基质吸力对非饱和土的影响
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s是饱和度，Sr为残余饱和度。 饱和度可用土水特征曲线拟合公式计算。
非饱和土三轴试验
三轴试验是非饱和土室内测量土抗剪强度最常用的试验方 法之一，已有的三轴试验方法很多，但其基本原理都是相 同的。三轴试验的试件是圆柱形的，试件外面包有橡皮膜 。并放置在三轴受压室中进行试验，三轴受压室中充满水 ，通过水施加恒定的周围压力，通过试件顶面接触的加荷 活塞在实践上施加轴向应力。根据非饱和土在三轴试验中 的排水情况不同，三轴试验可以分为固结排水试验，常含 水量试验，固结不排水试验，不排水试验，无测限压缩试 验。由于非饱和土三轴试验需要直接测量或控制吸力，因 此，必须对常规三轴仪进行改造。
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。
基质吸力的描述-基质吸力可以看作是土基质对水的吸持潜能
基质，是指细小的土颗粒。基质吸力可以看作是土基 质对水的吸持潜能。土基质吸持水分的机理十分复杂，但 可概括为吸附作用和毛细作用。单纯使用毛细模型来解释 和表达基质吸力具有一定的局限性，但是由于毛细作用的 机理比较清楚，数学处理也比较便利，所以在非饱和土力 学的定量研究中常常还是将基质吸力作用等同于毛细效应 。
基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响
Fredlund提出非饱和土剪切强度能够利用饱和土剪切强度 参数和土水特征曲线计算出来，即从吸力作用面积随饱和 度减少而减少的理论出发，建议了下列非线性强度公式余 饱和度。
式中 ：c' sutanua' -u uaw 是ta 吸n力'S 0 u 1 s s sr r ds
0 1
基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响
Frealun质吸力 ua uw来定义非饱和土抗剪强度。吸力对抗剪强度
的贡献可以表达为
usuauwtanb
式中 u s 为非饱和土剪切强度； b 为相对于基质吸力的剪
切摩擦角，ua uw为破坏面的基质吸力。
基质吸力的大小，一般不采用
去计算
，而是通过室内测量或者现场测量去量测，测定的方法一
般有张力计法，滤纸法，热电阻法，压力陶瓷板法，这里
不做说明。值得一提的是，低饱和度时，负孔隙水压力可
达到很高的负值，约为7000kpa，由此也可见基质吸力对
土的应力状态有着重大的影响。
基质吸力的描述-总结
综合考虑以上几点，可以看出，基质吸力的本质可以 看成是由于水液面存在表面张力而发生的毛细效应。基质 吸力的大小始终考虑的是水气界面的效应。土体含水率降 低时，孔隙中气体增多，毛细管增多，毛细效应增强，基 质吸力增大。基质吸力的增大导致水平应力的减小。土体 最终在干湿循环，水分蒸发下产生裂隙。
基质吸力的大小主要是针对弯液面处的压力差而言的 。弯液面又称水-气界面，收缩膜（非饱和土研究中的第 四相）。与大气接触的水平面处的水压为0。而与大气接 触的弯液面的水压相对气压是负值。这说明弯液面处存在 压力差。
基质吸力的描述-基质吸力的大小主要是针对弯液面处的压力差而言的
平面
p外
p内
凹面
p外
p内 p
。
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。
非饱和土三轴试验
下图为非饱和土三轴试验系统。系统包含了 1 个三轴室 、4 个压力控制器、6个传感器、1 个数字传感器接口、1 台计算机、1 套新型双室总体变量测系统和 1 个扩散空 气体积指示器，4 个控制器包括 2 个气压控制器和 2 个 水压/体积控制器，可单独控制室压、轴向应力、孔隙气 压和孔隙水压。所有部件组成闭合的反馈控制系统，可以 在三轴应力空间进行应变控制和应力路径试验。一块高进 气值陶瓷板用环氧树脂密封到三轴室底座上。在底座上刻 有螺旋型的凹槽，作为充水分隔室和用来冲洗可能由于孔 隙空气通过陶瓷板扩散而聚集的气泡。
基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响
近年来，关于吸力对抗剪强度的贡献，沈珠江认为双曲线公 式可能更实用：
tus1duauauwuwtan '
在第一届非饱和土国际会议上，许多学者建议了非饱和 土抗剪强度的非线性表达式，Rohn和Vilar认为抗剪强度 与吸力之间可能存在双曲线关系。缪林昌等也给出了双曲 线公式。
基质吸力的描述-土水特征曲线
基质吸力与土的含水率有关
基质吸力与土的含水率 有关，它与含水率之间的关 系曲线称为土水特征曲线。
由图可见，同一土体随 着含水率的降低，基质吸力 升高。同一土体基质吸力随 含水率变化还与脱水、吸水 过程相关。不同土体在同一 含水率下的基质吸力大小不 相等.
基质吸力的描述-基质吸力的大小
扩散空气体积指示器可用来量测这部分气泡的体积。根据 轴平移原理，可以通过一个水压控制器和一个气压控制器 来实现对基质吸力的控制。水压控制器通过陶瓷板和充水 分隔室在试样底部进行孔隙水压的量测和控制，气压控制 器通过试样顶部的多孔过滤板进行孔隙气压的控制。
基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响
非饱和土三轴试验与饱和土三轴试验最大的区别就是非饱 和土中存在吸力，一般来说,研究非饱和土体的吸力就是 指研究它的基质吸力,所以，基质吸力在控制非饱和土的 渗透特性和力学性状方面起着十分重要的作用。
基质吸力对非饱和 土的影响
基质吸力的描述
基质吸力随土中含水量增加而降低，因而是不稳定的 。膨胀土和黄土随温度的增加而强度显著降低，非饱和土 基坑雨季容易发生事故，花岗岩残积土边坡暴雨容易发生 浅层滑坡，都和基质吸力的降低有关。总之，把握好基质 吸力是非饱和土研究的重要环节。
不同学者对基质吸力下的定义不同，但基本上都认为
任意区域 表面张力合力= 0
p内= p外
凹液面受到指向液体
p
外部的合力 p
p内< p外
附加压力 p p内 = p外 + p
基质吸力的描述-非饱和土体的基质吸力大小与土体的深度呈现一定的关系
理想化的基质吸力分布
处于地下水位以上的 非饱和土体的基质吸力大 小与土体的深度呈现一定 的关系。假定土壤地表基 质吸力为So , 地下水位处 基质吸力为0, 基质吸力从 地表至地下水位处线性减 小。
基质吸力的描述-土基质对水的吸持潜能与土体的含水率有关
土基质对水的吸持潜能与土体的含水率有关。由于饱 和土体所有孔隙都已经被水占据，因此没有吸水的能力了 ，所以，我们认为饱和土的基质吸力等于0。而非饱和土 的孔隙并没有被全部占据，所以具有吸水的潜能，基质吸 力大于0。
基质吸力的描述-基质吸力的大小主要是针对弯液面处的压力差而言的
基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响
Bishop提出了最早的非饱和土有效应力强度公式，吸力项 对抗剪强度的影响可表示为
usuauwtan'
式中： t u s 为吸力对抗剪强度的贡献， u w 为孔隙气压力，u a
为孔隙水压力， 系数为有效应力系数，它的物理意义是 单位面积上水压力作用面积，其数值取决于土的类别、饱 和度、干湿循环以及加载和吸力的路径，对于饱和土 =1，干土 =0，通常情况下
非饱和土三轴试验
三轴试验是非饱和土室内测量土抗剪强度最常用的试验方 法之一，已有的三轴试验方法很多，但其基本原理都是相 同的。三轴试验的试件是圆柱形的，试件外面包有橡皮膜 。并放置在三轴受压室中进行试验，三轴受压室中充满水 ，通过水施加恒定的周围压力，通过试件顶面接触的加荷 活塞在实践上施加轴向应力。根据非饱和土在三轴试验中 的排水情况不同，三轴试验可以分为固结排水试验，常含 水量试验，固结不排水试验，不排水试验，无测限压缩试 验。由于非饱和土三轴试验需要直接测量或控制吸力，因 此，必须对常规三轴仪进行改造。
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。
基质吸力的描述-基质吸力可以看作是土基质对水的吸持潜能
基质，是指细小的土颗粒。基质吸力可以看作是土基 质对水的吸持潜能。土基质吸持水分的机理十分复杂，但 可概括为吸附作用和毛细作用。单纯使用毛细模型来解释 和表达基质吸力具有一定的局限性，但是由于毛细作用的 机理比较清楚，数学处理也比较便利，所以在非饱和土力 学的定量研究中常常还是将基质吸力作用等同于毛细效应 。
基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响
Fredlund提出非饱和土剪切强度能够利用饱和土剪切强度 参数和土水特征曲线计算出来，即从吸力作用面积随饱和 度减少而减少的理论出发，建议了下列非线性强度公式余 饱和度。
式中 ：c' sutanua' -u uaw 是ta 吸n力'S 0 u 1 s s sr r ds
0 1
基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响
Frealun质吸力 ua uw来定义非饱和土抗剪强度。吸力对抗剪强度
的贡献可以表达为
usuauwtanb
式中 u s 为非饱和土剪切强度； b 为相对于基质吸力的剪
切摩擦角，ua uw为破坏面的基质吸力。
基质吸力的大小，一般不采用
去计算
，而是通过室内测量或者现场测量去量测，测定的方法一
般有张力计法，滤纸法，热电阻法，压力陶瓷板法，这里
不做说明。值得一提的是，低饱和度时，负孔隙水压力可
达到很高的负值，约为7000kpa，由此也可见基质吸力对
土的应力状态有着重大的影响。
基质吸力的描述-总结
综合考虑以上几点，可以看出，基质吸力的本质可以 看成是由于水液面存在表面张力而发生的毛细效应。基质 吸力的大小始终考虑的是水气界面的效应。土体含水率降 低时，孔隙中气体增多，毛细管增多，毛细效应增强，基 质吸力增大。基质吸力的增大导致水平应力的减小。土体 最终在干湿循环，水分蒸发下产生裂隙。
基质吸力的大小主要是针对弯液面处的压力差而言的 。弯液面又称水-气界面，收缩膜（非饱和土研究中的第 四相）。与大气接触的水平面处的水压为0。而与大气接 触的弯液面的水压相对气压是负值。这说明弯液面处存在 压力差。
基质吸力的描述-基质吸力的大小主要是针对弯液面处的压力差而言的
平面
p外
p内
凹面
p外
p内 p
。
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。
非饱和土三轴试验
下图为非饱和土三轴试验系统。系统包含了 1 个三轴室 、4 个压力控制器、6个传感器、1 个数字传感器接口、1 台计算机、1 套新型双室总体变量测系统和 1 个扩散空 气体积指示器，4 个控制器包括 2 个气压控制器和 2 个 水压/体积控制器，可单独控制室压、轴向应力、孔隙气 压和孔隙水压。所有部件组成闭合的反馈控制系统，可以 在三轴应力空间进行应变控制和应力路径试验。一块高进 气值陶瓷板用环氧树脂密封到三轴室底座上。在底座上刻 有螺旋型的凹槽，作为充水分隔室和用来冲洗可能由于孔 隙空气通过陶瓷板扩散而聚集的气泡。
基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响
近年来，关于吸力对抗剪强度的贡献，沈珠江认为双曲线公 式可能更实用：
tus1duauauwuwtan '
在第一届非饱和土国际会议上，许多学者建议了非饱和 土抗剪强度的非线性表达式，Rohn和Vilar认为抗剪强度 与吸力之间可能存在双曲线关系。缪林昌等也给出了双曲 线公式。
基质吸力的描述-土水特征曲线
基质吸力与土的含水率有关
基质吸力与土的含水率 有关，它与含水率之间的关 系曲线称为土水特征曲线。
由图可见，同一土体随 着含水率的降低，基质吸力 升高。同一土体基质吸力随 含水率变化还与脱水、吸水 过程相关。不同土体在同一 含水率下的基质吸力大小不 相等.
基质吸力的描述-基质吸力的大小
扩散空气体积指示器可用来量测这部分气泡的体积。根据 轴平移原理，可以通过一个水压控制器和一个气压控制器 来实现对基质吸力的控制。水压控制器通过陶瓷板和充水 分隔室在试样底部进行孔隙水压的量测和控制，气压控制 器通过试样顶部的多孔过滤板进行孔隙气压的控制。
基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响
非饱和土三轴试验与饱和土三轴试验最大的区别就是非饱 和土中存在吸力，一般来说,研究非饱和土体的吸力就是 指研究它的基质吸力,所以，基质吸力在控制非饱和土的 渗透特性和力学性状方面起着十分重要的作用。
基质吸力对非饱和 土的影响
基质吸力的描述
基质吸力随土中含水量增加而降低，因而是不稳定的 。膨胀土和黄土随温度的增加而强度显著降低，非饱和土 基坑雨季容易发生事故，花岗岩残积土边坡暴雨容易发生 浅层滑坡，都和基质吸力的降低有关。总之，把握好基质 吸力是非饱和土研究的重要环节。
不同学者对基质吸力下的定义不同，但基本上都认为
任意区域 表面张力合力= 0
p内= p外
凹液面受到指向液体
p
外部的合力 p
p内< p外
附加压力 p p内 = p外 + p
基质吸力的描述-非饱和土体的基质吸力大小与土体的深度呈现一定的关系
理想化的基质吸力分布
处于地下水位以上的 非饱和土体的基质吸力大 小与土体的深度呈现一定 的关系。假定土壤地表基 质吸力为So , 地下水位处 基质吸力为0, 基质吸力从 地表至地下水位处线性减 小。
基质吸力的描述-土基质对水的吸持潜能与土体的含水率有关
土基质对水的吸持潜能与土体的含水率有关。由于饱 和土体所有孔隙都已经被水占据，因此没有吸水的能力了 ，所以，我们认为饱和土的基质吸力等于0。而非饱和土 的孔隙并没有被全部占据，所以具有吸水的潜能，基质吸 力大于0。
基质吸力的描述-基质吸力的大小主要是针对弯液面处的压力差而言的
基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响
Bishop提出了最早的非饱和土有效应力强度公式，吸力项 对抗剪强度的影响可表示为
usuauwtan'
式中： t u s 为吸力对抗剪强度的贡献， u w 为孔隙气压力，u a
为孔隙水压力， 系数为有效应力系数，它的物理意义是 单位面积上水压力作用面积，其数值取决于土的类别、饱 和度、干湿循环以及加载和吸力的路径，对于饱和土 =1，干土 =0，通常情况下