非饱和土力学03-吸力与SWCC
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
非饱和膨胀土SWCC研究_李志清
第27卷第5期 岩 土 力 学 V ol.27 No.5 2006年5月 Rock and Soil Mechanics May 2006收稿日期：2004-08-16 修改稿收到日期：2004-12-10基金项目：中科院创新项目（No.KZCX3-SW-134）和973项目（No.2002CB412702）资助。
作者简介：李志清，男，1981年生，硕士研究生，主要从事非饱和特殊土方面的研究。
E-mail:lizhiq-2002@ 。
文章编号：1000－7598－(2006) 05－0730－05非饱和膨胀土SWCC 研究李志清1，胡瑞林1，王立朝2，李志祥3(1.中国科学院工程地质力学重点实验室，北京 100029；2.中国地质环境监测院，北京 100081；3.铁道第四勘察设计院，武汉 430063)摘 要：研究土体吸力与含水量关系，对于非饱和土的变形和强度问题，有重要的应用价值。
利用非饱和土三轴仪对膨胀土进行试验研究，比较系统地分析了矿物成分、孔隙结构、土体应力状态、应力历史等因素对土-水特征曲线的影响。
尤其土的矿物成分和孔隙结构是主要的影响因素。
综合考虑各种因素的影响，通过室内和野外吸力量测，对土-水特征曲线进行拟合、比较，建立了幂函数模型。
由土-水特征曲线可知，室内干湿循环土-水特征曲线具有明显的差异性，野外土-水特征曲线的差异性不明显，并与室内浸湿曲线相似。
将野外曲线和浸湿曲线结合起来，推算非饱和状态下土的渗透性、抗剪强度等指标，可以较好地解决岩土力学问题。
关 键 词：非饱和膨胀土；土-水特征曲线；基质吸力；含水量；干湿循环 中图分类号：TU 411 文献标识码：AStudy on SWCC of unsaturated expansive soilLI Zhi-qing 1, HU Rui-lin 1, WANG Li-chao 2, LI Zhi-xiang 3(1.Key laboratory of Engineering Geomechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China; 2.China Institute for Geo-Environmental Monitoring,Beijing 100081, China; 3.The Forth Survey &Design Institute of China Railway, Wuhan 430063, China)Abstract: It has great important application value to study the relations between suction and moisture of unsaturated soil for its deformation and intensity. With the unsaturated triaxial equipment for expansive soil test, we analyze systematicially the multi-factors such as the components of mineral, the structure of hole, the stress state of soil and the stress history etc., which affect soil-water characteristic curve (SWCC). Especially the components of mineral and the structure of hole are primary influential factors. Based on the measurement of matric suction indoor and outdoor, we think over synthetically the effect of multi-factors to fit and compare SWCC, also we build the model of power function. And according to SWCC, the otherness is obvious in the curve of dry-damp circulation indoor and not obvious in the curve outdoor, which is similar to the welter curve indoor. The permeability and shear strength etc. of unsaturated expansive soil can be calculated by combining the curve outdoor with welter curve, which has great superiority in solving problems of geotechnical mechanics.Key words: unsaturated expansive soil; SWCC; matric suction; moisture; dry-damp circulation1 引 言土壤-水分特征曲线(SWCC)是土壤基质势随土壤含水率变化的曲线，它表示了土壤水的能量与数量之间的关系。
非饱和土力学03-吸力与SWCCPPT
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
4
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：
基质吸力对非饱和粉质砂土抗剪强度的影响
基质吸力对非饱和粉质砂土抗剪强度的影响董倩;侯龙;赵宝云【摘要】从宏观吸力控制型直剪试验和微观土体颗粒结构分析两方面入手,在压力板仪试验分析非饱和粉质砂土水-土特性的基础上,采用不同吸力条件下的直剪试验和2种不同含水量土样结构的微观扫描研究,分析非饱和粉质砂土抗剪强度和基质吸力之间的关系.研究结果表明:与黏性土不同,当粉质砂土含水量逐渐降低时,土体基质吸力对土体抗剪强度的贡献效果并不是一直增加,而是存在一个“峰值效应”,这种现象的出现是由于粉质砂土微观结构的组成特点以及随含水率减小所含水分的存在形式不断改变这两方面因素,致使基质吸力作用面积不断变化造成的.另外,土体的应力环境也会影响吸力对土体强度贡献的大小.%Based on the analysis of the soil-water characteristic of unsaturated silty sand through pressure plate instrument test, the suction control direct shear tests under different suction conditions of unsaturated silty sand were studied. And then, the microscopic structures of two kinds of soil samples with different water contents were scanned to analyze the relationship between the matric suction and the shear strength of unsaturated silty sand. The results show that unsaturated silty sand is different from unsaturated clayey soil. When water content gradually reduces, the soil shear strength of unsaturated silty sand is not always increased with the increase of matric suction, but there is a "peak effect". The appearance of "peak effect" is due to the fact that unsaturated silty sand has its own microstructure characteristics, and that with the decrease of the moisture content, the existence form of moisture changes gradually. The two factors cause the effect area of matricsuction to change constantly, and then influence shear strength of unsaturated silty sand to appear "peak effect". In addition, the stress environment also can influence contribution degree of matric suction to the shear strength of unsaturated silty sand.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(043)010【总页数】5页(P4017-4021)【关键词】非饱和土;水-土特征曲线;基质吸力;抗剪强度;水-气交界面【作者】董倩;侯龙;赵宝云【作者单位】重庆科技学院建筑工程学院,重庆,401331;重庆大学土木工程学院,重庆,400045;重庆大学土木工程学院,重庆,400045;美国科罗拉多矿业大学土木与环境工程学部,美国戈尔登,80401;重庆科技学院建筑工程学院,重庆,401331;重庆大学土木工程学院,重庆,400045【正文语种】中文【中图分类】TU411随着我国经济的迅猛发展，各地工程建设的规模不断扩大，所面临的非饱和土问题越来越多。
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。
非饱和土土力学新PPT课件
库仑公式 本构模型
D uf can－cChantgg模型 ， 剑桥模型
屈服面
极限状态面
第3页/共54页
传统（经典）土力学的局限
固结理论
pw
1-D consolidation
k 2 pw pw
wm z2 t
(Lambe & Whitman,1969)
3-D consolidation
2 4 6 8 10 12 14 16 18
第24页/共54页
吸力的影 响
温度的影响
/kPa
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
（1）弹性模型 Fredlund和Morganstern(1976)、Fredlund(1979)提出了基于双应力变量 ( ua ) 和 (ua uw )
第11页/共54页
非饱和土土力学理论
吸力随含水量变化，其表现形式不同
在第Ⅰ阶段，土体处于饱和状态，土孔 隙中为能够传递压力的自由水，没有水气接触面存在，也没有由表面张力产生 的毛细应力。
第Ⅱ阶段，为毛细作用发挥阶段。当基 质吸力超过最大空气进气值，土体开始 进入非饱和状态，含水率从饱和含水率 变化到塑限含水率，毛细应力开始快速 增加。
w ( p)
第26页/共54页
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（陈正汉）
屈服点的轨迹在p-s面内是一条曲线，在 p-q面内随吸力增加向外扩展，据此构建非饱和土的统一 屈服面模型。
p0 p0* ms n[e / patm 1]
吸力的影响
吸力 s(kPa)
200
k wm
2
pw
非饱和土力学 ppt课件
从土力学的角度， 基质吸力不只与含水量有关。土的干密度、初始结构、 扰动情况，增湿与加载历史（正常干燥与超干燥等）， 甚至土中的应力状态的变化，都会影响到基质吸力的
测值或土水特征曲线的变化。
对不同的应力应变历史，
土水特征曲线的滯回曲线可有边界滯回曲线（边界干燥曲线
和边界增湿曲线），有主滯回曲线，甚至二次滯回曲线。
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非饱和土基本特性的学习／3、非饱和土的应力特性
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。
固相的颗粒大小级配（比表面积）、矿物成分、电性质、松密状态 液相的型态（吸着水、结合水、自由水）、化学成分、冰水状态 气相的型态（吸附气体、溶解气体、密闭气体、自由气体）、
成份（主要是空气，含量最多的是水汽、碳酸气、氮气、 甲烷碳酸气镭以及其他，氧气含量少） 连通情况（气单p连pt课通件、水单连通、水气双连通） 7
关于非饱和土承担荷载的机理 土骨架、孔隙水、孔隙气各自应力的大小
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
（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
基质吸力是非饱和土三相活动最实质、最活跃的代表。
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
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
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
SDSWCC 土水特征曲线压力板仪实验教程
SDSWCC 土水特征曲线压力板仪实验教程实验理论：土水特征曲线是非饱和土中的吸力与含水量之间关系的曲线。
吸力可以是基质吸力也可以是总吸力。
含水量可以是体积含水量、重力含水量，也可以是饱和度。
它包含两条曲线分别是脱湿曲线和吸湿曲线。
通过Geo-‐expert的压力板仪，可以得到基质吸力与体积含水量之间关系的土水特征曲线。
基质吸力：Matric suction （u a-‐u w）孔隙气压与孔隙水压的差值。
目前模拟基质吸力的方式有三种，按照可获得的吸力的范围可分为轴平移技术（0.1kPa-‐1.5Mpa），渗透技术（0.1-‐10Mpa）,蒸汽平衡技术（10-‐200Mpa）。
Geo-‐expert 的一维SDSWCC压力板仪采用轴平移技术，将孔隙水压平移到0值，直接通过孔隙气压的变化来控制基质吸力值。
脱湿，土体在不同吸力作用下（通常吸力从小到大变化），水从土体中排出来的过程；吸湿，土体在不同吸力作用（通常吸力从大到小变化），慢慢吸进水分的过程。
SDSWCC可直接测得土壤中的出水值，再通过实验之前测得饱和样的质量，换算出不同吸力平衡后的体积含水量，最后根据脱湿、吸湿下吸力值和对应的体积含水量可作出土水特征曲线。
SDSWCC与传统土水特征曲线获得装置的最大不同点是采用了香港科技大学吴宏伟教授的最新成果，加入轴向力的独立控制, 实现了stress dependant功能。
以下是典型的土水特征曲线：土水特征曲线有以下特点1. 整体来看，几乎所有土-‐水特征曲线形状都很相似，基质吸力增加，非饱和土的含水量降低。
2. 含水量较低时，基质吸力随含水量的变化较大；含水量较高时，基质吸力随含水量的增加较缓和的减小。
3. 脱湿曲线和吸湿曲线之间有一定的滞回特性,有很多种解释，最为大家接受的是由于土体内的孔隙特殊性，如下图所示（左边为脱湿过程，右边为脱湿过程），土体孔隙空间内部有较大的孔隙，连接较小的通道孔径，形成“瓶颈”效应。
非饱和粗粒土基质吸力与含水率及级配关系试验研究
第50卷第3期中南大学学报(自然科学版) V ol.50No.3 2019年3月Journal of Central South University (Science and Technology)Mar. 2019 DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.03.026非饱和粗粒土基质吸力与含水率及级配关系试验研究何忠明1, 2，刘雅欣2，曾新发3，刘登生4，职孟林5(1. 长沙理工大学公路养护技术国家工程实验室，湖南长沙，410014；2. 长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙，410014；3. 湖南城市学院土木工程学院，湖南益阳，413000；4. 中交(天津)生态环保设计研究院有限公司，天津，300450；5．河南省交通规划勘察设计院，河南郑州，450000)摘要：为了研究非饱和粗粒土基质吸力与含水率及级配之间的关系，通过控制曲率系数和不均匀系数配制5种不同级配的粗粒土土样，采用自行设计的模型装置进行降雨入渗试验，并根据试验结果绘制基质吸力与含水率关系拟合曲线，得到满足试验条件的函数关系式，从而得到土−水特征曲线方程。
研究结果表明：不均匀系数越大，土样初始含水率越小，达到饱和状态时含水率越小，且土样达到饱和所需的时间越长；随着脱水过程的进行，土样不均匀系数越大，其含水率的下降速度越慢，残余含水率也越大；初始基质吸力随着土样不均匀系数增大而不断提高，同时，土样的残余基质吸力随着不均匀系数增大而增大；利用Van Genuchten模型对实测土−水特征曲线进行拟合可获得拟合参数，从而得到可应用于数值分析的土−水特征曲线方程。
关键词：粗粒土；级配；基质吸力；含水率；土水特征曲线中图分类号：U416 文献标志码：A 文章编号：1672−7207(2019)03−0712−07Experimental study on relationship among matric suction andmoisture content and gradation of unsaturated coarse grained soil HE Zhongming1, 2, LIU Yaxin2, ZENG Xinfa3, LIU Dengsheng4, ZHI Menglin5(1. State Engineering Laboratory of Highway Maintenance Technology,Changsha University of Science & Technology, Changsha 410014, China;2. School of Traffic and Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology,Changsha 410014, China;3. College of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang 413000, China;4. China Communications(Tianjin) Environmental Protection Design and Research Institute Co. Ltd.,Tianjin 300450, China;5. Communications Planning and Design Institute Co. Ltd of Henan Province, Zhengzhou 450000, China)Abstract: In order to study the relationship among matric suction and moisture content and gradation of unsaturated coarse grained soil, five kinds of coarse-grained soil samples with different gradations were prepared by controlling curvature coefficient and non-uniform coefficient. The rainfall infiltration test was conducted using a self-designed model device. The fit curves of moisture content with matrix suction were plotted based on the experimental results, and the收稿日期：2018−06−08；修回日期：2018−08−18基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51678073，51508042，51838001) (Projects(51678073, 51508042, 51838001) supported by the National Natural Science Foundation of China)通信作者：曾新发，博士，副教授，从事岩土工程、结构振动控制研究；E-mail：********************第3期何忠明，等：非饱和粗粒土基质吸力与含水率及级配关系试验研究713 functional relationship under the experimental conditions was obtained. The results show that the bigger the non-uniform coefficient, the smaller the initial moisture content of the soil sample, and the smaller the water content, the longer it takes for the soil sample to reach saturation. With the progress of the dehydration process, the larger the non-uniform coefficient of the soil sample, the slower the rate of decline of its moisture content, and the greater the final residual moisture content. The initial matrix suction increases with the increase of the non-uniform coefficient of the soil sample.The residual matrix suction of the soil sample increases with the increase of the non-uniform coefficient. Using the Van Genuchten model to fit the measured soil-water characteristic curve, the fitting parameters can be obtained, so that the empirical equation of the soil-water characteristic curve applied in the numerical analysis process can be obtained.Key words: coarse grained soil; gradation; matric suction; water content; soil water characteristic curve土−水特征曲线主要研究土体基质吸力与含水率之间的关系，是非饱和土力学中主要研究内容[1−2]。
干湿循环作用下非饱和土的持水特性研究
干湿循环作用下非饱和土的持水特性研究温煦【摘要】以干湿循环作用下非饱和土的持水特性为研究对象,通过采用滤纸法、非饱和固结仪法,针对三种初始干密度的试样,研究了土一水特征曲线的变化特征,依据试验结果,得出了一些有意义的结论.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2013(039)029【总页数】3页(P77-79)【关键词】非饱和土;干湿循环;持水特性【作者】温煦【作者单位】天津市勘察院,天津300191【正文语种】中文【中图分类】TU411.910 引言土—水特征曲线(Soil-Water Characteristic Curve，简称SWCC)的概念源于土壤水动力学，它是土的含水率(或饱和度)与土中吸力的关系曲线。
SWCC反映了非饱和土吸水以及储水能力，借助它可以直接得到不同含水率土体所处的吸力环境并可以间接推算出饱和土的强度和渗透系数等难以量测的土体参数。
因此，本文从SWCC着手，研究了干湿循环条件下的非饱和土持水特性。
1 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［1］。
但笔者认为土的矿物成分和孔隙结构是基本因素，其他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。
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，影响孔隙结构的其他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。
非饱和土力学03-吸力与SWCC
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。
c (ua uw )
通常，基质吸力中的毛细部分可表示为：
1. 吸力的概念
基质吸力的探讨
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。
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。
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
2. 土水特征曲线
土水特征曲线
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
2. 土水特征曲线
土水特征曲线
2. 土水特征曲线
1956年召开的力学研讨会上，Aitchison的一篇论文从热动力
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
1. 吸力的概念
自由能
什么是自由能？ free energy
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φ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。
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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。
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
基质吸力随着含水 量的增大而减小
2. 土水特征曲线
土水特征曲线
可以是含 水量或饱 和度
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
m ma=0
mw
表达式: w(%) m w ms 饱和度 表达式:
体积含水量
Air
Water Solid
Va
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 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
Suction
高等土力学
北京交通大学土建学院岩土工程系
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@
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
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。
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
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
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
也可以用饱和度表示
2. 土水特征曲线
土水特征曲线
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
2. 土水特征曲线
土水特征曲线
2. 土水特征曲线
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
孔隙水总势能
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
1. 吸力的概念
孔隙水总势能
G U TS PV
d G dU T d S S d T P dV V d P dW S d T V d P P dV
d G d Wi S d T V d P
1. 吸力的概念
孔隙水总势能
以土中水作为研究对象，系统的非体积功主要来源有：
重力
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。
3. 滞后现象
滞后原因
(5)接触角的影响。
在干燥与浸润过程中，
水-气交界面上的接触角 会有所不同。 一般干燥时接触角小， 浸润时大；小的接触角 对应的表面张力较大， 因此对水的滞留能量较 大。 接触角的大小差异决定 了水的滞留特性的差别， 这种现象称之为雨点效 应。
三.吸力与土水特征曲线
水的吸持潜能。
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
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
3. 滞后现象
滞后现象
4. SWCC模型
SWCC模型
目前，习惯用室内试验加理论模型的方式对SWCC的滞后性
进行描述。 对于考虑滞后效应的任意路径的SWCC，由于室内试验往往 费时费力，进行完整的循环路径实验资料并不多。 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
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
2. 土水特征曲线
土水特征曲线
Soil Water Characteristic Curve (SWCC) Water Retention Curve (WRC) 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。
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。
c (ua uw )
通常，基质吸力中的毛细部分可表示为：
1. 吸力的概念
基质吸力的探讨
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。
当基质吸力很大时，只表明液相吸附到固相的程度很大，但绝不能认
为是传统意义上的负孔隙压力很大。然而，在以往的研究中，通常忽 略基质吸力中粘吸部分的作用，认为基质吸力仅由毛细作用产生，致 使基质吸力很大时，认为负孔隙水压力亦很大。
目前针对非饱和土所建立的本构模型多是基于毛细机理，因此这些模
型对高塑性的粘土或低含水量下的土体的适用性是值得探讨的。
4. SWCC模型
SWCC模型
(Pham, et al,2005)
4. SWCC模型
SWCC模型
(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
1956年召开的力学研讨会上，Aitchison的一篇论文从热动力
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
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”。 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
3. 滞后现象
滞后原因
(2) 气体体积变化不同
当吸力增加或减少时孔隙中的气体的体积及其变化是不
同的，并导致饱和度的变化也不同
(3)触变和时间效应。
5. 土水特征曲线
滞后现象
(4) 瓶颈效应——墨水瓶滞后作用
不同大小的孔隙，以及相互连通的孔隙喉道之间的尺寸差
别造成了这种作用。在浸润过程中，由于孔隙以及与其连 通的喉道之间存在着尺寸差异，孔隙水在涌入的过程中自 然面临着瓶颈的“约束”而难以突破，导致在相同吸力下 浸润时的含水量小于干燥时的含水量。
1. 吸力的概念
基质吸力的探讨
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。 Derjaguin等（1987）和Tuller等（1999）强调基质吸力由两部 分组成，可表示为：
m ad (h) c ( )
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
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。
1. 吸力的概念