1、壁虎壁虎王子王子基質吸力對非飽基質吸力對非飽和土的影響和土的影響壁虎壁虎王子王子基質吸力的描述基質吸力的描述n 基質吸力隨土中含水量增加而降低，因而是不穩定的。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生事故，花崗巖殘積土邊坡暴雨容易發生淺層滑坡，都和基質吸力的降低有關。總之，把握好基質吸力是非飽和土研究的重要環節。n 不同學者對基質吸力下的定義不同，但基本上都認為 n 。壁虎壁虎王子王子Li X.I (2003)n 將有效應力表示為凈應力項與一個吸力相關、且能反映基將有效應力表示為凈應力項與一個吸力相關、且能反映基質吸力剪切效應項之和。質吸力剪切效應項之和。認為對非飽和土

2、，土顆粒的一部認為對非飽和土，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，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力的方向相一致，與凈應力的方向相一致，明確了基質吸力可引起一種剪切明確了基質吸力可引起一種剪切效應的結論。效應的結論。壁虎壁虎王子王子謝定義謝定義(1999)n 用有效球應力和有效偏應力表示的有效應力型應力狀態變用有效球應力和有效偏應力表示的有效應力型應力狀態變量明確地表明了以量明確地表明了以基質吸力反映的收縮膜張力為非靜水壓基質吸力反映的收縮膜張力

3、為非靜水壓力型應力的力型應力的這種特性。這種特性。壁虎壁虎王子王子基質吸力的描述基質吸力的描述- -基質吸力可以看作是土基質對水的吸持潛能基質吸力可以看作是土基質對水的吸持潛能n 基質，是指細小的土顆粒。基質吸力可以看作是土基質對水的吸持潛能。土基質吸持水分的機理十分復雜，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，數學處理也比較便利，所以在非飽和土力學的定量研究中常常還是將基質吸力作用等同于毛細效應。壁虎壁虎王子王子基質吸力的描述基質吸力的描述- -土基質對水的吸持潛能與土體的含水率有關土基質對水的吸持潛能與土體的含水率

4、有關n 土基質對水的吸持潛能與土體的含水率有關。由于飽和土體所有孔隙都已經被水占據，因此沒有吸水的能力了，所以，我們認為飽和土的基質吸力等于0。而非飽和土的孔隙并沒有被全部占據，所以具有吸水的潛能，基質吸力大于0。壁虎壁虎王子王子基質吸力的描述基質吸力的描述- -基質吸力的大小主要是針對彎液面處的壓力差而言的基質吸力的大小主要是針對彎液面處的壓力差而言的n 基質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值。這說明彎液面處存在壓力差。壁虎壁虎王子王子基質吸力的描述基質吸

5、力的描述- -基質吸力的大小主要是針對彎液面處的壓力差而言的基質吸力的大小主要是針對彎液面處的壓力差而言的任意區域任意區域表面張力合力表面張力合力= 0p內內= p外外平面平面 p外外p內內凹液面受到指向液體凹液面受到指向液體外部的合力外部的合力 pp內內 p外外凹凹面面 p內內 pp外外 p附加壓力附加壓力 p p內內 = p外外 + p 壁虎壁虎王子王子基質吸力的描述基質吸力的描述- -非飽和土體的基質吸力大小與土體的深度呈現一定的關系非飽和土體的基質吸力大小與土體的深度呈現一定的關系理想化的基質吸力分布理想化的基質吸力分布 處于地下水位以上的非飽和土體的基質吸力大小與土體的深度呈現一定的

6、關系。假定土壤地表基質吸力為So , 地下水位處基質吸力為0, 基質吸力從地表至地下水位處線性減小。壁虎壁虎王子王子基質吸力的描述基質吸力的描述- -土水特征曲線土水特征曲線基質吸力與土的含水率有關基質吸力與土的含水率有關 基質吸力與土的含水率基質吸力與土的含水率有關，它與含水率之間的關有關，它與含水率之間的關系曲線稱為土水特征曲線。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，基質吸力升高。同一土體基質吸力隨含水率變化還與脫水、吸水過程相關。不同土體在同一含水率下的基質吸力大小不相等.壁虎壁虎王子王子基質吸力的描述基質吸力的描述- -基質吸力的大小基質吸力的大小n 基質吸力的

7、大小，一般不采用 去計算，而是通過室內測量或者現場測量去量測，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，負孔隙水壓力可達到很高的負值，約為7000kpa，由此也可見基質吸力對土的應力狀態有著重大的影響。壁虎壁虎王子王子基質吸力的描述基質吸力的描述- -總結總結n 綜合考慮以上幾點，可以看出，基質吸力的本質可以看成是由于水液面存在表面張力而發生的毛細效應。基質吸力的大小始終考慮的是水氣界面的效應。土體含水率降低時，孔隙中氣體增多，毛細管增多，毛細效應增強，基質吸力增大。基質吸力的增大導致水平應力的減小。土體最終在干濕循環，水分蒸發下產生裂隙

8、。壁虎壁虎王子王子基質吸力基質吸力對非飽和土抗剪強度的影響對非飽和土抗剪強度的影響n BishopBishop提出了最早的非飽和土有效應力強度公式，吸力項提出了最早的非飽和土有效應力強度公式，吸力項對抗剪強度的影響可表示為對抗剪強度的影響可表示為n 式中：式中： 為吸力對抗剪強度的貢獻，為吸力對抗剪強度的貢獻， 為孔隙氣壓力，為孔隙氣壓力， 為孔隙水壓力，為孔隙水壓力， 系數為有效應力系數，它的物理意義是系數為有效應力系數，它的物理意義是單位面積上水壓力作用面積，其數值取決于土的類別、飽單位面積上水壓力作用面積，其數值取決于土的類別、飽和度、干濕循環以及加載和吸力的路徑，對于飽和土和度、干濕循

9、環以及加載和吸力的路徑，對于飽和土 =1=1，干土，干土 =0=0，通常情況下，通常情況下tanusawuuu stauwu01壁虎壁虎王子王子基質吸力基質吸力對非飽和土抗剪強度的影響對非飽和土抗剪強度的影響n FrealundFrealund等提出了兩個獨立變量，即凈正應力等提出了兩個獨立變量，即凈正應力 和基和基質吸力質吸力 來定義非飽和土抗剪強度。吸力對抗剪強度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的貢獻可以表達為n 式中式中 為非飽和土剪切強度；為非飽和土剪切強度； 為相對于基質吸力的剪為相對于基質吸力的剪切摩擦角，切摩擦角， 為破壞面的基質吸力。為破壞面的基質吸力。a

10、uawuutanbusawuuusbawuu壁虎壁虎王子王子基質吸力基質吸力對非飽和土抗剪強度的影響對非飽和土抗剪強度的影響近年來，關于吸力對抗剪強度的貢獻，沈珠江認為雙曲線公式可能更實用： 在第一屆非飽和土國際會議上，許多學者建議了非飽和土抗剪強度的非線性表達式，Rohn和Vilar認為抗剪強度與吸力之間可能存在雙曲線關系。繆林昌等也給出了雙曲線公式。tan1awusawduutuu壁虎壁虎王子王子基質吸力基質吸力對非飽和土抗剪強度的影響對非飽和土抗剪強度的影響n FredlundFredlund提出非飽和土剪切強度能夠利用飽和土剪切強度提出非飽和土剪切強度能夠利用飽和土剪切強度參數和土水特

11、征曲線計算出來，即從吸力作用面積隨飽和參數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，建議了下列非線性強度公式余度減少而減少的理論出發，建議了下列非線性強度公式余飽和度。飽和度。n 式中：式中： 是吸力是吸力n s s是飽和度，是飽和度，SrSr為殘余飽和度。為殘余飽和度。n 飽和度可用土水特征曲線擬合公式計算。飽和度可用土水特征曲線擬合公式計算。a0-1tantanSurrssdsscuuawsuu壁虎壁虎王子王子非飽和土三軸試驗非飽和土三軸試驗 n 三軸試驗是非飽和土室內測量土抗剪強度最常用的試驗方三軸試驗是非飽和土室內測量土抗剪強度最常用的試驗方法之一，已有的三

12、軸試驗方法很多，但其基本原理都是相法之一，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。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，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力。根據非飽和土在三軸試驗中活塞在實踐上施加軸向應力。根據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排水試驗，常含的排水情況不同，三軸試驗可以分為固結排水試驗，常含水量試驗，固結不

13、排水試驗，不排水試驗，無測限壓縮試水量試驗，固結不排水試驗，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，必須對常規三軸儀進行改造。此，必須對常規三軸儀進行改造。壁虎壁虎王子王子非飽和土三軸試驗非飽和土三軸試驗 n 下圖為非飽和土三軸試驗系統。系統包含了下圖為非飽和土三軸試驗系統。系統包含了 1 1 個三軸室個三軸室、4 4 個壓力控制器、個壓力控制器、6 6個傳感器、個傳感器、1 1 個數字傳感器接口、個數字傳感器接口、1 1 臺計算機、臺計算機、1 1 套新型雙室總體變量測系統和套新型雙室總體變量測系統和 1

14、 1 個擴散空個擴散空氣體積指示器，氣體積指示器，4 4 個控制器包括個控制器包括 2 2 個氣壓控制器和個氣壓控制器和 2 2 個個水壓水壓/ /體積控制器，可單獨控制室壓、軸向應力、孔隙氣體積控制器，可單獨控制室壓、軸向應力、孔隙氣壓和孔隙水壓。所有部件組成閉合的反饋控制系統，可以壓和孔隙水壓。所有部件組成閉合的反饋控制系統，可以在三軸應力空間進行應變控制和應力路徑試驗。一塊高進在三軸應力空間進行應變控制和應力路徑試驗。一塊高進氣值陶瓷板用環氧樹脂密封到三軸室底座上。在底座上刻氣值陶瓷板用環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有螺旋型的凹槽

15、，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。隙空氣通過陶瓷板擴散而聚集的氣泡。壁虎壁虎王子王子n 擴散空氣體積指示器可用來量測這部分氣泡的體積。根據擴散空氣體積指示器可用來量測這部分氣泡的體積。根據軸平移原理，可以通過一個水壓控制器和一個氣壓控制器軸平移原理，可以通過一個水壓控制器和一個氣壓控制器來實現對基質吸力的控制。水壓控制器通過陶瓷板和充水來實現對基質吸力的控制。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。器通過試樣頂部的多孔過濾板進行孔隙氣壓的控制。壁虎壁虎王子王