非饱和土

非饱和土基质吸力量测试验研究与探讨
摘要：土－水特征曲线能够解释非饱和土力学的许多力学特性。

土－水特征曲线的获取依赖于试验设备、试验技术、试验方法，土－水特征曲线的准确获取能够促进非饱和土力学的发展。

结合目前的非饱和土力学研究，对现有主要非饱和基质吸力量测试验进行了归纳总结。

关键词：非饱和土；土－水特征曲线；基质吸力；量测试验
0 引言
非饱和土已是目前国内外土力学研究的热点和难点，其应用范围越来越广，诸如边坡工程，路基工程，基坑工程，河堤工程，湿陷性黄土，膨胀土及核废料封堵材料等领域。

非饱和土的土水特征曲线是解释非饱和土工程现象的一项本构关系，一切非饱和土的基本特性研究均通过吸力作为内在联系的纽带。

非饱和土力学的发展对测试手段和仪器设备依赖性更为强烈。

以前试验测试落后是非饱和土力学发展迟缓的原因之一。

上世纪80 年代以来，现代测试技术及计算机技术的发展，是非饱和土得以发展的基础之一。

因此，测试设备及准确试验数据资料是非饱和土力学研究的重要前提和基础。

目前，非饱和土的基质吸力量测仍受到测试设备的制约。

1 土水特征曲线
土－水特征曲线( SWCC) 是指土中基质吸力ψ( ua－uw )与体积含水率θ
w( Vw /V)或重力含水率Ww( gw /g)或饱和度S( Vw /V)之间的函数关系。

它是用来解释非饱和土性状的主要本构关系。

它将理论、实验测试与预测方法有机地联系起来。

非饱和土的土－水特征曲线对于研究非饱和土力学性质、渗透系数、抗剪强度有重要意义。

2 量测基质吸力的方法
室内土－水特征曲线量测可分两个部分，大致以1500kPa 为界。

对于基质吸力范围0～10000 kPa 并不都是最优的，有些方法还有待进一步改进，对于高吸力范围的基质吸力量测采用饱和盐溶液法(气相法)。

2. 1 张力计法
张力计由陶土头、腔体、集气室、计量指标器等部件组成。

陶土头是仪器的感应部件，具有许多微小的孔隙，陶土头被水浸润后，在孔隙中形成一层水膜。

当充满水且密封的张力计插入水分不饱和的待测土体中，水膜就与待测土体发生水力联系。

直至两个系统的水势平衡。

当忽略了重力势、温度势、溶质势后，系
统的水势即为压力势和基质势之和，仪器内的负压由计量器或传感器测定，这就是非饱和土的吸力。

张力计适用于测量小基质吸力值，依据传感器不同，国内外已有样式较多的张力计。

2. 2 滤纸法
滤纸法可用于量测较大范围的吸力，量测通常在实验室内，用取自野外的原状或扰动土样。

当滤纸与被测土之间水分迁移达到平衡后，测出滤纸的含水率，再根据已率定好的滤纸含水率与吸力之间的关系，间接地得到被测土样的吸力。

当滤纸与被测土直接接触时，吸力为基质吸力；当滤纸与土不相接触时，吸力为总吸力，试验简图如图1。

叶为民等( 2006) 将三张滤纸夹入两块呈圆饼状的被测土样之间，其中，中间一层滤纸是被上下层滤纸保护，以免被土样污染。

待平衡后测定土样的吸力值。

理论上，滤纸法可用于测定土中的总吸力或基质吸力，滤纸法的量测范围较广，可用于量测较大范围的吸力值。

滤纸法要求操作者熟练细心地操作，测量滤纸用的天平精度应达0.0001g。

2. 3 渗析法
低吸力部分(＜2 MPa)通常采用渗析( 液相)方法，它将土样包裹在半透膜中置入PEG溶液中，并不断搅拌，待水分子交换达到平衡，即可测出土样在此含水率下的基质吸力。

试验原理是不同浓度的PEG溶液能够提供不同的渗透吸力，水分子可通过半透膜而土颗粒与PEG溶质分子不能透过，当土样与溶液的吸力达到平衡时，就认为此含水率下的土样的基质吸力与该浓度下PEG溶液的吸力相等。

通过称量土样重量的变化，计算土样的含水率，可得出一组土样的含水率与基质
吸力的数据。

改变PEG 浓度可得到各级吸力下相应的含水率，从而得到土－水特征曲线。

试验前先将干燥状的半透膜在去离子水中浸泡不少于30分钟，以消除半透膜保护层对试验的影响。

在PEG溶液中加入少量青霉素以消除土样中细菌对半透膜的侵蚀。

并放置在电磁激振器上搅拌，以减少土样和溶液吸力平衡所用时间，试验装置如图2。

2. 4 盐溶液气相法
密闭容器内某种饱和盐溶液，在恒温、足够长时间后，容器内固态盐、盐溶液、盐溶液上部的气空间形成了一个三相平衡体系。

在饱和盐溶液中存在着电离与水合两种作用，溶液表面存在着蒸发与凝结两种作用，它们处于动态平衡状态。

在一定时间后，水气交界面及整个封闭的气空间形成稳定均匀的湿度场。

不同的饱和盐溶液具有不种的湿度，再根据饱和盐溶液的相对湿度查出其对应的吸力。

采用饱和盐溶液的相对湿度来控制土样的相对湿度，以最终控制土样中的吸力，试验装置图如图3。

当基质吸力超过1500KPa时，通常采用该方法。

2. 5 压力板仪
将饱和试样与饱和高进气值陶土板充分接触，陶土板下的底板上有一排水管，供土样排水之用。

通过施加气压ua，土样就通过高进气值陶土板排水直到平衡，利用轴平移技术，得到基质吸力，平衡后称量试件和仪器质量，以便测定土样含水率变化。

然后施加高一级气压，重复上面试验步骤。

施加完最后一级气压后，取出试样，烘干测定含水率，根据测定的试样和仪器质量反算不同吸力值(气压ua)下对应的含水率值，绘制干燥段土-水特征曲线，试验装置如图4。

该试验仪器可用于测定基质吸力高达几百个千帕，每一级试验达到平衡的时间取
决于试样的厚度和渗透性，以及高进气值陶土板的渗透性。

2. 6 离心机法
高速离心机法测试基质吸力是利用离心力场，把土柱法测试水势搬到离心机场。

先将几个土样装入环刀中，并将其吸水饱和，测得其饱和含水率，再将其放入离心机内。

随着离心机转速的逐渐加大，土样中的水会不断被甩出，而甩出来的水被自动收集到一个玻璃容器内。

记录下每个转速下被甩出水的体积，从而换算出在某个转速下土样的含水率。

而基质吸力水头则是根据离心机量测基质吸力的传感器获取。

2. 7 三轴仪法
利用改进的非饱和土三轴仪量测非饱和土基质吸力。

该装置主要有以下特点：①加压系统由内、外压力室组成，用来施加围压和反压，内压力室与外压力室中的液压相等，可消除内压力室的变形对体变测量产生的误差；②高进气值陶土板，利用轴平移技术对土样施加较高的吸力；③测量系统由传感器和微机组成，孔隙水压力的测量是在压力室底座上安装高进气值的陶土板、液压传感器，通过陶土板传递孔隙水压；④高精度体变量测装置，反映玻璃内水体积改变；⑤气压控制，通过试样帽上的小孔对土样内部的孔隙气压进行控制。

三轴仪压力室如图5。

3 结论
目前常用基质吸力量测方法在非饱和土基质吸力量测中取得了丰硕的试验成果。

而基质吸力量测试验设备、方法及技术正处于发展阶段。

随着新材料、新技术的出现，通过研究开发，新的精密的试验装置及技术将会出现。

非饱和土基质吸力室内量测设备、技术及精度的不断提高，极大地促进了非饱和土力学研究与应用，准确的基质吸力试验数据能够更好地从机理方面解释非饱和土的工程特征，指导并服务于工程实际。

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