非饱和土力学03-吸力与SWCCPPT
第三章-吸力的量测与控制
冷却一旦停止，量测接点凝结水便开始向大气蒸发，接点温度降到 露点以下，微电压表记录电动势（为量测接点与基准接点的温差的函数） Seeback效应微电动势最大值为周围大气相对湿度的函数，大气愈干， 输出微电压愈大； 一旦达到最大值，微电压读数便迅速下降，输出下降表明，量测接 点迅速上升，达到周围或基准点温度。
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二、滤纸法
量测原理
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二、滤纸法
量测方法
滤纸法使用的设备包括：大、小金属容器，绝缘箱， 天平及烘箱。 通常做法是使用干滤纸使其从土样中吸收水份以达到 平衡。率定曲线都是用起始状态为干的滤纸进行率定 得到的。因此如果量测吸力时采用起始状态为湿的滤 纸，则需要用起始状态为湿的滤纸建立新的率定曲线。
式中 为含水量；s为饱和含水量；r为残余含水量； a、n、m分别为拟合参数，其中m=1-1/n；s为吸力， 取正值。
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二、滤纸法
国内学者王钊等人使用“双圈”分析滤纸得到的率定 曲线为：
相应的率定曲线如图所示。
毛细作用 吸附水膜
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二、滤纸法
改进滤纸法
王钊等研制了一种用橡皮气囊加压使滤纸与土孔壁紧密接触，经 过平衡时间后，放气取出滤纸测其含水量，通过率定曲线求基质 吸力的仪器。
log s 5.334 0.0882w f log s 2.478 0.0165w f
ASTM
当 w f 45.3% 当 w f 45.3%
当 w f 39.8% 当 w f 39.8%
Am raoui
其中 s 是土样中的吸力（kPa），wf 为滤纸的含水量（%）。
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二、滤纸法
而在国内此部分工作也有一些文献报道，原武汉水利电 力大学曾进行过此项工作，中国辐射防护研究院也曾对 国产滤纸（杭州新华造纸厂生产的“双圈”分析滤纸） 进行了吸力率定。考虑到在土壤水分特征曲线试验中， 一般用M公式进行拟合，对于试验结果，他们也用之进行 了拟合。拟合公式为：
非饱和土的吸力与强度理论研究及其试验验证
非饱和土吸力与强度理论研究
1、非饱和土吸力与强度理论基 本概念及存在的问题
1、非饱和土吸力与强度理论基本概念及存在的问题
非饱和土吸力是指土壤在未达到饱和状态时，土壤颗粒之间的负压力，是土 壤水分特征曲线的重要参数之一。非饱和土强度理论主要涉及土壤的抗剪强度和 抗压强度，是指土壤在承受外部荷载时的抵抗力。当前非饱和土吸力与强度理论 的研究存在以下问题：
2、非饱和土吸力与强度理论模型
（3）结合了土壤颗粒间表面能作用和有机质含量、电解质浓度等参数，使模 型能够更全面地反映非饱和土的性质。
3、新旧模型的对比分析
3、新旧模型的对比分析
与传统的非饱和土吸力与强度理论模型相比，新模型具有以下优势：
（1）考虑的因素更加全面，提 高了模型的普适性；
（1）考虑的因素更加全面，提高了模型的普适性；
2、试验操作和数据采集方法
通过对试验数据的分析和对比，我们发现新模型在预测和描述非饱和土吸力 与强度方面具有较高的精度和可靠性。具体而言，新模型能够较好地预测不同类 型土壤在不同含水率条件下的吸力、抗剪强度和抗压强度等参数。此外，新模型 还能更好地解释土壤性质对非饱和土吸力与强度的影响机制。
谢谢观看
（3）引入了有机质含量、电解质浓度等重要参数，以全面反映非饱和土的物 理和化学性质对吸力和强度的影响。
2、非饱和土吸力与强度理论模型
新模型相比传统模型的优点在于：
2、非饱和土吸力与强度理论模型
（1）考虑了更多影响非饱和土吸力与强度的因素，提高了模型的普适性。
2、非饱和土吸力与强度理论模型
（2）引入了土壤水势等重要参数，更准确地描述了非饱和土壤中水分子的运 动状态及其对土壤吸力和强度的影响。
1、非饱和土吸力与强度理论基本概念及存在的问题
非饱和土土力学新PPT课件
1. 弗雷德隆德（Fredlund,D.G）、拉哈尔佐（Rahardjo,H.)著, 陈仲颐、张在明等合译，《非饱和土土力学》，中国建筑工业 出版社，1997.8
2. 卢宁（Ning Lu)、William J.Likos著，韦昌富、侯龙、简文星 译，《非饱和土力学》，高等教育出版社，2012.6
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非饱和土土力学理论
4、非饱和土的应力应变关系及本构模型
（3）弹塑性模型（Sheng Daichao）
非饱和土应力应变关系
前期固结压力 残余吸力
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非饱和土土力学理论
4、非饱和土的应力应变关系及本构模型
（3）弹塑性模型（Sheng Daichao）
屈服面方程
接近饱和时吸力 饱和时屈服压力 参考压力
f
(
uw) tan' C0 tan'
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非饱和土土力学理论
3、非饱和土的强度理论
（4） 直接用含水量表示的抗剪强度公式
缪林昌结合Bishop公式和Fredlund公式，直接用含水量或饱和度来表示非饱和土的强度：
f cw tanw
lg c a1 b1w
lg a2 b2w
f c tan A110B1w tan(A210B2w)
Se
Se
A11
B1
0
Gs
B2
t an(A210
Gs
)
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非饱和土土力学理论
3、非饱和土的强度理论
（5）陈正汉等认为，土的强度随温度和吸力的升高而增大，重塑黄土的凝聚力随 吸力增加而提高，内摩擦角则基本不变，据此建立了土的广义抗剪强度公式：
基质吸力对非饱和土的影响.ppt
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
No Image
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-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 。
为孔隙水压力为孔隙水压力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?为吸力对抗剪强度的贡献系数为有效应力系数系数为有效应力系数它的物理意义是为孔隙气压力它的物理意义是usaw?????usauwu??壁虎王子?01???基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响?frealund等提出了两个独立变量即净正应力质吸力来定义非饱和土抗剪强度
非饱和土力学(同济大学)
非饱和土力学同济大学地下建筑与工程系2006年10月第一章绪论非饱和土分布十分广泛，与工程实践紧密联系的地表土几乎都是非饱和土。
干旱与半干旱地区，由于蒸发量大于降水量，地下水位较深，这些地区的表层土是严格意义上的非饱和土；土坝、铁路和公路路基填土，机场跑道的压实填土都是处于非饱和状态，亦即非饱和土；即使是港口平台、管道等离岸工程中所遇到的土，往往是含生物气的海相沉积土，其孔隙中含有以大气泡（气泡直径远大于土粒直径）形式存在于孔隙中的生物气；另外，在地下水面附近的高饱和土体，其孔隙水中溶解了部分以小气泡（气泡直径与土粒粒径相当）形式存在于孔隙中的气体，土体卸载以后（取样或开挖等），溶解于孔隙水中的气体逸出，以气泡形式存在于孔隙水中，这两种含气泡的土也应属于非饱和土。
可见，非饱和土才是工程实践中经常遇到的土，饱和土是非饱和土的特例，真正意义上的饱和土在工程实践中很少见到。
土力学发展至今，已形成了一套完善、独立的理论体系。
然而，迄今为止的土力学主要是把其研究对象——土，视为两相体，即认为土是由土粒和孔隙水组成。
严格的讲，迄今为止的土力学只能称之为饱和土力学。
然而，实际工程中遇到的土多是以三相状态(土粒、孔隙水、孔隙气)存在。
经典的饱和土力学原理与概念并不完全符台其实际性状。
有人甚至认为在土中水一气的结合面上还存在第4相一水气结合膜。
土中气相的存在，使得土体性质复杂、性状多变。
将土作为饱和土对大多数工程来讲是一种合理的简化，但是，随着研究的逐渐深入，人们已经注意到，对于某些特殊区域或特殊性质的土，这种简化将造成研究理论的失误。
如在膨胀土地基基础的设计中。
如果单纯按照膨胀土的现有强度进行设计，则有可能将强度参数估计过高，不安全；如果按其最低强度进行设计，又将造成浪费。
因此，合理地提出膨胀土在不同状态下的强度参数是工程的客观需要。
此外，膨胀土等非饱和土的变形性能也随饱和度而变化。
这些问题都是饱和土力学难以解决的。
毛细作用于吸力(非饱和土力学)
REV = Representative Elemental Volume
Air Contractile skin Soil particles -Two Phases that deform and come to rest under a stress gradient (SOLIDS) -Soil structure -Contractile skin Water -Two phases that continuously flow under a stress gradient (FLUIDS) -Water -Air
陶土板的含水率影响其热扩散速率，陶土板干燥时，热扩散慢，
陶土板潮湿时，散热快。利用这一特性，用测热扩散速率的方法 推算陶土板含水率。给陶土板中心部位加一定的热量，如果含水 率高，热量较快扩散开来，几秒钟（如 30s）后，温度传感器测 得的温度就较低；反之，如果含水率低，热量扩散较慢，几秒钟 （如 30s）后，温度传感器测得的温度就较高。如此可建立含水 率与温度的关系。根据测得的温度，知含水率，进而可得吸力。 可用于室内试验，也可用于现场量测。现场量测时，可在钻孔中 插入这样的吸力探头，也可埋在土中的不同深度处，作长期自动 量测，有较广泛的用途。
Ps (u a u w )b 2 T(2b)
理想非饱和土中体积水与毛细水
土中的孔隙是很复杂的，形成了无 数的毛细管。把毛细管用左图所示的 下部浸水的半径为r的圆管代替，在 这个简化的毛细管圆管中，水可以上 升到某一高度，这叫做毛细管作用。 毛细管作用是因为水的表面张力作用 而产生的现象。水的表面张力，是因 为水分子引力作用产生的沿着水表面 的一种张力，可以形象地理解为在水 的表面粘有一层薄薄的橡胶膜一样的 东西，薄水膜粘在圆管的内壁上，由 于表面张力的作用，把圆管内的水向 上拉，使水位上升
非饱和土力学 pdf
非饱和土力学是土力学的一个分支，主要研究非饱和土的力学性质和行为。
非饱和土是指土壤中的孔隙部分被空气和水占据，而不是完全被水填满的情况。
非饱和土力学涉及以下方面的研究：
1.水分特征曲线：描述土壤中水分含量与吸力之间的关系，对于理解土壤的水分状态和流动特性非常重要。
2.吸力：非饱和土中的吸力是指土壤对水的吸引力，它是由土壤颗粒表面的吸附力和毛细作用产生的。
3.强度和变形特性：研究非饱和土的强度、变形和固结行为，以及吸力对这些特性的影响。
4.渗流和固结：探讨非饱和土中的水分流动和固结过程，包括渗流速度、固结系数等参数的确定。
5.边坡稳定性：研究非饱和土边坡的稳定性问题，考虑吸力和水分对边坡稳定性的影响。
6.地下水位变化：分析地下水位升降对非饱和土的力学响应和变形的影
响。
7.数值模拟和实验技术：开发用于研究非饱和土力学问题的数值模型和实验方法。
非饱和土力学在土木工程、地质工程、环境工程等领域具有重要应用，例如地基基础设计、边坡稳定性分析、地下水资源管理和环境修复等。
深入研究非饱和土力学对于确保工程的安全性和可持续性至关重要。
毛细作用于吸力(非饱和土力学)
第一节 毛细管作用和吸力
饱和土力学讨论了地下水位以下水的 流动， 土的变形和强度。 非饱和土力学研究从地表面到地下 水面之间土的性质。 这部分土的孔隙中，通常同时存在 着水和空气，呈非饱和状态。可以认 为，这部分土中的水来源于地表面雨 水等的渗透和由于毛细管的作用地下 水对它的补给
照片是用圆铝棒堆积层模拟土的二维模 型，在圆铝棒堆积层中加水，粒子间的孔 隙中有水吸附。从相片中可以观察到，粒 子接点处积聚着水，形成了弯液面
hc C /(ed10 )
C是由土颗粒的粒径和表面粗糙程度等因素决定的系数， C在0.1～0.5cm2的范围内变化。根据上式可以推算出土 中毛细管上升高度hc的大致值。如果假设粘土地基的 d10≈1μm=10-4cm、e≈1，C=0.05cm2时，可得hc=5m
大气压力pa与弯液面下面的水压力uw及表面张力T 的关系。根据力的平衡
陶土板的含水率影响其热扩散速率，陶土板干燥时，热扩散慢，
陶土板潮湿时，散热快。利用这一特性，用测热扩散速率的方法 推算陶土板含水率。给陶土板中心部位加一定的热量，如果含水 率高，热量较快扩散开来，几秒钟（如 30s）后，温度传感器测 得的温度就较低；反之，如果含水率低，热量扩散较慢，几秒钟 （如 30s）后，温度传感器测得的温度就较高。如此可建立含水 率与温度的关系。根据测得的温度，知含水率，进而可得吸力。 可用于室内试验，也可用于现场量测。现场量测时，可在钻孔中 插入这样的吸力探头，也可埋在土中的不同深度处，作长期自动 量测，有较广泛的用途。
F (ua uw ) a T (2a )
2
F可表示成ua-uw和表面张力T的函数，所以粒子 间的结合力F与水的表面张力、粒径和附着于 粒子接触点附近的水量等因素有关
非饱和土
1试述吸力的概念、种类及其定义。
能使土中水移动的除了重力、压力、荷载外，就是吸力。
它是吸引水移动的一种能力，反映土中水的自由能状态。
总吸力可分基质吸力和溶质吸力两部分。
当土为非饱和时，孔隙中的水与毛细管中的水一样，存在弯液面，其上的水蒸气压力u v ，要小于土处于饱和状态(相同水质)时(即水面水平)，水面上方的蒸气压力u v0。
表示毛细压力S 的存在使相对湿度降低。
毛细压力是产生吸力的重要因素，称为基质吸力。
当水中含盐且水面水平时，水面上方的蒸气压力u v1，又要小于纯净水水面水平时，上方的蒸气压力。
故土壤水含盐时，相对湿度会降低，即吸力会升高，与溶质种类及浓度有关，称为溶质吸力。
对于一般工程问题，溶质吸力可忽略，仅仅考虑基质吸力。
2非饱和土的强度与哪些因素有关？何为双参数理论？在非饱和土体内任一平面上有三个法向应力变量，即σ，u a 和u w 。
而三个变量中任两个的组合可用来规定非饱和土的应力状态,推荐用σ-u a 和u a -u w 的组合，这是因为在大多数实际问题中孔隙气压力是大气压力,非饱和土的强度是由有效凝聚力c ,外荷引起的有效应力σ-u a 产生的剪阻力内部有效应力(u a -u w =s)产生的剪阻力三部分组成的, , c ’和υ可由饱和土的常规CU 试验测定。
吸力产生的剪阻力仅增加了纵轴的截距，可把它看作属于凝聚力项。
,非饱和凝聚力c ”并不随吸力无限增加，而是趋向一定值.3. 产生湿化变形的原因。
4饱和土用的三轴仪与饱和土用三轴仪，有哪些不一样？有2点：1,它必须能分别量测或控制孔隙水压力和孔隙水压力，从而得出吸力。
这就要用陶土板将孔隙水压力和孔隙气压分开来测。
2，它不能依据试样提出的水量来推出试样的体积变形，试样非饱和，受荷后除了排水还要排气。
它必须用另外的途径来测体积变形有2种方式：一种是利用压力室水体积的变化来测体积变形，另一种是用位移传感器测试样高度和周长的变化。
5. 何为土的水分特征曲线？ 怎么表示？吸力S 与土的含水率w 有关，在量测吸力的同时，要立即测相应的含水率。
非饱和土力学ppt课件.ppt
• 非饱和土基本特性的学习／2、非饱和土的吸力特性
土－水特征曲线形态的重要参数
由于土中的水分可以有 结晶水、吸着水、结合水（薄膜水）和自由水等
具有不同属性的不同类型。 含水量变化时，土中水有不同的类型，气有不同的连通，
孔隙水压力和孔隙气压力分别在土的孔隙水体 和孔隙气体中是各向等压的静水压力型应力
孔隙水压力和孔隙气压力 各自作用在其与土颗粒接触部分的表面上， 其差值对土骨架的作用不会是各处相等的。
当孔隙水为弯液面环状水时，吸力只在接触点的 法向上作用；当孔隙水为有弯液面的体积水时， 所产生的吸力必然有法向和切向两个方向上分力 的作用。国内也出现了湿吸力与牵引力的提法（汤连生）。
单一有效应力型的应力状态变量
人们在寻求非饱和土的应力状态变量时，首先想到了 单一有效应力型的应力状态变量
它不是一般的纯力学量，而是一个材料有关的力学量，与材料 的本构关系有着密切的联系（如饱和土力学中的有效应力）。 研究提出具有真实合理性的有效应力表达式是当前的主要任务。
对已经提出的各种表达式还需要作出认真的选择与检验。
导致了非饱和土十分复杂的力学性质。
• 非饱和土基本特性的学习／2、非饱和土的吸力特性
2、非饱和土的吸力特性
非饱和土的土水势一般包括 温度势、压力势、重力势、基质势和溶质势
在等温、等压、等高（不计重力）的情况下， 土中水的温度势、压力势、重力势保持不变，
自由能的变化只有基质势和溶质势的变化。
如将它们分别称之为基质吸力和溶质吸力， 它们之和，即此时的自由能，称为总吸力，则有
应该取决于各自的相对压缩性。
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
长春地区非饱和粉质黏土的土-水特征试验研究
长春地区非饱和粉质黏土的土-水特征试验研究
郭浩天;江珊;李向群
【期刊名称】《吉林建筑大学学报》
【年(卷),期】2024(41)2
【摘要】土-水特征曲线(SWCC)是反映非饱和土工程特性的重要表现形式。
为研究长春地区非饱和土的土-水特征曲线变化,以长春地区广泛分布的粉质黏土作为研究对象,采用GEO-Experts压力板仪和GDS非饱和土三轴仪对不同初始含水率的土体进行土-水特征曲线的测量分析。
结果表明:不同设备所测得的结果基本一致,土体的进气值均在基质吸力25 kPa左右时达到。
土体的体积含水率均随基质吸力的增加而减小,土-水特征曲线均在基质吸力为125 kPa时出现明显拐点。
同一含水率土样,GEO-Experts压力板仪的排水体积比GDS非饱和土三轴仪多,压力板仪所对应的体积含水率相对较低。
【总页数】7页(P58-64)
【作者】郭浩天;江珊;李向群
【作者单位】吉林建筑大学测绘与勘查工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU411
【相关文献】
1.非饱和粉质粘土的土水特性试验研究
2.三门峡地区黄土状粉质黏土非饱和性质试验研究
3.非饱和重塑黏土在不同击实条件下的土水特征曲线试验研究
4.新疆伊犁
地区低液限粉质黏土土水特征曲线试验研究5.黄泛区非饱和砂质粉土的土-水特征曲线试验研究
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非饱和土力学-第三节渗透性 Color
导水率
k ()
非饱和土的渗透系数显然受饱和度影响。饱和度低，孔隙中的气 占据了较大的体积，阻碍水的流动，过水断面面积也缩小，自然 渗透系数低。
与θ有关，通过实验得出实验曲线，然后 拟合出经验公式，常用的形式有：
n k() k s ( ) k sSn r s
k ()
or
a k (s) n s b
uw
w (hp 3 hp 4 ) 2
i
hw3 hw 4 d
试样的气压力由水银柱 高差hm求得 ua m hm
q Vd 渗透系数： K w i At (hw3 hw 4 )
不同的吸力S，用上述方法测得不 同的渗透系数，建立Kw--S关系， 如图所示。土的干密度不同，曲线 有所不同。
2 r
)
se 2 se 2 k a K d [1 ( ) ] [1 ( ) ] s s
Kd—干土时的透气 系数
Sr Sl Se 1 Sl
气的渗透系数随含水率急剧
变化。图是一种土的水渗透 系数和气渗透系数试验结果。
关于气的渗透流动，往往只
在非饱和土固结计算中要反 映固、液和气的耦合作用时 才考虑，通常所要计算的渗 流问题还是指水的渗流。
非饱和土的含水量表示
即重量含水量w=mw/ms 非饱和土力学，用水的体积与土体体积之比表 示更为方便，即体积含水量 Vw / V 。w 与θ 之间有以下换算关系
土的含水量通常用水重与干土重的比值来表示，
d w
d 为土体干密度， w 为水的密度。
体积含水率
Vw / V nSr
c为空气浓度，是绝对气压的函数，c=f(ua)；
为沿y方向的浓度梯度; u ua为空气压力； y 等为沿y方向空气压力梯度。 式中负号表示沿浓度梯度减小的方向流动。
冻融循环对非饱和粉质粘土SWCC及强度的影响
地下空间与工程学报Chinese Journal of Underground Space and Engineering 第16卷第6期2020年12月Vol. 16Dec.2020冻融循环对非饱和粉质粘土 swcc 及强度的影响崔宏环秦晓鹏2,王文涛2,邢辰2(1.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北张家口 075000； 2.河北建筑工程学院土木工程学院，河北张家口 075000)摘要：为研究季冻区非饱和粉质黏土在冻融条件下的土-水特征曲线及强度的变化，对季 冻区非饱和粉质粘土的SWCC ( 土-水特征曲线)和强度进行了测量，观察了冻融循环次数及冻结负温对非饱和路基粉质黏土土-水特征曲线及强度的影响。
研究表明：非饱和粉质黏土的土-水特征曲线用Gardner 模型进行拟合效果良好；土-水特征曲线受冻融循环次数和冻结负温 的影响较大，其强度随冻融循环次数的增加呈先减小后趋于稳定的趋势，冻融一次以后其强度降低最为明显，并且冻结负温为-10七时其粘聚力损伤值最大。
由基质吸力引起的累计粘聚力损伤值随冻融循环次数增加呈线性增加，随冻结负温减小成指数型增加。
关键词:土-水特征曲线；非饱和土；冻融循环；强度中图分类号:TU411文献标识码：A文章编号:1673-0836( 2020)06-1722-07Effect of Freeze-thaw Cycle on SWCC and Strength of Unsaturated Silty ClayCui Honghuan 1'2 , Qin Xiaopeng 2, Wang Wentao 2, Xing Chen 2(1. Hebei Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Diagnosis , Reconstruction and Disaster Resistance , Zhangjiakou ,Hebei 075000, P.R. China ; 2. College of Civil Engineering , Hebei University of Architecture , Zhangjiakou , Hebei 075000,P.R. China )Abstract : To investigate the influence of freezing-thawing conditions on the soil-water characteristics andstrength of unsaturated silty clay in the seasonal frozen soil area. The soil-water characteristic curve of unsaturated silty clay for the seasonal frozen area was measured to observe the influence of different freeze-thaw cycles and different negative freezing temperatures on the soil-water characteristic curve and strength of unsaturated silty clay.The results show that the Gardner model can obtain good fitting results by fitting the soil-water characteristic curve of unsaturated silty clay. The unsaturated soil-water characteristic curve is greatly affected by the number of freezing thawing cycles and freezing negative temperature. Along with the increase in the number of freeze-thaw circulation on its strength decreases before stabilizing trend , the intensity of freeze-thaw decreased most obviously after one time ,and freeze the negative temperature was minus 10 when the cohesive force of lower is most obvious. The cumulative cohesive damage caused by niatric suction increases linearly with the number of freeze-thaw cycles and exponentially with the decrease of negative freezing temperature.Keywords : soil-water characteristic curve ; unsaturated soil ; freeze-thaw cycle ; strength*收稿日期：2020-07-06(修改稿)作者简介:崔宏环(1974-),女，河北张家口人，博士.教授，主要从事非饱和土与路基路面工程本构模型研究。
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Suction
孔隙水与土颗粒间 相互作用而产生的 吸力中的各个部分
毛细作用 吸附作用
因溶质溶解作用 而产生的吸力
渗透作用
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1. 吸力的概念
基质吸力的探讨 Matric suction
➢ 源自毛细与短程吸附综合作用的吸力通常定义为基质吸力， 它具有与压力一样的单位。
➢ 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。
力学角度对土的吸力及其组成下来定义。这些定义已在岩 土工程学中被广泛接受。
➢ 土中吸力反映土中水的自由能状态
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1. 吸力的概念
自由能
➢ 什么是自由能？ free energy
在热力学当中，自由能指的是在某一个热力学过程中，
系统减少的内能中可以转化为对外做功的部分，它衡量的 是：在一个特定的热力学过程中，系统可对外输出的“有 用能量”。
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1. 吸力的概念
孔隙水总势能
p T g o c ad
➢ 忽略温度、重力与惯性的影响，促使土体孔隙水势能降低 的主要因素有： 渗透作用——孔隙水中溶质溶解的结果 毛细作用——水-气交界面曲率以及负孔隙水压力 吸附作用——固-液（即土中孔隙水）交界面附近的电场 与范德华力场作用而产生
1. 吸力的概念
基质吸力的探讨
➢ 基质吸力中的毛细部分和粘吸部分在概念上的区分是明显的，但难以 通过试验手段加以区分
➢ 基质吸力中的各个部分对非饱和土行为影响的机理并不相同。对于低 塑性的或较高含水量下的土体，基质吸力中毛细部分占支配地位；然 而对于高塑性的粘土或较低含水量下的土体，基质吸力中粘吸部分占 支配地位。
c (ua uw )
➢ 通常，基质吸力中的毛细部分可表示为：
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1. 吸力的概念
基质吸力的探讨
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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。
d G dWi S dT V d P
温度 压力 ➢ 产生土体总吸力的物理与化学作用机理就是相对于自由
水状态来说，土中孔隙水势能的减少量
➢ 土中水的总势能可以表示为
p T g o c ad
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1. 吸力的概念
孔隙水总势能
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1. 吸力的概念
孔隙水总势能——单位
➢ 化学势能反映每单位质量所包含的能量，J/mol或J/kg； ➢ 压力势能反映每单位体积所包含的能量，J/m3=N/m2=Pa； ➢ 水头势能反映每单位重量所包含的能量，J/N=m。 ➢ 势能 、压力 和水头 的单位间具有如下关系
孔隙水势能——渗透作用
➢ 随着溶液溶质浓度的增加，渗透压力也逐渐增加，相 应的孔隙溶液的化学势能却降低
➢ 当土中有化学溶液输运时，土中孔隙水的化学溶度发 生改变，此时渗透吸力对土的性质具有较大的影响。 然而就其它情况而言可忽略吸力中的渗透部分。
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1. 吸力的概念
孔隙水势能——毛细作用
➢ 随着交界面曲率的增大（意味着含水量降低，负孔隙水 压力的数值变得更大），化学势能会显著降低
也可以用饱和度表示
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2. 土水特征曲线
土水特征曲线
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2. 土水特征曲线
土水特征曲线
➢ 用于描述吸力与含 水量之间本构关系 的函数曲线
➢ 低含水量—孔隙水 结合水形式存在— 孔隙水势能较自由 水低
➢ 高含水量—孔隙水 以毛细形式存在— 孔隙水势能与自由 水间差值相对较小
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2. 土水特征曲线
基质吸力随着含水 量的增大而减小
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2. 土水特征曲线
土水特征曲线
可以是含 水量或饱
和度
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2. 土水特征曲线
基本变量——含水量与饱和度
含水量
定义:土中水的质量与土粒质量之比, 用百分数表示
表达式: w(%) mw
ms
ma=0 Air
ห้องสมุดไป่ตู้
mw m
Water
饱和度 定义: 土中水的体积与孔隙体 积的比值
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1. 吸力的概念
孔隙水势能——其它势能
➢ 以上两式表明：当水分子相对远离土颗粒表面时，电场和 范德华力引起的化学势能的降低值要远小于水分子靠近土 颗粒表面是化学势能的降低值。
➢ 上述每种作用机理均造成了化学势能的下降，这些下降势 16 能的总和就定义为土水系统的总吸力
1. 吸力的概念
土体的总吸力
土水特征曲线
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2. 土水特征曲线
土水特征曲线
➢ 理想化的土水特征曲线
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三.吸力与土水特征曲线
1. 吸力的概念 2. 土水特征曲线 3. 滞后现象 4. SWCC模型
5. SWCC影响因素
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3. 滞后现象
滞后现象
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3. 滞后现象
滞后现象
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3. 滞后现象
不同类型土的土水特征曲线
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3. 滞后现象
➢ 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。
➢ 将基质吸力引入到非饱和土及土体变形强度稳定的研究与 分析中去是当前非饱和力学研究发展的一条基本线索
滞后原因
➢ Fredlund(2000)总结了SWCC出现的滞后效应的原因，主要包 括:
➢ (1)孔隙尺寸分布不均匀。 在湿化过程中，水将首先进入湿锋附近的小孔隙，并将 其充满，然后再充满大孔隙。这是因为在小孔隙中的孔 隙水具有最低的化学势（最稳定），而在大孔隙中孔隙 水化学势较高。
在干燥过程中，位于大孔隙中的孔隙水首先排出来，然 后再轮到小孔隙排水，孔隙内的气体就有可能会沿着连 通大孔隙形成连通的气流路径，从而阻隔了小孔隙的进 一步排水，使得孔隙水在孔隙介质中呈块状分布。然而， 在湿化过程中，由于小孔隙首先被充满，所以不会形成 上述水流通路阻隔现象，使得孔隙水分布相对比较均匀。
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4. SWCC模型
SWCC模型
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(Pham, et al,2005)
4. SWCC模型
SWCC模型
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(Pham, et al,2005)
4. SWCC模型
SWCC模型——经验模型
曲线拟合公式
代表性模型：Scott等(1983)提出的比例缩放模型 有一些研究者在Scott模型基础之上做出了一些修正，如
➢ 现有的滞后模型主要包括以下几种类型： 经验模型 域模型 理论外推模型 边界面模型
➢ 参考文献：Pham H Q, Fredlund D G, Barbour S L . A study of
hysteresis models for soil-water characteristic curves. Canadian Geotechnical Journal, 2005, 42(6): 1548-1568
Kawai等(2000)，Karube 等(2001) 实际上扫描曲线形状与边界面形状并不完全相符，因此
该类模型的精确度不高，但是由于其简单适用，因此得 到了一定的应用。
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4. SWCC模型
SWCC模型——经验模型
基于干燥/浸润边界的关系进行预测的经验模型
代表性模型：Feng & Fredlund(1999)模型 此类模型主要是对浸润/干燥边界面的描述，缺乏对任意
➢ 通常有 Helmholtz自由能和Gibbs自由能
Helmholtz自由能是等温过程中系统能对外做功的那部
分能量
U TS
Gibbs自由能是恒温恒压过程中，封闭系统由体积功以 外其它广义力所做功的那部分能量
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G PV U TS PV
1. 吸力的概念
自由能的变化
➢ 热力学第一定律——能量守恒 ➢ 热力学第二定律——熵增原理
高等土力学
北京交通大学土建学院岩土工程系
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非饱和土力学理论简介
刘艳 北京交通大学土建学院岩土工程系
Email：yanl@
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三.吸力与土水特征曲线
1. 吸力的概念 2. 土水特征曲线 3. 滞后现象 4. SWCC模型
5. SWCC影响因素
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1. 吸力的概念
1.吸力
➢ 20世纪初，土中吸力的概念已在土壤物理学中得到发展。 ➢ 土的吸力理论主要是同土-水-植物相关连而发展起来的。 ➢ 1956年召开的力学研讨会上，Aitchison的一篇论文从热动
扫描线描述的功能。但是，该模型仅需少数的几个点即 可得出整条曲线。另外，在简化的Feng & Fredlund模型中 可以用一条边界曲线即可拟合另外一条边界线。Feng & Fredlund模型以及后续的简化模型拟合的精度非常高，而 且所需标定的数据较少，因此在边界面的模拟中得到了 广泛的应用。
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1. 吸力的概念
孔隙水总势能
capillary
van der Waals
osmotic
electrical
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1. 吸力的概念
孔隙水势能——渗透作用
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1. 吸力的概念
孔隙水势能——渗透作用
➢ 对更普遍的、非稀释溶液的情况，渗透压力可以表 示为（Shaw，1992）
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1. 吸力的概念
dQ dU dW dQ T dS
➢ Gibbs自由能增量 G U TS PV dG dU T d S S dT PdV V d P dW S dT V d P PdV
d G dWi S dT V d P
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1. 吸力的概念