基質(zhì)吸力對非飽和土的影響

基質(zhì)吸力對非飽和土的影響第1頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四基質(zhì)吸力的描述

基質(zhì)吸力隨土中含水量增加而降低，因而是不穩(wěn)定的。膨脹土和黃土隨溫度的增加而強度顯著降低，非飽和土基坑雨季容易發(fā)生事故，花崗巖殘積土邊坡暴雨容易發(fā)生淺層滑坡，都和基質(zhì)吸力的降低有關(guān)。總之，把握好基質(zhì)吸力是非飽和土研究的重要環(huán)節(jié)。

不同學(xué)者對基質(zhì)吸力下的定義不同，但基本上都認(rèn)為

。第2頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四LiX.I(2003)將有效應(yīng)力表示為凈應(yīng)力項與一個吸力相關(guān)、且能反映基質(zhì)吸力剪切效應(yīng)項之和。認(rèn)為對非飽和土，土顆粒的一部分上作用有孔隙氣壓力，另一部分上作用有孔隙水壓力，它們的作用一般是不平衡的、變化的，而且它的方向并不與凈應(yīng)力的方向相一致，明確了基質(zhì)吸力可引起一種剪切效應(yīng)的結(jié)論。第3頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四謝定義(1999)用有效球應(yīng)力和有效偏應(yīng)力表示的有效應(yīng)力型應(yīng)力狀態(tài)變量明確地表明了以基質(zhì)吸力反映的收縮膜張力為非靜水壓力型應(yīng)力的這種特性。第4頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四基質(zhì)吸力的描述-基質(zhì)吸力可以看作是土基質(zhì)對水的吸持潛能

基質(zhì)，是指細小的土顆粒。基質(zhì)吸力可以看作是土基質(zhì)對水的吸持潛能。土基質(zhì)吸持水分的機理十分復(fù)雜，但可概括為吸附作用和毛細作用。單純使用毛細模型來解釋和表達基質(zhì)吸力具有一定的局限性，但是由于毛細作用的機理比較清楚，數(shù)學(xué)處理也比較便利，所以在非飽和土力學(xué)的定量研究中常常還是將基質(zhì)吸力作用等同于毛細效應(yīng)。第5頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四基質(zhì)吸力的描述-土基質(zhì)對水的吸持潛能與土體的含水率有關(guān)

土基質(zhì)對水的吸持潛能與土體的含水率有關(guān)。由于飽和土體所有孔隙都已經(jīng)被水占據(jù)，因此沒有吸水的能力了，所以，我們認(rèn)為飽和土的基質(zhì)吸力等于0。而非飽和土的孔隙并沒有被全部占據(jù)，所以具有吸水的潛能，基質(zhì)吸力大于0。第6頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四基質(zhì)吸力的描述-基質(zhì)吸力的大小主要是針對彎液面處的壓力差而言的

基質(zhì)吸力的大小主要是針對彎液面處的壓力差而言的。彎液面又稱水-氣界面，收縮膜（非飽和土研究中的第四相）。與大氣接觸的水平面處的水壓為0。而與大氣接觸的彎液面的水壓相對氣壓是負(fù)值。這說明彎液面處存在壓力差。第7頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四基質(zhì)吸力的描述-基質(zhì)吸力的大小主要是針對彎液面處的壓力差而言的任意區(qū)域表面張力合力=0p內(nèi)=p外平面

p外p內(nèi)凹液面受到指向液體外部的合力

pp內(nèi)<p外凹面

p內(nèi)pp外p附加壓力

p

p內(nèi)

=p外

+p第8頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四基質(zhì)吸力的描述-非飽和土體的基質(zhì)吸力大小與土體的深度呈現(xiàn)一定的關(guān)系理想化的基質(zhì)吸力分布

處于地下水位以上的非飽和土體的基質(zhì)吸力大小與土體的深度呈現(xiàn)一定的關(guān)系。假定土壤地表基質(zhì)吸力為So,地下水位處基質(zhì)吸力為0,基質(zhì)吸力從地表至地下水位處線性減小。第9頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四基質(zhì)吸力的描述-土水特征曲線基質(zhì)吸力與土的含水率有關(guān)

基質(zhì)吸力與土的含水率有關(guān)，它與含水率之間的關(guān)系曲線稱為土水特征曲線。

由圖可見，同一土體隨著含水率的降低，基質(zhì)吸力升高。同一土體基質(zhì)吸力隨含水率變化還與脫水、吸水過程相關(guān)。不同土體在同一含水率下的基質(zhì)吸力大小不相等.第10頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四基質(zhì)吸力的描述-基質(zhì)吸力的大小

基質(zhì)吸力的大小，一般不采用

去計算，而是通過室內(nèi)測量或者現(xiàn)場測量去量測，測定的方法一般有張力計法，濾紙法，熱電阻法，壓力陶瓷板法，這里不做說明。值得一提的是，低飽和度時，負(fù)孔隙水壓力可達到很高的負(fù)值，約為7000kpa，由此也可見基質(zhì)吸力對土的應(yīng)力狀態(tài)有著重大的影響。第11頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四基質(zhì)吸力的描述-總結(jié)綜合考慮以上幾點，可以看出，基質(zhì)吸力的本質(zhì)可以看成是由于水液面存在表面張力而發(fā)生的毛細效應(yīng)?；|(zhì)吸力的大小始終考慮的是水氣界面的效應(yīng)。土體含水率降低時，孔隙中氣體增多，毛細管增多，毛細效應(yīng)增強，基質(zhì)吸力增大?；|(zhì)吸力的增大導(dǎo)致水平應(yīng)力的減小。土體最終在干濕循環(huán)，水分蒸發(fā)下產(chǎn)生裂隙。第12頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四基質(zhì)吸力對非飽和土抗剪強度的影響B(tài)ishop提出了最早的非飽和土有效應(yīng)力強度公式，吸力項對抗剪強度的影響可表示為式中：為吸力對抗剪強度的貢獻，為孔隙氣壓力，為孔隙水壓力，系數(shù)為有效應(yīng)力系數(shù)，它的物理意義是單位面積上水壓力作用面積，其數(shù)值取決于土的類別、飽和度、干濕循環(huán)以及加載和吸力的路徑，對于飽和土=1，干土=0，通常情況下第13頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四基質(zhì)吸力對非飽和土抗剪強度的影響Frealund等提出了兩個獨立變量，即凈正應(yīng)力和基質(zhì)吸力來定義非飽和土抗剪強度。吸力對抗剪強度的貢獻可以表達為式中為非飽和土剪切強度；為相對于基質(zhì)吸力的剪切摩擦角，為破壞面的基質(zhì)吸力。第14頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四基質(zhì)吸力對非飽和土抗剪強度的影響近年來，關(guān)于吸力對抗剪強度的貢獻，沈珠江認(rèn)為雙曲線公式可能更實用：

在第一屆非飽和土國際會議上，許多學(xué)者建議了非飽和土抗剪強度的非線性表達式，Rohn和Vilar認(rèn)為抗剪強度與吸力之間可能存在雙曲線關(guān)系。繆林昌等也給出了雙曲線公式。第15頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四基質(zhì)吸力對非飽和土抗剪強度的影響Fredlund提出非飽和土剪切強度能夠利用飽和土剪切強度參數(shù)和土水特征曲線計算出來，即從吸力作用面積隨飽和度減少而減少的理論出發(fā)，建議了下列非線性強度公式余飽和度。式中：是吸力s是飽和度，Sr為殘余飽和度。飽和度可用土水特征曲線擬合公式計算。第16頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四非飽和土三軸試驗三軸試驗是非飽和土室內(nèi)測量土抗剪強度最常用的試驗方法之一，已有的三軸試驗方法很多，但其基本原理都是相同的。三軸試驗的試件是圓柱形的，試件外面包有橡皮膜。并放置在三軸受壓室中進行試驗，三軸受壓室中充滿水，通過水施加恒定的周圍壓力，通過試件頂面接觸的加荷活塞在實踐上施加軸向應(yīng)力。根據(jù)非飽和土在三軸試驗中的排水情況不同，三軸試驗可以分為固結(jié)排水試驗，常含水量試驗，固結(jié)不排水試驗，不排水試驗，無測限壓縮試驗。由于非飽和土三軸試驗需要直接測量或控制吸力，因此，必須對常規(guī)三軸儀進行改造。第17頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四非飽和土三軸試驗下圖為非飽和土三軸試驗系統(tǒng)。系統(tǒng)包含了1個三軸室、4個壓力控制器、6個傳感器、1個數(shù)字傳感器接口、1臺計算機、1套新型雙室總體變量測系統(tǒng)和1個擴散空氣體積指示器，4個控制器包括2個氣壓控制器和2個水壓/體積控制器，可單獨控制室壓、軸向應(yīng)力、孔隙氣壓和孔隙水壓。所有部件組成閉合的反饋控制系統(tǒng)，可以在三軸應(yīng)力空間進行應(yīng)變控制和應(yīng)力路徑試驗。一塊高進氣值陶瓷板用環(huán)氧樹脂密封到三軸室底座上。在底座上刻有螺旋型的凹槽，作為充水分隔室和用來沖洗可能由于孔隙空氣通過陶瓷板擴散而聚集的氣泡。第18頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四擴散空氣體積指示器可用來量測這部分氣泡的體積。根據(jù)軸平移原理，可以通過一個水壓控制器和一個氣壓控制器來實現(xiàn)對基質(zhì)吸力的控制。水壓控制器通過陶瓷板和充水分隔室在試樣底部進行孔隙水壓的量測和控制，氣壓控制器通過試樣頂部的多孔過濾板進行孔隙氣壓的控制。第19頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四