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1、壁虎壁虎 王子王子基质吸力对非饱基质吸力对非饱和土的影响和土的影响壁虎壁虎 王子王子基质吸力的描述基质吸力的描述n 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。n 不同学者对基质吸力下的定义不同，但基本上都认为 n 。壁虎壁虎 王子王子Li X.I (2003)n将有效应力表示为净应力项与一个吸力相关、且能反映基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。质吸力剪切效应项之和。认为对非饱
2、和土，土颗粒的一部认为对非饱和土，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，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，与净应力的方向相一致，明确了基质吸力可引起一种剪切明确了基质吸力可引起一种剪切效应的结论。效应的结论。壁虎壁虎 王子王子谢定义谢定义(1999)n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基质吸力反映的收缩膜
3、张力为非静水压力型应力的力型应力的这种特性。这种特性。壁虎壁虎 王子王子基质吸力的描述基质吸力的描述- -基质吸力可以看作是土基质对水的吸持潜能基质吸力可以看作是土基质对水的吸持潜能n 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。壁虎壁虎 王子王子基质吸力的描述基质吸力的描述- -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
4、的含水率有关n 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。壁虎壁虎 王子王子基质吸力的描述基质吸力的描述- -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大小主要是针对弯液面处的压力差而言的n 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。壁虎壁虎 王子王子基质吸力
5、的描述基质吸力的描述- -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大小主要是针对弯液面处的压力差而言的任意区域任意区域表面张力合力表面张力合力= 0p内内= p外外平面平面 p外外p内内凹液面受到指向液体凹液面受到指向液体外部的合力外部的合力 pp内内 p外外凹凹面面 p内内 pp外外 p附加压力附加压力 p p内内 = p外外 + p 壁虎壁虎 王子王子基质吸力的描述基质吸力的描述- -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
6、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。壁虎壁虎 王子王子基质吸力的描述基质吸力的描述- -土水特征曲线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 基质吸力与土的含水率基质吸力与土的含水率有关，它与含水率之间的关有关，它与含水率之间的关系曲线称为土水特征曲线。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.壁虎壁虎 王子王子基质吸力的描述基质吸力的描述- -基质吸力的大小基质吸力的
7、大小n 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。壁虎壁虎 王子王子基质吸力的描述基质吸力的描述- -总结总结n 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
8、，水分蒸发下产生裂隙。壁虎壁虎 王子王子基质吸力基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响对非饱和土抗剪强度的影响nBishopBishop提出了最早的非饱和土有效应力强度公式，吸力项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对抗剪强度的影响可表示为n式中：式中： 为吸力对抗剪强度的贡献，为吸力对抗剪强度的贡献， 为孔隙气压力，为孔隙气压力， 为孔隙水压力，为孔隙水压力， 系数为有效应力系数，它的物理意义是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
9、饱和土和度、干湿循环以及加载和吸力的路径，对于饱和土 =1=1，干土，干土 =0=0，通常情况下，通常情况下壁虎壁虎 王子王子基质吸力基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响对非饱和土抗剪强度的影响nFrealundFrealund等提出了两个独立变量，即净正应力等提出了两个独立变量，即净正应力 和基和基质吸力质吸力 来定义非饱和土抗剪强度。吸力对抗剪强度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的贡献可以表达为n式中式中 为非饱和土剪切强度；为非饱和土剪切强度； 为相对于基质吸力的剪为相对于基质吸力的剪切摩擦角，切摩擦角， 为破坏面的基质吸力。为破坏面的基质吸力。壁虎壁虎 王子王子基质吸
10、力基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响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： 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。壁虎壁虎 王子王子基质吸力基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响对非饱和土抗剪强度的影响nFredlundFredlund提出非饱和土剪切强度能够利用饱和土剪切强度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
11、少的理论出发，建议了下列非线性强度公式余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。饱和度。n式中：式中： 是吸力是吸力ns s是饱和度，是饱和度，SrSr为残余饱和度。为残余饱和度。n饱和度可用土水特征曲线拟合公式计算。饱和度可用土水特征曲线拟合公式计算。壁虎壁虎 王子王子非饱和土三轴试验非饱和土三轴试验 n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。同的。三轴试验的试件是
12、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，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。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，由于非饱和土三轴
13、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。必须对常规三轴仪进行改造。壁虎壁虎 王子王子非饱和土三轴试验非饱和土三轴试验 n下图为非饱和土三轴试验系统。系统包含了下图为非饱和土三轴试验系统。系统包含了 1 1 个三轴室、个三轴室、4 4 个压力控制器、个压力控制器、6 6个传感器、个传感器、1 1 个数字传感器接口、个数字传感器接口、1 1 台计算机、台计算机、1 1 套新型双室总体变量测系统和套新型双室总体变量测系统和 1 1 个扩散空个扩散空气体积指示器，气体积指示器，4 4 个控制器包括个控制器包括 2 2 个气压控制器和个气压控制器和 2 2 个个水压水压/ /体积控制
14、器，可单独控制室压、轴向应力、孔隙气体积控制器，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。隙空气通过陶瓷板扩散而聚集的气泡。壁虎壁虎 王子王子n扩散空气体积指示器可用来量测这部
15、分气泡的体积。根据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。器通过试样顶部的多孔过滤板进行孔隙气压的控制。壁虎壁虎 王子王子基质吸力基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响对非饱和土抗剪强度的影响n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，一般来说和土中存在吸力，一般来说, ,研究非饱和土体的吸力就是研究非饱和土体的吸力就是指研究它的基质吸力指研究它的基质吸力, ,所以，基质吸力在控制非饱和土的所以，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。渗透特性和力学性状方面起着十分重要的作用。壁虎壁虎 王子王子
