非饱和土的土水特征曲线研究_刘艳华
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试样分别取自湖北枣阳和河南南阳 , 为膨胀性 土原状样或击实土 。 湖北枣阳土 样的基本性状 为 : 粘粒含量 47%～ 59 %, 天然含水量 25 %～ 35 %, 自由 膨胀率 58%～ 88 %, 液限含水量 wL =70.8 %, 塑性 指数 IP =47.3 。 南阳土取自南水北调总干渠渠线附 近 , 为第四系上更新统冲湖积粘土 , 粘土矿物成分主
1 0 工程勘察 Geotechnical Investigation &Surveying
图 5 南阳 A 、 B 土原状样 、 击实样的土水特征曲线
体孔径分布曲线 , 用统计分析理论推导出的公式可
适用于全吸力范围的任何土类 , 但公式形式复杂 ,
应用不便 。
通过上述试验分析 , 笔者认为 , 由于击实样和
(3) 土体的收缩性 , 土体在 干湿循环过程中所 产生的收缩或膨胀必然会引起 孔隙结构的变化 , 进 而影响土体的持水能力 , 改变土水特征曲线的形状 。
3ຫໍສະໝຸດ Baidu 试验研究
针对以上因 素 , 本 文开 展 了一 系列 的对 比试 验 , 对土水特征曲线的性质和影响因素进行定性的 分析 。 3.1 试样选取
化砂进行了相应的测试 。 3.3 结果和讨论
(1)固结压力的影响 为了探讨外力对土水特征曲线的影响 , 对一系 列试样进行了有压和无压条件下的对比试验 。 有压 状态是指在饱和及试验过程中 , 土体受到约束不产 生膨胀 , 试验过程中土的孔隙比保持不变 。 无压状 态则是土体自由膨胀饱和 , 在试验过程中 , 其变形 不受外界约束 。 图 1 为某一典型原状样在不同应力 状态下饱和后的土水特征曲线 , 从中可以看出 , 虽 然随着基质吸力的增加两条曲线有相重合的趋 势 , 它们的形状差别还是很大的 , 主要表现在土体的进 气值 和进气 点后的储 水系数 (土 水特征 曲线的 斜 率)。 具有预固结压力的土样 , 其曲线平缓 , 脱水 较慢 。 也就是说 , 应力状态影响土水特征曲线的进 气值和储水系数 , 而储水系数则与非饱和土的渗透 性有密切关系 。 这就意味着在分析水分入渗和蒸发 时 , 必须考虑具有不同应力状态土层的差别 。 当吸力较高时 , 两条曲线趋于重合 , 此时应力 状态对吸力值影响较小 , 即可以认为外应力和吸力 是互不相关的 ;由于吸附强度是和吸力相对应 的 , 外应力对吸附强度的影响 也很微弱 , 这与 Fredlund &Morgenstern[ 2] 的强度理论相符合 。 (2)初始孔隙比的影响 将南阳击实土制成两种不同孔隙比的试样 , 饱 和后的初始孔隙比 e0 分别为 0.66 和 0.83 。 试验结 果见图 2 , 初始孔隙比较大的土体进气值较小 , 当
工程勘察 Geotechnical Investigation &Surveying 9
图 3 不同 土质的土水特征曲线
图 4 风化砂的土水特征曲线
发现 , 击实样的曲线有一个明显的折点 , 它们可以 近似地看成是由两条直线段组成的 , 前一段基本呈 水平状 , 为土样进气 阶段 (完全封闭 状态), 另一 段为斜线段 , 与非饱和土的内部连通状态相对 应 。 对于原状样 , 曲线形状平滑 , 无明显的折点 。 笔者 认为 , 原状土在其形成过程中 , 土颗粒按一定方向 和次序排列 , 形成的孔隙结构具有一定的方向 性 , 甚至存在一些相互连通的通道 。 在土样脱湿的过程 中 , 气体首先进入尺寸较大的通道 , 并排除通道内的 孔隙水 , 这部分孔隙水在总孔隙水中占较大比例 , 随 着吸力的增大 , 通道内的水逐渐减少 , 非通道内的水 排除又较缓慢 , 土体表现出较高的持水能力 。
2 土水特征曲线的影响因素
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 、 土的应力历史和温 度等 。 但笔者认为土的矿物成分和孔隙结构是基本 因素 , 其它因素往往是通过影响这两个基本因素而 起作用的 。
(1)土的矿物成分 , 包括土颗粒的矿物成分以 及孔隙中可溶盐成分 。 其影响反映在土体对水分的 亲和程度上 , 对于具有较强亲水性的矿物组成的土 体 , 它表现出的吸力也必然较大 , 反映在土水特征 曲线上 , 则为残余含水量较大 , 曲线的斜率也变得 平缓 。
验 , 对土水特征曲线有了进一步的认识 , 并为土水特征曲线在工程中合理应用提出一些建议 。最
后 , 给出了一个适合于击实土的土水特征曲线的拟合模型 , 该模型具有简单 、 实用的特点 。
关键词 :非饱和土力学 ;土水特征曲线 ;基质吸力 ;拟合
中图分类号 :TU431
文献标识码 :A
Abstract :Some important f actors which effect the characteri sti c curve of soil and water are analyzed herein and large amount of test s are conducted through which further knowledge of the said curve i s obtained and proposals for reasonable applications of that curve to engineering are suggested.Finally , a fitting model the said curve suitable for compacted soil is provided whi ch proves to be simple and practical . Key words:mechanics of unsaturated soi l ;characterist ic curve of soil and water ;basic suck ;fitting
表达式为 :
θ= θs 0 ≤(ua -uw )≤(ua -uw )b θ= θs -n · lg[ (ua -uw )(ua -uw )b ]
(1)
(ua -uw )≥(ua -uw )b
式中 :θ为体 积 含 水率 ;θs 为饱 和 时 的 含水 率 ;
原状样的土水特征曲线差别明显 , 可采用不同的公
式表示 , 以适应不同的工程情况 。比如对于土坝这
样的填方工程 , 采用击实 样的公式就更有适应性 。 根据包承纲[ 5] 的分析 , 非饱和土的气相形态可以分
为四种 , 在不同形态中 , 非饱和土土体所表现的土
性各不相同 , 工程意义也不同 。 因此 , 只需分析具
图 2 南阳击实土在不同初始孔隙比下的土水特征曲线
(3)土质的影响 取南阳和枣阳两种不同土性的原状土作比较试 验 , 南阳土 IP =26.5 , 枣阳土 IP =47.3 , 它们的初 始含水量和其它物理指标都相似 , 所得结果见图 3 。 可以看出两条曲线的 进气值和储水系数都有差别 , 反映出高 塑性粘 土脱 水速 度较 慢 、 持 水性 好的特 点。 图 4 是对一种风化砂进行土水特征曲线测试的 结果 。由于风 化砂容易脱水 , 在较小 的吸力范围 , 获得了一个形状较为完整的土水特征曲线 。 可以看 到 , 风化砂的进气值要远比粘土的进气值小 , 而储 水系数较大 。 (4)原状样和击实样的土水特征曲线 为了探讨土体结构的影响 , 对比了同一种土原 状样和击实样的土水特征曲线 , 如图 5 所示 。 容易
52.2 %～ 66.6%, 塑性指数 IP =24.5 ～ 38.9 。 3.2 试验方法
试验分别在 15bar 压力膜仪和自制 3.5bar 体积 压力板上进行 , 后者具有对土样进行加压或者约束 土体膨胀的功能 , 其优点是能使土样接近实际工程 中的应力状态 。
为了分析各因素对土水特征曲线的影响 , 进行 了 3 组比较试验 。 由于原状土通常是处于一定的应 力状态下 , 试验中考虑了现场应力状态的模拟 , 对 同一组试样分别进行 有压和无压饱和处理 。 其 次 , 对比了两 种不同初 始孔隙 比击实 土的土 水特征 曲 线, 以及不同塑性击实土的土水特征曲线。此外, 为了获得一条比较完整的土水特征曲线 , 对一种风
杂 , 且有关拟合参数难以确定 。 经过对多种击实样
的试验分析 , 发现该段土水特征曲线可以用折线形
式 (在半对数坐标上)近似 , 如图 6 所示 , 其中 AB
为水平线段 , BC 为斜线段 。这种拟合方法在常见的
基质吸力范围内能够满足精度需要 , 从本文测定的
其它土水特征曲线来看 , 折线拟合也是合理的 。其
收稿日期 :2001-10-05;修订日期 :2001-12-16 作者简介 :刘艳华 (1971 -), 女 (汉族), 吉林辽源 人 , 硕
士 , 工程师 .
2002 年第 3 期
要为水云母 、 蒙脱石和蛭石 , 其粘粒含量 48.7 %～ 56 %, 天然含水量 23.4 %～ 26.4 %, 自由膨胀率 70 % ～ 77%, 密 度 1.94 ～ 2.04g cm3 , 液限 含 水量 wL =
非饱和土的土水特征曲线研究
刘艳华1 , 龚壁卫2 , 苏 鸿3
(1.北京市勘察设计研究院 , 北京 100038;2.长江科学院 , 武汉 430010; 3.柳州市城市投资建设发展有限公司 , 广西 柳州 545000)
摘要 :本文分析了影响土水特征曲线的几个重要因素 , 在此基础上进行了大量的对比试验 。 通过试
(2)孔隙结构 , 包括孔隙大小 、 级配和组成结 构等 。孔隙结构 影响 土水 作用 面积和 收缩 膜的 形
8 工程勘察 Geotechnical Investigation &Surveying
状 , 而后者决 定吸力的大小 。 土体的 孔隙尺寸小 , 进气值高 , 持水性强 , 则土水特征曲线平缓 。 孔隙 结构通常和粒径 、 级配以及土骨架结构相关 , 一般 说来粒径较小 、 级配良好的土体 , 其孔径较小 。此 外 , 影响孔隙结构的其它一些因素也间接影响着土 水特征曲线的形状 , 如干密度 、 初始含水量 、 应力 路径和应力状态等 。
有实际工程意义的含水量情况 , 并将该阶段非饱和
土的有关公式简化 , 使其具有针对性和实用性 。
本文试验受吸力测量范围的限制 , 所得粘性土
的土水特征曲线只是全范围的一部分 , 气相形态包
括完全封闭和内部连通两种 , 但这部分却是最具有
工程意义的一段 。虽然现有土水特征曲线公式对这
一段的表 达已经 比较 准确 , 公式 形式 一般 较为复
因此 , 原状样有较低的进气值和较高的持水性 能 。对于击实样 , 土体内的孔隙基本上是均匀分布 且无方向性 , 孔隙级配属不良级配 , 气体较难进入 土体 , 表现出较高的进气值 。试验表明土体结构对 土水特征曲线的影响比较大 。 4 击实土简单 、 实用的土水特征曲线公式
土水特征曲线可以用数学关系式表达 。 如 Fredlund &Xing[ 3] 和 Fredlund , Fredlund &Wilson[ 4] 根据土
2002 年第 3 期
图 1 南阳 原状土在不同固结压力下的土水特征曲线
吸力继续增加时 , 两条曲线出现交点 。 虽然受测量 范围的限制 , 不能看到曲线的进一步走势 , 从图中 可以发现 , 孔隙比对进气值以后的曲线斜率有很大 的影响 , 孔隙比较大的土体储水系数也较大 。 总的 来看 , 孔隙比对土水特征曲线的进气值和储水系数 都有较大的影响 。
1 概述
土水特征曲 线在非 饱和土 力学中 具有 重要 意 义, 分析它的影响因素是十分必要的。在这方面, 土壤学起步较早[ 1] , 但土力学中的土水特征曲线与 土壤学中的土水特征曲线在研究和应用中有一定区 别 ;土力学中 不仅要考虑土体成分及结构的影 响 , 还要考虑到应力状态的影响 , 在应用中要分析土水 特征曲线与强度等力学指标的关系 , 有待探讨的方 面很多 。 由于受测试方法的限制 , 土水特征曲线的 研究进展比较缓慢 。
1 0 工程勘察 Geotechnical Investigation &Surveying
图 5 南阳 A 、 B 土原状样 、 击实样的土水特征曲线
体孔径分布曲线 , 用统计分析理论推导出的公式可
适用于全吸力范围的任何土类 , 但公式形式复杂 ,
应用不便 。
通过上述试验分析 , 笔者认为 , 由于击实样和
(3) 土体的收缩性 , 土体在 干湿循环过程中所 产生的收缩或膨胀必然会引起 孔隙结构的变化 , 进 而影响土体的持水能力 , 改变土水特征曲线的形状 。
3ຫໍສະໝຸດ Baidu 试验研究
针对以上因 素 , 本 文开 展 了一 系列 的对 比试 验 , 对土水特征曲线的性质和影响因素进行定性的 分析 。 3.1 试样选取
化砂进行了相应的测试 。 3.3 结果和讨论
(1)固结压力的影响 为了探讨外力对土水特征曲线的影响 , 对一系 列试样进行了有压和无压条件下的对比试验 。 有压 状态是指在饱和及试验过程中 , 土体受到约束不产 生膨胀 , 试验过程中土的孔隙比保持不变 。 无压状 态则是土体自由膨胀饱和 , 在试验过程中 , 其变形 不受外界约束 。 图 1 为某一典型原状样在不同应力 状态下饱和后的土水特征曲线 , 从中可以看出 , 虽 然随着基质吸力的增加两条曲线有相重合的趋 势 , 它们的形状差别还是很大的 , 主要表现在土体的进 气值 和进气 点后的储 水系数 (土 水特征 曲线的 斜 率)。 具有预固结压力的土样 , 其曲线平缓 , 脱水 较慢 。 也就是说 , 应力状态影响土水特征曲线的进 气值和储水系数 , 而储水系数则与非饱和土的渗透 性有密切关系 。 这就意味着在分析水分入渗和蒸发 时 , 必须考虑具有不同应力状态土层的差别 。 当吸力较高时 , 两条曲线趋于重合 , 此时应力 状态对吸力值影响较小 , 即可以认为外应力和吸力 是互不相关的 ;由于吸附强度是和吸力相对应 的 , 外应力对吸附强度的影响 也很微弱 , 这与 Fredlund &Morgenstern[ 2] 的强度理论相符合 。 (2)初始孔隙比的影响 将南阳击实土制成两种不同孔隙比的试样 , 饱 和后的初始孔隙比 e0 分别为 0.66 和 0.83 。 试验结 果见图 2 , 初始孔隙比较大的土体进气值较小 , 当
工程勘察 Geotechnical Investigation &Surveying 9
图 3 不同 土质的土水特征曲线
图 4 风化砂的土水特征曲线
发现 , 击实样的曲线有一个明显的折点 , 它们可以 近似地看成是由两条直线段组成的 , 前一段基本呈 水平状 , 为土样进气 阶段 (完全封闭 状态), 另一 段为斜线段 , 与非饱和土的内部连通状态相对 应 。 对于原状样 , 曲线形状平滑 , 无明显的折点 。 笔者 认为 , 原状土在其形成过程中 , 土颗粒按一定方向 和次序排列 , 形成的孔隙结构具有一定的方向 性 , 甚至存在一些相互连通的通道 。 在土样脱湿的过程 中 , 气体首先进入尺寸较大的通道 , 并排除通道内的 孔隙水 , 这部分孔隙水在总孔隙水中占较大比例 , 随 着吸力的增大 , 通道内的水逐渐减少 , 非通道内的水 排除又较缓慢 , 土体表现出较高的持水能力 。
2 土水特征曲线的影响因素
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 、 土的应力历史和温 度等 。 但笔者认为土的矿物成分和孔隙结构是基本 因素 , 其它因素往往是通过影响这两个基本因素而 起作用的 。
(1)土的矿物成分 , 包括土颗粒的矿物成分以 及孔隙中可溶盐成分 。 其影响反映在土体对水分的 亲和程度上 , 对于具有较强亲水性的矿物组成的土 体 , 它表现出的吸力也必然较大 , 反映在土水特征 曲线上 , 则为残余含水量较大 , 曲线的斜率也变得 平缓 。
验 , 对土水特征曲线有了进一步的认识 , 并为土水特征曲线在工程中合理应用提出一些建议 。最
后 , 给出了一个适合于击实土的土水特征曲线的拟合模型 , 该模型具有简单 、 实用的特点 。
关键词 :非饱和土力学 ;土水特征曲线 ;基质吸力 ;拟合
中图分类号 :TU431
文献标识码 :A
Abstract :Some important f actors which effect the characteri sti c curve of soil and water are analyzed herein and large amount of test s are conducted through which further knowledge of the said curve i s obtained and proposals for reasonable applications of that curve to engineering are suggested.Finally , a fitting model the said curve suitable for compacted soil is provided whi ch proves to be simple and practical . Key words:mechanics of unsaturated soi l ;characterist ic curve of soil and water ;basic suck ;fitting
表达式为 :
θ= θs 0 ≤(ua -uw )≤(ua -uw )b θ= θs -n · lg[ (ua -uw )(ua -uw )b ]
(1)
(ua -uw )≥(ua -uw )b
式中 :θ为体 积 含 水率 ;θs 为饱 和 时 的 含水 率 ;
原状样的土水特征曲线差别明显 , 可采用不同的公
式表示 , 以适应不同的工程情况 。比如对于土坝这
样的填方工程 , 采用击实 样的公式就更有适应性 。 根据包承纲[ 5] 的分析 , 非饱和土的气相形态可以分
为四种 , 在不同形态中 , 非饱和土土体所表现的土
性各不相同 , 工程意义也不同 。 因此 , 只需分析具
图 2 南阳击实土在不同初始孔隙比下的土水特征曲线
(3)土质的影响 取南阳和枣阳两种不同土性的原状土作比较试 验 , 南阳土 IP =26.5 , 枣阳土 IP =47.3 , 它们的初 始含水量和其它物理指标都相似 , 所得结果见图 3 。 可以看出两条曲线的 进气值和储水系数都有差别 , 反映出高 塑性粘 土脱 水速 度较 慢 、 持 水性 好的特 点。 图 4 是对一种风化砂进行土水特征曲线测试的 结果 。由于风 化砂容易脱水 , 在较小 的吸力范围 , 获得了一个形状较为完整的土水特征曲线 。 可以看 到 , 风化砂的进气值要远比粘土的进气值小 , 而储 水系数较大 。 (4)原状样和击实样的土水特征曲线 为了探讨土体结构的影响 , 对比了同一种土原 状样和击实样的土水特征曲线 , 如图 5 所示 。 容易
52.2 %～ 66.6%, 塑性指数 IP =24.5 ～ 38.9 。 3.2 试验方法
试验分别在 15bar 压力膜仪和自制 3.5bar 体积 压力板上进行 , 后者具有对土样进行加压或者约束 土体膨胀的功能 , 其优点是能使土样接近实际工程 中的应力状态 。
为了分析各因素对土水特征曲线的影响 , 进行 了 3 组比较试验 。 由于原状土通常是处于一定的应 力状态下 , 试验中考虑了现场应力状态的模拟 , 对 同一组试样分别进行 有压和无压饱和处理 。 其 次 , 对比了两 种不同初 始孔隙 比击实 土的土 水特征 曲 线, 以及不同塑性击实土的土水特征曲线。此外, 为了获得一条比较完整的土水特征曲线 , 对一种风
杂 , 且有关拟合参数难以确定 。 经过对多种击实样
的试验分析 , 发现该段土水特征曲线可以用折线形
式 (在半对数坐标上)近似 , 如图 6 所示 , 其中 AB
为水平线段 , BC 为斜线段 。这种拟合方法在常见的
基质吸力范围内能够满足精度需要 , 从本文测定的
其它土水特征曲线来看 , 折线拟合也是合理的 。其
收稿日期 :2001-10-05;修订日期 :2001-12-16 作者简介 :刘艳华 (1971 -), 女 (汉族), 吉林辽源 人 , 硕
士 , 工程师 .
2002 年第 3 期
要为水云母 、 蒙脱石和蛭石 , 其粘粒含量 48.7 %～ 56 %, 天然含水量 23.4 %～ 26.4 %, 自由膨胀率 70 % ～ 77%, 密 度 1.94 ～ 2.04g cm3 , 液限 含 水量 wL =
非饱和土的土水特征曲线研究
刘艳华1 , 龚壁卫2 , 苏 鸿3
(1.北京市勘察设计研究院 , 北京 100038;2.长江科学院 , 武汉 430010; 3.柳州市城市投资建设发展有限公司 , 广西 柳州 545000)
摘要 :本文分析了影响土水特征曲线的几个重要因素 , 在此基础上进行了大量的对比试验 。 通过试
(2)孔隙结构 , 包括孔隙大小 、 级配和组成结 构等 。孔隙结构 影响 土水 作用 面积和 收缩 膜的 形
8 工程勘察 Geotechnical Investigation &Surveying
状 , 而后者决 定吸力的大小 。 土体的 孔隙尺寸小 , 进气值高 , 持水性强 , 则土水特征曲线平缓 。 孔隙 结构通常和粒径 、 级配以及土骨架结构相关 , 一般 说来粒径较小 、 级配良好的土体 , 其孔径较小 。此 外 , 影响孔隙结构的其它一些因素也间接影响着土 水特征曲线的形状 , 如干密度 、 初始含水量 、 应力 路径和应力状态等 。
有实际工程意义的含水量情况 , 并将该阶段非饱和
土的有关公式简化 , 使其具有针对性和实用性 。
本文试验受吸力测量范围的限制 , 所得粘性土
的土水特征曲线只是全范围的一部分 , 气相形态包
括完全封闭和内部连通两种 , 但这部分却是最具有
工程意义的一段 。虽然现有土水特征曲线公式对这
一段的表 达已经 比较 准确 , 公式 形式 一般 较为复
因此 , 原状样有较低的进气值和较高的持水性 能 。对于击实样 , 土体内的孔隙基本上是均匀分布 且无方向性 , 孔隙级配属不良级配 , 气体较难进入 土体 , 表现出较高的进气值 。试验表明土体结构对 土水特征曲线的影响比较大 。 4 击实土简单 、 实用的土水特征曲线公式
土水特征曲线可以用数学关系式表达 。 如 Fredlund &Xing[ 3] 和 Fredlund , Fredlund &Wilson[ 4] 根据土
2002 年第 3 期
图 1 南阳 原状土在不同固结压力下的土水特征曲线
吸力继续增加时 , 两条曲线出现交点 。 虽然受测量 范围的限制 , 不能看到曲线的进一步走势 , 从图中 可以发现 , 孔隙比对进气值以后的曲线斜率有很大 的影响 , 孔隙比较大的土体储水系数也较大 。 总的 来看 , 孔隙比对土水特征曲线的进气值和储水系数 都有较大的影响 。
1 概述
土水特征曲 线在非 饱和土 力学中 具有 重要 意 义, 分析它的影响因素是十分必要的。在这方面, 土壤学起步较早[ 1] , 但土力学中的土水特征曲线与 土壤学中的土水特征曲线在研究和应用中有一定区 别 ;土力学中 不仅要考虑土体成分及结构的影 响 , 还要考虑到应力状态的影响 , 在应用中要分析土水 特征曲线与强度等力学指标的关系 , 有待探讨的方 面很多 。 由于受测试方法的限制 , 土水特征曲线的 研究进展比较缓慢 。