力 、 得
、
内摩擦 角、 内聚力等工程特性参数（ 见表 １ 。 ）
土体的基质吸力就越大 ， 抗剪强度亦越大， 含水量趋于饱和时，
干湿循环对非饱和土力学性质影响研究
安徽建筑检测试验与测量技术作者简介：卞明智（1983-），男，四川自贡人，毕业于重庆交通大学结构工程专业，研究生，硕士，高级工程师。
专业方向：道路工程。
摘要：自然界和工程中大多为非饱和土，非饱和土是气态、液态、固态三相互相影响、互相耦合的混合体，特别是气相与液相交接面处的气-液二相水膜具有表面张力，宏观上表现为毛细作用，在微观力学分析中具有不可忽略的作用。
文章采用非饱和土三轴仪在降水渗流-蒸发固结循环下进行多次压缩试验，研究了反复干湿循环对非饱和土力学性质的影响。
试验成果表明：①干湿循环使非饱和土的SWCC 值产生不可逆转的变化，在蒸发固结的脱湿路径中，单位体积含水率相同的条件下，由于RDW1土样内部钙质、矿物质及盐分等溶解、流失导致化学场变化而引起主体结构发生了某些变化，土壤内的孔隙度增加，因此RDW1较型RC1受到更显著的影响，力学参数指标明显下降；②基质吸力在0kPa-1kPa 时，孔隙比变化平缓；随着基质吸力的进一步加大且超过一定阈值，试样达到屈服点，以致土体内部结构疲劳，非饱和土样的固结收缩特性发生了不可逆转的变化，在土样到达屈服极限之前各项收缩指数增加，随着基质吸力增加孔隙比均不再变化，孔隙收缩的尺寸效应不甚明显；③经过多次降水渗流-蒸发固结循环后，剪切破坏产生明显剪切滑裂面，土体力学性质降低，抗剪强度参数降低，其中剪应力减少约5%，内摩擦角下降10%。
关键词：干湿循环；力学性质；非饱和土；机理分析中图分类号：TU43文献标志码：B文章编号：1007-7359（2019）09-0243-02DOI ：10.16330/ki.1007-7359.2019.09.0961概述非饱和土边坡，是典型的三相土壤结构，比常规的饱和土体相比多了一个气相，但研究土体结构时并不是单纯的加入一个气相，而是气态、液态、固态三项互相影响、互相耦合的状态。
特别是气相与液相交接面处的气-液二相水膜具有表面张力，生活中宏观称为毛细作用。
土壤含水量、土水势和土壤水特征曲线的测定
土壤含水量、土水势和土壤水特征曲线的测定3.1测定意义严格地讲，土壤含水量应称为土壤含水率，因其所指的是相对于土壤一定质量或容积中的水量分数或百分比，而不是土壤所含的绝无仅绝对水量。
土壤含水量的多少，直接影响土壤的固、液、气三相比，以及土壤的适耕性和作物的生长发育。
在农业生产中，需要经常了解田间土壤含水量，以便适时灌溉或排水，保证作物生长对水分需要，并利用耕作予以调控，达到高产丰收的目的。
近几十年来的研究表明，要了解土壤水运动及土壤对植物的供水能力，只有土壤水数量的观念是不够的。
举一个直观的例子：如果粘土的土壤含水量为20%，砂土的土壤含水量为15%，两土样相接触，土壤水应怎样移动？如单从土壤水数量的观念，似乎土壤水应从粘土土样流向砂土土样，但事实恰恰相反。
这说明，光有土壤水数量的观念，尚不能很好研究土壤水运动及对植物的供水，必须建立土壤水的能量的观念，即土水势的概念。
测定土壤水特征曲线（基质势与土壤含水量之间的关系曲线）需要特别的仪器设备，随着土壤科学的发展，越来越多的基层土壤工作者需要土壤水特征曲线这一基础资料，了解土壤水特征曲线的测定，对今后土壤水特征曲线（不管是自己测定还是由别的单位测定）的应用是有益的。
3.2方法选择的依据土壤含水量目前常用的方法有：烘干法、中子法、射线法和TDR法（又称时域反射仪法）。
后三种方法需要特别的仪器，有的还需要一定的防护条件。
土水势包括许多分势，与土壤水运动最密切相关的是基质势和重力势。
重力势一般不用测定，只与被测定点的相对位置有关。
测定基质势最常用的方法是张力计法（又称负压计法），可以在田间现场测定。
土壤水特征曲线是田间土壤水管理和研究最基本的资料。
通过土壤水特征曲线可获得很多土壤基质和土壤水的数据，如土壤孔隙分布及对作物的供水能力等等。
测定土壤水特征曲线最基本的方法是压力膜（板）法，它可以完整地测定一条土壤水特征曲线。
3.3土壤含水量的测定（烘干法）烘干法又称质量法，具体操作是：用土钻采取土样，用感量0.1g的天秤称得土样的质量，记录土样的湿质量m t，在105℃烘箱内将土样烘6h～8h至恒重，然后测定烘干土样，记录土样的干质量m s，根据θm＝m w/m s×100%计算土样含水量，式中：m w=m t－m s；θm表示土样的质量含水率，习惯上又称为质量含水量。
从粘性土微观角度论述含水量对工程性质影响
文章编号:1009-6825(2006)24-0007-02从粘性土微观角度论述含水量对工程性质影响收稿日期:2006-06-30作者简介:周玉明(1963-),男,教授级高工,天津市勘察院,天津 300191蒋 杰(1970-),男,工程师,天津大港油田集团路桥工程公司,天津 300280苏玉国(1979-),男,工程师,天津市勘察院,天津 300191周玉明 蒋 杰 苏玉国摘 要:从粘性土的微观角度论述了土的含水量变化对土质工程性质的影响,得出了土的含水量变化将引起土的物理、力学性质的变化,特别是含水量的变化对地基土的强度、承载力和土体变形影响较大的结论。
关键词:微观结构,粘性土,含水量,工程性质中图分类号:T U 442文献标识码:A粘性土是一种第四纪的沉积物,在我国分布较广,由于粘性土的工程性质较为复杂,国内外岩土工程学者针对粘性土的性质进行了长期深入细致的研究,并有大量的科研成果应用于工程实践,根据有关的文献资料,结合一些地区的工作成果,从粘性土微观结构的角度,将粘性土的含水量变化对工程性质的影响进行总结讨论。
1 粘性土的微观结构1.1 蜂窝结构粒径在0.02mm~0.002mm 之间的土粒在水中沉积时,基本上是单个土粒下沉,当碰上已沉积的土粒时,由于土粒之间的分子引力大于颗粒自重,下沉土粒则被吸引不再下沉,并停留在最初的接触点上,形成很大孔隙的蜂窝状结构,蜂窝结构的孔隙一般远大于土粒本身的尺寸,如沉积后没有受过较大的上覆压力,则在建筑物荷载作用下可产生较大下沉。
1.2 絮状结构粒径小于0.002mm 的土粒能够在水中长期悬浮,不因自重而下沉,当遇某种电解质后,颗粒之间的排斥力削弱,运动着的土粒凝聚成絮状物下沉,形成状似蜂窝而孔隙很大的结构,称为絮状结构。
絮状结构是颗粒最细小的粘性土特有的结构形式,常见于海积粘土中。
在粘性土的微观结构中,具有蜂窝状结构的粘性土比絮状结构的粘性土强度高,变形小,如絮状结构是海相淤泥类土最典型的微观结构。
非饱和粉土的动弹性模量和阻尼比
水利学报SHUILI XUEBAO2012年9月第43卷第9期文章编号：0559-9350（2012）09-1108-06非饱和粉土的动弹性模量和阻尼比研究孙德安，吴波（上海大学土木工程系，上海200072）摘要：使用吸力可控或可测的非饱和土振动三轴试验仪，对非饱和及饱和粉土进行动力变形试验，在不同净围压应力、不同初始含水率的条件下，得到了非饱和及饱和粉土试样的动应力应变骨架曲线、动弹性模量和阻尼比，并量测试样吸力。
试验结果表明：（1）非饱和粉土的骨架曲线比饱和粉土的高；（2）在相同净围压条件下，不同含水率的非饱和粉土动弹性模量大小相近，而饱和土试样的动弹性模量略小；（3）在相同净围压条件下，不同含水率的非饱和粉土阻尼比也相近，而饱和土粉土的阻尼比略大。
关键词：非饱和土；粉土；动模量；阻尼比；吸力中图分类号：TU443文献标识码：A1研究背景土石坝、高速公路和城际高铁等建设工程的地基和土工结构本身要承受地震、车辆等动力荷载的作用，而且由于地理环境和经济成本等原因，有些土工结构直接建设在非饱和土地基上，有些土工结构的全部或部分处于非饱和状态。
例如，河川堤坝和水库土石坝的浸渗线以上部分土体都处于非饱和状态。
因此，对在循环荷载和动力荷载作用下非饱和土的动力特性研究具有十分重要的现实意义［1］。
目前，对于饱和土的动力特性的研究已经取得了很多成果［2］。
关于粉土动力特性的研究，国内以黄土居多，例如，陈存礼等［3］通过动三轴试验探讨了固结比和固结围压对饱和击实黄土的动模量和阻尼比的影响，并研究了在不同固结条件下饱和击实黄土的动强度、动孔压及抗液化特性。
王建华等［4］基于循环三轴和循环扭剪试验，研究了饱和软黏土的不固结不排水循环强度的变化，分析两者之间的关系。
对于非饱和土动力性质，早期学者通过控制试样的初始饱和度来描述试样的非饱和状态。
Wu等［5］、Qian等［6］分别通过共振柱试验研究了小应变情况下非饱和砂的动剪切模量随试样饱和度的变化。
非饱和土基本特性的学习与思考
谢定义(1999)
用有效球应力和有效偏应力表示的有效应 力型应力状态变量明确地表明了以基质吸力 反映的收缩膜张力为非静水压力型应力的这 种特性。
4. 非饱和土的强度特性
基本思路 非饱和土的抗剪强度被视为 符合库仑强度公式， 并等于土饱和时抗剪强度与 非饱和土基质吸力对抗剪强度的贡献 （称为吸附强度）之和，
固、气、液相之间——结构性：（表现出结构强 度，由粘聚力、咬合力、胶结力及吸力等组成。
三相的变态特性 （温度、压力变化引起的相变）
液相的汽化、凝结、冻结 气相的溶解、扩散 固相的液化、软化
非饱和土的相态特性涉及到一系列重要定律： Fick定律 Darcy定律 Henry定律
亚佛加德罗定律 道尔顿(Dolton)分压定律 Kelvin定律 热力学第一定律 热力学第二定律
Li X.I (2003)
将有效应力表示为净应力项与一个吸力相 关、且能反映基质吸力剪切效应项之和。认为 对非饱和土，土颗粒的一部分上作用有孔隙气 压力，另一部分上作用有孔隙水压力，它们的 作用一般是不平衡的、变化的，而且它的方向 并不与净应力的方向相一致，明确了基质吸力 可引起一种剪切效应的结论。
在孔隙流体不能排出的条件下，土受力 后的孔隙水压力和孔隙气压力的增量是一种 超孔隙压力（超过加荷前土中孔隙水压力和 孔隙气压力的值）；
在容许孔隙流体排出的条件下，这种超 孔隙压力会随时间的增长和土的压密而逐渐 消散，使各相所承担应力的比例协调地发生 变化，最终，在消散终结时，荷载仍全部由 土骨架（包括收缩膜）来承担。
基质吸力
土中水自由能的毛细部分（对纯水）,来 源于表面张力.表面张力愈大，弯液面曲率愈 小。
为了维持弯曲型收缩膜的平衡，收缩膜气 一侧的应力为正压力，收缩膜水一侧的应力 为负压力，它们的差值即为基质吸力.
GeoStudio非饱和渗流关键问题探讨
土水特性曲线的研究，起源于土壤学和土壤物理学。当时主要着重于 天然状态下表层土壤吸力的变化、土壤的持水特性及水分运动特征的 研究，基质吸力值一般小于100kPa。
⎢⎣1
φ1
O
φm
L
O L
φ1n φ2n
⎤ ⎥ ⎥
M
φmn
⎥ ⎥ ⎥⎦
⎧1⎫
{ }A
=
⎪⎪ ⎨ ⎪
A1 M
⎪⎪ ⎬ ⎪
⎧θ ⎨⎩θs
⎫ ⎬ ⎭
=
⎡θ1
⎢⎣
θs
θ2 θs
L
θm ⎤T θs ⎥⎦
⎩⎪ An ⎭⎪
一、非饱和土特性
4、利用约束优化模型求解土水特征曲线-2
Ri ( A) = 1 + ϕi A1 + L + ϕin An −θi
{ } θ = F (ϕ ) = C (ϕ )
θs
1
Ln[e + (ϕ / α )n ] m
C(ϕ ) = 1 − Ln(1 + ϕ / ϕr )
Ln(1 + 106 / ϕr )
公式中，体积含水量的取值范围为：θ ∈[0,θs ] ，基质吸力的取值范围
为：ϕ ∈[0,ϕmax ] ，ϕmax 为土体含水量 θ =0时，所能达到的最大基质吸力。由 此可见，公式适用于全吸力范围的任何土类。但公式形式较为复杂， 给实际应用者带来诸多不便。
θ /θs
土壤含水量和植被对浅层滑坡土体抗剪强度的影响
第 ２ 卷第 ２期 Ｉ
２０ ０ ６年 ６月
Ｊ ＯＵＲＮＡｌ ｏＦ 灾 害 学 ＣＡＴＡＳ ＴＲｏＰ ＨＯＬｏＧＹ
Ｖ Ｉ ｌ ｏ２ ０ ２ ． ． Ｎ
Ｊｎ２０ ｕ．０６
土壤 含水量 和植被对 浅层滑坡土体抗剪强度 的影 响。
１ ３ 试样 制 备 ．
由于样地 区 的土壤 为砾石 土 ，本 次试 验用 所取
土样 中过筛 得 到的≤ ２ｍｍ 土 颗粒 进行 重 塑制样 。
・ 收稿 日 Ｉ２ ０ ．１０ 期 ０ ６Ｏ— ４ 基 金项 目・国家重大基础项 目前期研究 专项 （ ０ ４ Ｃ Ｏ ６ ０ ２ ０Ｃ Ａ ３ ０ ）资助
１ １ 实 验 土 料 ．
土样取 自中 国科 学 院东川 泥 石 流观测 站 （ 处 地
云南 省昆 明市东川 区蒋家 沟 ） 裸 地和 桉树 林地 处 于 ， 同一斜 坡上 ，土 壤和地 质情 况基 本 相 同 。裸地 连续
护效 果很 好 ，作用 显著 ，能 确保 边坡 稳定 。但 随着
时间 的推 移 ，混凝 土逐 步老 化 ，钢筋 锈蚀 加剧 ，从
试 验 土 样 基 本 物 理 性 质
５ １
棵 地
裸１
第 一 层 第＝层 第三 层
９ ４ ．８ ３ ８ ．５
３ ９ ． ６
１ ３ ．４ １ ４ ．５ １ ４ ．４
１ ３ ． ５
２．１ ８ ６ ２．７ １ ２ １．２ １ ３ ３．８ ３ ８ ２．９ ３ ８ １．８ ２ ８ ３．５ ２ １ ２．１ ９ ０ １．６ １ ８ ３．９ ０ ５ ３．８ ６ ４ ３．４ １ ９ ３．５ ５ ２ ３．６ ６ ８ ３．９ ５ ７ ３．４ １ ５ ３．８ ５ ６ 。 ３．９ ２ ０
地下水对软土地层的影响
上图为地基承载力计算的图示。其解的基本形式为 pu cNc qNq 0.5N 式中，地下水位以下土体的重度要取为有效重度。地下水位上升时，地基土有 效重度减少，地基承载力必然下降。据相关资料，砂土地基承载力下降率最大 可达70%，黏性土由于有黏聚力的内在作用，承载力下降率相对小些，最大下降 率在50%左右。
关于地下水对基础浮托力的大小的计算，岩土工程勘察规范指 出：在透水性较好的土层中或节理岩石地基中，可以按照阿基米德 原理进行计算；但在透水性很差的粘性土中，还无法确切计算。实 测资料表明，软粘土中建筑物所受到的浮托力小于水柱高度。
6. 土坡稳定性
对于土坡稳定性问题，由于降水等因素的影响，坡体内地下水 位可能上升，这对于土坡的稳定性是相当不利的。土坡稳定的安全 系数的计算方法一般采用抗滑力与滑动力（或抗滑力矩与滑动力矩） 的比值，坡体内地下水位的上升一方面会导致土体自重应力的增加、 顺坡渗流引起的渗流力的增加，另一方面又会引起土体强度指标的 降低。于是土坡的抗滑力下降、滑动力升高，导致土坡的安全系数 下降。 下图左为无渗流的土坡稳定性计算图示，坡面土体只受重力作 用；右图为有渗流的土坡稳定性计算图示，坡面土体除受重力外还 受到向下的渗流力作用。
墨西哥城自1850年左右开始 抽取地下水，在1940~1974年间达 到高峰，共有3000眼浅水井和200 眼深水井。由于过度抽水，且墨 西哥城的墨西哥粘土是一种高压 缩性土，致使1891~1973年间，整 个老城区下沉达8.7m，并造成地 面道路、建筑及其它基础设施的 破坏。 右图所示为地球资源卫星拍 摄并经分析处理后得到的墨西哥 城的下沉情况。图中每个颜色循 环一次代表5cm/年的沉降速度。
此图是墨西 哥城的一座圣母 教堂，因地表不 均匀下沉使其发 生严重倾斜，并 成为危房。
浅析饱和土与非饱和土固结理论
浅析饱和土与非饱和土固结理论摘要：本文介绍了饱和土和非饱和土固结理论相关概念，阐述了饱和土与非饱和土固结理论的联系与区别，指明今后固结理论研究中应继续注重二者的联系与区别，以促进固结理论研究的成熟和发展。
关键词：固结理论；饱和土；非饱和土Abstract: this paper introduces the saturated soil and unsaturated soil consolidation theory related concept, this paper expounds the saturated soil and unsaturated soil consolidation theory of the relation and distinction between, pointing out the future study of consolidation theory should continue to pay attention to the relationship and the difference, in order to promote consolidation theory mature research and development.Keywords: consolidation theory; Saturated soil; Unsaturated soil1引言土体压缩取决于有效应力的变化。
根据有效应力变化的原理，在外荷载不变的条件下，随着途中超静水孔压的消散，有效应力将增加，土体将被不断压缩，直至达到稳定，这一过程称为固结。
简而言之，固结即各方向承受压力的土，随着孔隙水的排出产生的压缩现象。
饱和土的固结可视为孔隙水压力的消散和土骨架有效应力相应增长的过程。
非饱和土的孔隙中同时含有气体和水，固结过程中，土中水和气会发生相互作用，非饱和土要涉及两种介质的渗透性，而且非饱和土的渗透性受土的结构性影响相当显著[1]。
不同水力路径下非饱和粉质土的破坏与变形特性
果表 明 是 随吸力 变化 的非线 性 函数 。 由于 咖 难
于通 过试 验测 量 ， 限制 了此 类模 型 的应 用 。 为此 ， Ｖ ａ ｎ ａ ｐ ａ ｌ ｌ ｉ ＆Ｆ ｒ ｅ ｄ ｌ ｕ ｎ ｄ（ １ ９ ９ ６ ） 引 入 土水
特 征关 系提 出 了一个 新 的非饱 和土强度 模 型。该 模
力， 因此可 以实 现 非 饱 和 土 到 饱 和 土 的平 滑 过 渡 。
非饱 和土 灾害 问题 频 发 ， 造 成 大量 损 失 。为 解 决 此
关键 问题 ， 需要 从机 理 上 分析 非 饱 和 土边 坡 破 坏 问
题 的孕育 演化机 理 ， 确 定 由复杂 降 雨 过程 导 致 的 土
体 含水量 及其抗 剪 强度 的变 化 ， 提 出可靠 的非 饱 和 土边 坡稳 定性 分析方 法 。
非饱 和土抗 剪强 度是 分析 降雨诱 发滑坡 问题 的
一
个 关键 参数 。 目前 存在 两种 主要 的非饱 和土强 度
理论 ， 即基 于 双 应 力 变 量 和 基 于 有 效 应 力 变 量 。基 于双应力 变量 的抗剪 强度 理论将 非饱 和土 强 度表 示 为双线 性形 式 。在 许 多情 况 下 ， 双线 性 形 式 的强 度公 式与试 验 数据 不 一致 。Ｇ ａ ｎ 等 的研 究结
型 与基 于有效 应力 的非饱 和土抗 剪强 度模 型是等 价
的， 而此ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ时 的 Ｂ ｉ ｓ ｈ ｏ ｐ有 效 应 力 系数 等 于有 效 饱 和
部分构 成 ： 粘 聚力 ， 土 体 正应 力产 生 的摩 擦 强 度 ， 基
收 稿 日期 （ Ｒ ｅ ｃ ｅ ｉ ｖ ｅ ｄ ｄ ａ ｔ ｅ ） ： ２ ０ １ ２—０ １— ０ ８ ； 改 回 日期 （ Ａ ｃ ｃ ｅ ｐ ｔ ｅ ｄ ）： ２ ０ １ ２— ０ ８— ２ ５ 。
浅析土的含水量对土的压缩试验的影响
（1）试样制备过程，必须严格按照土工试验方法标准进 行，如环刀内壁应保持较高光洁度，制备环刀时必须垂直向
2018.03
下，以免影响实验数据的准确性。 （2）饱和含水量状态下的土样固结过程与孔隙水的挤出
是同时发生的，因此固结需要很长时间才能完成，整个实验必 须严格按照试验方法标准操作，不能采用快速固结法。
（3）加零点：加零点压力是试样与仪器上下各部件之间接 触，通常传感器读数在 1~3 之间。
（4）试 验 加 荷 ：确 定 试 验 需 要 施 加 的 各 级 压 力 ，分 别 为 50kPa、100kPa、200kPa、400kPa，接通自动控制器电源，然后再 接通数据采集器电源，使加荷系统处于工作状态，开始试验。
（3）试验前检查全自动固结仪运行状态，排查漏气、卡表， 气压不稳等影响试验结果的设备因素。
（4）加压设备应能垂直在瞬间施加各级规定压力，且没有 冲击力，位移传感器精准。
（5）用作对比试验的风干土，不能使用烘箱设备，要在工 作环境中自然风干。
（6）固结试验中使用的滤纸浸湿后变形量较大，故应使用 薄滤纸，以免造成所测变形量不准确。
分析以上试验数据可知，无论是黏性土还是砂性土，土样 在饱和含水量状态下所得压缩模量比天然含水量状态下的压 缩模量数值都要偏小，但偏差不大，数据比较合理，而风干状 态下的土样所得压缩模量数值远远大于天然含水量状态下的 压缩模量，数据是不可使用的。
5 结论
由此可见，土的含水量直接影响压缩数据的准确性，在试 验过程中，测定含水量时必须严格按照土工试验方法标准规 范进行，否则将直接影响压缩性指标。此外，对于一般的固结 试验，只做压缩时采用天然含水量的非饱和土进行试验是合 理的，其数据比较可靠。试验中风干土所得试验数据与准确 数值偏差太大，直接影响对土的力学指标的判断，因此，在实 际生产过程中，应注意土样的保存环境，外业取回的土样不能 存放过久，以避免土样有风干现象，严重影响试验数据的准 确性。
含水率与非饱和土抗剪强度的关系
研究目的和方法
研究目的
探讨含水率对非饱和土抗剪强度的影响机制，分析影响规律，并寻求建立预测 模型的方法。
研究方法
采用实验和数值模拟相结合的方法，通过对不同含水率的非饱和土进行抗剪强 度试验，分析含水率与抗剪强度之间的关系，并利用数值模拟手段揭示其影响 机制。
微观机制
在微观尺度上，含水率的增加可能会改变土颗粒表面的吸附和解吸附行为，以及颗粒间的 摩擦和粘聚力。这些微观结构的变化会影响土的抗剪强度。
03
非饱和土抗剪强度与有效 应力关系
非饱和土的有效应力
有效应力
非饱和土的有效应力是指土体中同时存在孔隙压力和水压力时，对土体产生的作 用力，这个作用力会随着孔隙压力的变化而变化。
含水率与非饱和土抗剪强度 的关系
2023-11-08
目 录
• 引言 • 含水率对非饱和土抗剪强度的影响 • 非饱和土抗剪强度与有效应力关系 • 实验研究 • 影响因素的定量分析 • 结论与展望
01
引言
研究背景与意义
含水率对非饱和土抗剪强度的影响在工程实践中具有重要意 义，了解这一影响有助于更好地预测和评估工程的稳定性和 安全性。
目前的研究主要集中在室内试验和理论分析方面，对于实际工程应用中的非饱和土抗剪强度研究仍需加强。
不同类型非饱和土的抗剪强度变化规律需进一步…
不同类型的非饱和土在含水率对其抗剪强度的影响上存在差异，因此需要针对不同类型非饱和土开展深入研究。
非饱和土抗剪强度与含水率的关系需考虑其他因素
除了含水率，非饱和土抗剪强度还受到其他因素的影响，如压力、温度、气体渗透性等，这些因素在研究中需加以考虑。
黄土、黄土力学与黄土工程问题
黄土、黄土力学与黄土工程问题谢定义（西安理工大学）半个世纪来对黄土、黄土力学与黄土工程的研究使得人们的认识逐渐向黄土客观真实的规律相靠近，增强了人们用黄土力学的理论、观点和方法解决复杂黄土工程问题的思考面、可靠度和主动性。
但是在它基础上的进一步深化仍然是一个非常具有现实意义的问题。
下面仅就笔者接触到的一些主要材料，分别就黄土地质，黄土力学，黄土地基，黄土边坡和黄土洞室等几个方面的有关问题简要地考察一下半个世纪以来研究工作的一些基本结论。
1. 黄土地质（1）我国的黄土具有覆盖广（平原，丘陵，高原，山地），厚度大（低阶地5-10m，高阶地20，50-180，200m，兰州西津村400m），大面积连续（乌梢岭以东，太行山以西，长城以南，秦岭以北的黄河中游地区， 28万km2 ）和性质特殊（对水的特殊敏感性）等特点。
（2）从地质特征看，干旱、半干旱地区（北纬33°～47°）黄土以粉粒为主，欠压密、高孔隙、富含可溶性盐（加固凝聚力）以及垂直节理发育等特征。
（3）黄土的成因有风成因，水成因和多成因等不同的学说。
有一般认为，典型的、或原生的黄土主要是风成黄土；黄土状土或次生黄土多为其他成因的黄土（如冲积，洪积，坡积，湖泊沉积，冰水沉积，洪积－坡积，洪积－冲积，残积－坡积，冲积－坡积等）或是经过其它营力改造过的风成黄土。
（4）黄土在地貌上有高原类的塬（古地形平坦开阔处）、梁（长条形，长几公里到几十公里，顶宽几十米到几百米）、峁（园、椭圆形、丘陵）和河谷类的多级堆积阶地（宽广处）和基床阶地（狭窄处）。
（5）在中国黄土高原区，黄土对水的敏感性有由西北向东南逐渐减弱的趋势。
顺着这个方向，黄土的含水量由小到大，天然容重由低到高，粘粒含量由少到多，湿陷起始压力由小到大，黄土层厚度由厚到薄。
（6）对中国黄土按其基本特征可划分为陇西地区，陇东-陕北-晋西地区，关中地区，山西地区（汾河流域区，晋东南区），河南地区，冀鲁地区（河北区，山东区），北部边缘地区（宁陕区，河西走走廊区，内蒙中部-辽西区）及新疆地区等八个大区。
饱和度对非饱和黄土抗剪强度的影响
山东农业大学学报(自然科学版),2020,51(6):1074-1079VOL.51NO.62020 Journal of Shandong Agricultural University(Natural Science Edition)doi:10.3969/j.issn.1000-2324.2020.06.017饱和度对非饱和黄土抗剪强度的影响邢琳,任亚宁,申向梁国网河北经研院,河北石家庄050000摘要:为研究含水率对非饱和黄土抗剪强度的影响，本文对不同饱和度下的原状黄土试样与重塑试样分别进行了直接剪切实验。
结果发现：随着饱和度的增大，两种黄土试样的剪切强度表现出逐渐降低的现象；由摩尔库伦强度准则得到黏聚力呈线性减小，内摩擦角的下降趋势逐渐减缓最终趋于稳定；原土试样对饱和度的敏感性明显低于重塑试样；经机理分析认为非饱和黄土的剪切强度受矿物成分、含水状态和结构性的综合影响；因此提出水分和黄土结构性的表达式，有效地预测了非饱和黄土的力学指标。
关键词:非饱和黄土;饱和度;剪切强度中图法分类号:[P642.3]文献标识码:A文章编号:1000-2324(2020)06-1074-06Effect of Saturation on the Shear Strength of Unsaturated Loess XING Lin,REN Ya-ning,SHEN Xiang-liangState Grid Hebei Economic Research Institute,Shijiazhuang050000,ChinaAbstract:In order to study the effect of water content on the shear strength of unsaturated loess,direct shear experiments were carried out on undisturbed loess samples and remolded loess samples with different saturation.The results showed that the shear strength of the two samples decreased gradually with the increase of saturation.According to the molar coulomb strength criterion,the cohesion decreases linearly and the Angle of internal friction decreased gradually and finally become stable.The sensitivity of undisturbed sample to saturation was lower than that of ordinary loose soil sample.According to the analysis of mechanism,it was concluded that the shear strength of unsaturated loess was affected by mineral composition, water bearing state and structure.An expression of the strength of the unsaturated loess which took into account the structure of the loess and the water.The strength expression could effectively predict the mechanical index of unsaturated loess. Keywords:Unsaturated loess;saturation;shear strength黄土是一种广泛分布在我国黄河流域的一种特殊土体，主要由碎屑矿物和黏土矿物组成，遇水发生湿陷现象是该地区黄土的常见特性[1]。
非饱和土水特征曲线模型参数反演辨识研究
非饱和土水特征曲线模型参数反演辨识研究随着城市化进程的加快，土地利用和建设活动频繁进行，土壤水分特征曲线的研究与应用已受到广泛关注。
非饱和土水特征曲线是描述土壤水分状态的重要工具，它包括入渗、渗透性、蒸发等诸多过程，对于地下水资源管理、土地利用规划以及水文模型等方面都具有重要的意义。
本文旨在研究非饱和土水特征曲线模型参数反演辨识方法，并探究其应用。
1、非饱和土水分特性与特征曲线土壤由颗粒、孔隙和土壤水三部分构成，其水分状态由干燥到饱和分别分为三部分，分别为毛细吸附水、重力排水水和流失水。
非饱和土指含有干燥状态和毛细吸附水的土壤。
非饱和土水分特性曲线（Water Retention Curve, WRC）是描述非饱和土体含水量与土壤水势之间关系的重要工具。
WRC曲线反映了非饱和土结构、类型、饱和度等因素的相互作用对水分含量及其对应水势的影响，也是研究非饱和土水力学性质的基础。
非饱和土水分特征曲线模型是通过实验或模拟建立非饱和土水分含量与水势关系的数学模型，常见的模型有van Genuchten模型、Brooks-Corey模型和Kosugi模型等。
其中van Genuchten模型是较为常用的一种模型，它可以描述土壤水分与土壤饱和度之间的关系，并被广泛应用于土壤水分运移方面的研究。
非饱和土水分特征曲线模型的参数反演是指通过对非饱和土的实测数据进行计算，反演得到最适合该土壤的模型参数。
非饱和土水分特征曲线模型参数反演可以采用多种方法，主要包括试错法、梯度法、最小二乘法、马尔可夫蒙特卡罗模拟等。
试错法是一种传统的方法，通过不断调整模型参数，使模型拟合效果不断提高；梯度法是一种基于函数变化率的优化方法，利用曲线斜率信息寻找最佳模型参数值；最小二乘法是利用误差平方和最小的原则进行拟合，可以求出最小二乘解；马尔可夫蒙特卡罗模拟是利用随机梯度法结合马尔可夫链的方法，能够在全局搜索中找到较好的参数。
这些方法各有优劣，选择适合自己的方法可以更好地实现非饱和土水分特征曲线模型的参数反演辨识。
地下水对土的性质与土体工程的影响....
地下水对土的性质与土体工程的影响：（提示从两个方面：1对土的性质影响（土的性质，结构）。
土体工程：地基基础，边坡）土结构层次基本按宏观和微观划分为两个层次,也有按宏观、中观和微观三层次划分[14]。
宏观结构是可用肉眼、放大镜或光学显微镜观察到的特征，如层理、裂隙、孔洞、包裹体等在宏观上的不均匀性；微观结构可用电子显微镜和X射线衍射观察其特征，指土的物质组成的空间相互排列以及土粒连结等特征。
土体的细观结构是指土颗粒或颗粒聚合体之间的相对位置、排列特征、接触状态、粒间连结、胶结物及胶结状态、粒间孔隙大小和形状。
显然，从研究对象的空间尺度看，土体的细观结构介于土体的微观结构与宏观结构之间，可将其定义为比微观结构高一层次、比宏观结构在一般水破裂[16]如含H+Ca2+、+，一方面由水中(1)(2),参地理力学性质,进而影响土层崩解和塌陷。
地下水潜蚀作用,包括对土层矿物成分溶解、对颗粒和团块潜蚀,以及对溶解、潜蚀物质搬运等作用、过程。
3.2.1改变土体塑性状态当土体含水量增加,液性指数增大,土的力学强度减弱时,会影响土体的稳定性。
3.2.2改变土的重度土的重度随含水量的增大而增大,对一般粘性土来说,土体在饱水之后,重度可增加1/7~1/315。
重度增大,塌陷体重量增加,从而加速土洞拱顶垮落。
3.2.3改变土体体积对于溶余堆积粘土,含水量增加时膨胀,干燥时收缩,并随之出现垂直裂隙,土体被切割,力学强度降低,这有利于雨水、地表水下渗,加快潜蚀作用,使土洞拱顶更易垮落,产生塌陷。
3.2.4促进土体崩解脱落对于从可塑-软塑-流塑状态的土来说,符合含水量与崩解速率成正比这一论点;但对于坚硬-硬塑-可塑状土,结果相反,含水量愈小,崩解速度愈快,往往含素,尤其对非饱和土体来说,含水量的变化直接影响了非饱和土的一个重要的指标)基质吸力。
基质吸力与非饱和土体的表观凝聚力有关,而表观凝聚力是土体总凝聚力的一部分,因此,含水量的变化对非饱和土体的强度参数有很大的影响,进而对非饱和土体的工程稳定性也有明显的影响。
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含水量对非饱和土性质的影响邢春艳,陆云瑜(上海市政工程设计研究总院,上海200092)摘 要:通过研究含水量变化对非饱和土体抗剪强度的影响和含水量变化对非饱和土体基质吸力的影响以及非饱和土的总粘聚力与土体含水量的关系规律,揭示含水量对非饱和土性质的影响规律,为以后类似的工程提供帮助。
关键词:含水量;基质吸力;抗剪强度中图分类号:TU441 文献标识码:B 文章编号:1004—5716(2007)10—0035—03 土体边坡的稳定性等在很大程度上取决于土的抗剪强度指标,土体的结构、密度、含水量等因素都与抗剪强度指标有很大的联系,对于某一土体工程来说,土体的结构与密度在局部范围内的变化不会太大,相对而言,含水量的变化对强度参数的影响可能要大于其它因素,尤其对非饱和土体来说,含水量的变化直接影响了非饱和土的一个重要的指标—基质吸力。
基质吸力与非饱和土体的表观凝聚力有关,而表观凝聚力是土体总凝聚力的一部分,因此,含水量的变化对非饱和土体的强度参数有很大的影响,进而对非饱和土体的工程稳定性也有明显的影响。
我国很多地区的山地或人工边坡在雨季常发生滑坡,这类滑坡的发生带有突发性,难于预报和躲避,给国民经济和人民生命财产造成了巨大的损失,如果在设计、施工及防护中充分利用非饱和土的性质特点,不仅可以带来可观的经济效益,也可保证工程建设的安全进行。
因此,研究含水量的变化对非饱和土强度以及稳定性的影响具有重要的工程意义。
1 含水量变化对非饱和土体抗剪强度的影响非饱和土具有不同于饱和土的强度特性,由于非饱和土的颗粒空隙中除有水存在外,还有气体存在。
水气交界面处的表面张力,使孔隙中的水与气具有不同的压力,使得非饱和土强度的研究变得复杂起来。
非饱和土的强度公式中有两类已被岩土界广泛认可:一类是Bishop提出的以有效应力为基础的公式:τf=c′+[(σ-u a)+χ(u a-u w)]tanφ′(1)式中:τf———饱和土的抗剪强度;c′和φ———饱和土的有效应力参数;σ———总应力;u a———孔隙气压力;u w———孔隙水压力;χ———有效应力参数,其值界于0和1之间,当饱和度为零时,χ=0,当饱和度为1时,χ=1。
另一类是Fredlund和Mogerstern等提出的双应力状态变量公式:τf=c′+(σ-u a)tanφ′+(u a-u w)tanφb(2)式中:φb———抗剪强度随基质吸力而变化的内摩擦角;(u a-u w)———基质吸力。
为对非饱和土抗剪强度与含水量变化有一个较为清晰的认识,本文参考了文献[2]的试验研究成果。
该文献针对不同含水量做了8组试验,各组土样的平均含水量分别为10%、13%、16%、19%、22%、25%、28%、31.5%。
文献[2]采用的土样取自北方交通大学地下工程试验楼竖井,所取土样为粉质粘土,土样高度为8cm,直径为3.91cm。
经过多次试验,得到了一组C total和φtotal与土壤含水量关系的表格(见表1)。
表1 含水量W与广义粘聚力C total和广义摩擦角φtotal的关系W(%)C total(kPa)φtotal(°)10220.2723.331373.4124.241656.3926.581940.0225.82219.7224.252516.9522.7288.8224.6531.57.8624.81 由表1我们可以对粉粘土总结出以下几点结论:(1)对于同种土样含水量的变化与粘聚力的变化有较好的函数关系。
(2)随着含水量的增大,土样的粘聚力随之下降,532007年第10期 西部探矿工程 且含水量的变化对其有较大影响。
含水量低于30%时,其降低对粘聚力影响显著。
但当含水量高于30%时,再提高含水量则对粘聚力基本无影响。
2 含水量变化对非饱和土体基质吸力的影响基质吸力(负孔隙水压力)是非饱和土的重要特征,基质吸力的变化对非饱和土强度的影响十分显著。
非饱和土的基质吸力和土体含水量存在对应关系。
土的含水量与基质吸力的关系曲线称为土-水特征曲线,通过土-水特征曲线,我们就可以定量的确定基质吸力和含水量的关系。
从而确定含水量与土体抗剪强度的关系。
因此土-水特征曲线是研究渗流场影响土体工程性质的基础之一。
非饱和土的土-水特征曲线在特定的情况下(如土体水分仅受单一外界因素作用时),土体的基质吸力是含水量的唯一函数,该曲线目前还不能根据土的基本性质由理论分析得出,只能用试验方法确定。
国外大部分用于描述土水特征曲线的方程式都是根据经验和曲线的形状而建立起来的,而且都是以土的粒度分布为基础的,其方程式如图1所示(图中土体的体积含水量指土中水的体积与土的总体积的比值)。
图1 土—水特征曲线示意图 由上图我们可以总结出土—水特征曲线的一些基本特点:(1)粉质粘土土—水特征曲线呈“S ”形。
(2)体积含水量随着基质吸力的增加而递减,这与一般的理论知识是一致的。
(3)体积含水量随着基质吸力的增加而递减的趋势中间的变化比较大,而在两端的变化相对较小。
3 非饱和土体基质吸力对土体粘聚力的影响 根据Fredlund 等编著的《非饱和土土力学》所述,非饱和土的总粘聚力由下式确定:c =c ′+(u a -u w )f tan φb (3)式中:c ′———饱和土粘聚力;(u a -u w )f ———破坏时在破坏面上的非饱和土基质吸力(下标f 表示破坏面)。
这个式子就表明了Fredlund 等对土体粘聚力与基质吸力的关系的认识。
这里认为tanφb 是一个土性常数,也就是认为粘聚力与基质吸力是线性的关系。
但近年来的大量试验数据表明,φb 并不是一个土性常数,粘聚力与基质吸力关系也不是线性的,几乎所有土的粘聚力与基质吸力关系都是非线性的。
图2 粘土总粘聚力与基质吸力关系示意图图3 砂土总粘聚力与基质吸力关系示意图图4 砂类土总粘聚力与基质吸力关系示意图 从图2,3,4中可以看出粘聚力与基质吸力决不是线性增加的关系。
粘土的粘聚力与基质吸力是成非线性增加的,开始增加速度较快以后越来越慢,但其值随着基质吸力的增加是一直在增加的,基质吸力的影响范围非常大,有研究表明,某些粘土在基质吸力达到104kPa 时,总粘聚力仍然在增长。
砂土的粘聚力与基质吸力的关系也是非线性增加的,但到一定程度后几乎不再增加,基质吸力对粘聚力的影响范围比较小。
而砂63 西部探矿工程 2007年第10期山区高速公路建设中的边坡治理技术肖少超(湖南省有色地质勘查局,湖南长沙410015)摘要:以高速公路建设为背景,阐述了高速公路边坡的失稳机理和治理措施。
提出了切合实际的边坡治理方案的选取原则。
在总结过去边坡治理经验的基础上,强调了今后公路设计中有关边坡稳定性应该注意的的问题,为类似工程提供借鉴。
关键词:公路边坡;滑坡;边坡治理中图分类号:U417 文献标识码:B 文章编号:1004—5716(2007)10—0037—04 随着西部大开发的进行,大型基础设施建设蓬勃兴起。
如何确保在这些地区边坡工程的稳定性,许多与边坡有关的问题都需要进行更合理的分析,以采取正确的治理方案,否则将造成难以弥补的损失。
滑坡是指在一定的地形地质条件下,由于工程施工过程,忽视了地质构造和岩层结构以及岩土性质对边坡稳定性的影响,护坡工程跟不上或措施不力而引起山坡不稳定,土体或岩体在重力作用下,沿着一定作用面(带)作整体的、缓慢的、间歇性的滑动变形现象。
它是山区公路的主要病害之一,对山区公路建设和交通设施危害极大。
滑坡所带来的问题是严重的。
例如:在三峡工程坝址上游的新滩小镇,在大规模山体滑坡中完全消失,滑坡体冲入长江,使长江航运受到阻碍;宝成铁路每当雨季到来时,常常发生滑坡事故,致使铁路运输中断;某大型炼油厂,厂区位于露天矿边坡附近,由于露天开采导致厂区地基严重变形,厂房设施受损;2003年5月,由于高速公路建设对山体的扰动,贵州凯里发生一起山体大滑坡造成数十人死亡的惨剧。
以上是边坡不稳定滑移造成重大损失的几个典型例子。
随着基础设施建设的发展,边坡滑移产生的问题越类土的粘聚力与基质吸力的非线性关系最为特殊,饱和砂的粘聚力几乎为0,粘聚力随着基质吸力的增加先增大后减小,但不会小于饱和砂的粘聚力,基质吸力对总粘聚力的影响范围更小。
4 结论及问题(1)随着含水量的增大,土样的粘聚力随之下降,且含水量的变化对其有较大影响。
含水量低于30%时,其降低对粘聚力影响显著。
但当含水量高于30%时,再提高含水量则对粘聚力基本无影响。
(2)体积含水量随着基质吸力的增加而递减,这与一般的理论知识是一致的。
(3)体积含水量随着基质吸力的增加而递减的趋势中间的变化比较大,而在两端的变化相对较小。
(4)粘土的粘聚力与基质吸力是成非线性增加的。
(5)砂土的粘聚力与基质吸力的关系也是非线性增加的。
但是土体含水量的变化与抗剪强度之间到底有什么样的数量关系,能否被广泛接受并应用于岩土工程实践中有待于试验和实践的验证。
同时非饱和土体的总粘聚力与基质吸力的关系就是一个非线性的关系,应该用经验拟合公式来表示他们的关系,但非线性的拟合公式使用起来非常复杂,需要复杂的实验和多组数据并且拟合过程也较复杂,需要通过以后工程得到进一步的完善。
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