非饱和土基质吸力测试技术的分析与实践

居尚威，李雄威

(1.安徽理工大学土木建筑工程学院，安徽淮南232001；2.常州工学院土木建筑工程学院，江苏常州213002)

JU Shangwei1,2，LI Xiongwei1,2

(1.School of Civil Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001；2.School of Civil Engineering and Architecture,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002)



非饱和土基质吸力测试技术的分析与实践

居尚威1,2，李雄威1,2

(1.安徽理工大学土木建筑工程学院，安徽淮南232001；2.常州工学院土木建筑工程学院，江苏常州213002)

非饱和土力学是目前岩土力学研究的热点和难点，土水特征曲线体现了非饱和土体的持水能力，它是非饱和土力学研究的核心问题之一。现场试验和室内试验通常针对非饱和土的基质吸力进行测试，从而获得有效的土水特征曲线。基质吸力的测试方法很多，主要包括张力计法、滤纸法、热传导探头法、渗析法、时域反射计法、压力板仪法等。着重对使用较为广泛的张力计法、滤纸法、时域反射计法、压力板仪法、热传导探头法进行归纳介绍及实践应用分析。

非饱和土；基质吸力；土水特征曲线；测试方法

JU Shangwei1,2，LI Xiongwei1,2

(1.School of Civil Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001；2.School of Civil Engineering and Architecture,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002)

0　引言

20世纪初期，研究土壤的一些学者慢慢地认识到吸力的概念。之后，英国岩土研究学者发现，土中存在吸力可以解释很多在实际工作中出现的力学方面的问题。

非饱和土中，在毛细作用下形成的气水界的弯曲曲面会降低土中的相对湿度，曲面处的孔隙气压与孔隙水压的差值就称为基质吸力。充分了解非饱和土基质吸力及其变化规律，对于研究边坡稳定性、基坑的沉降变形等都有重要意义。因此，使用一套正确的设备仪器对土样的基质吸力进行精确快速的量测非常重要。20世纪中后期,随着对土中吸力重要性的认识不断加深，吸力量测的理论方法和量测手段慢慢受到人们的重视并得到不断发展。起初采用的方法有渗析法、张力计、滤纸测量法等。到20世纪末期，随着土力学理论的进一步发展，高吸力的张力计、三轴仪、热传导探头等技术开始出现。1993年Wilson和Barbour[1]为了观测土中吸力与含水率的关系，选择在降雨期间用热传导探头对某黏土层进行观测。1994年新加坡的T.T.Lim等[2]采用张力计观测了某天然边坡的基质吸力随含水率的变化规律。1997年王钊等[3]在不同类型的边坡上进行试验，试验中同时使用热传导探头和张力计对基质吸力进行观测，采集相关数据。2001年吴宏伟、包承刚等[4]在某边坡上通过人工降雨的方式研究含有大量膨胀土的非饱和土边坡破坏机理。1997—1998年，美国的Drumm[5]采用TDR技术对某段公路下的黏土地基和散粒层进行长时间的监测，并绘制了含水量在不同季节里的基质吸力变化图。2014年浙江大学的陈仁朋等[6]通过时域反射计量器和张力计等设备，测量路基粗颗粒土不同高度处土体在吸湿、脱湿阶段的基质吸力和介电常数的变化情况，从而得到了高压实度情况下的土水特征曲线，通过瞬态剖面法获得了路基粗颗粒土基质吸力与渗透系数的关系。

1　张力计法与滤纸法测量技术

1.1张力计法

普通的张力计由陶土板、集器室、水腔室、显示器等组成。当测量的吸力达到或超过100 kPa时，普通的张力计连接管中将出现气蚀现象，所测出的数据与实际值偏差极大。

伦敦帝国学院的Ridley和Burland[7]于1993年成功研制出可以直接用于测量试样基质吸力的张力计。该张力计的精密之处在于水体腔室中仅装有3 mm3的无气水，它反应时间快，在短短的数分钟内即可测得1 000 kPa以内的吸力值，缺点是持续高吸力的时间比较短。

巴西圣保罗大学的Marinho通过化学技术减少张力计中气泡的产生，但需要考虑渗透的影响，他和Pinto于1997年成功研制成能准确测出数百kPa吸力的HCT型张力计[8]。

Meilani等[9]于2002年成功研制出Druck PDCR81型张力计，该型号张力计仅重3 g，对吸力的灵敏度比之前的张力计有较大提高，但缺点是试验前必须保证探头的充分饱和，否则测量误差会比一般的张力计大。

2003年，Take和Bolton为了获得更长时间的吸力值进一步改进了PDCR81型张力计。

2013年，长安大学的李萍等[10]采用张力计法，以陇东高原马兰黄土为试验对象，获得黄土土样的土水特征曲线。试验所用到的张力计为TEN型张力计，该型号张力计探测管长15 cm，由顶盖、真空表、陶瓷探头等组成，如图1所示。TEN型张力计不仅操作简单方便，精度也比较高，测量范围为0～100 kPa。

图1　TEN型张力计

此次试验根据TEN型张力计测得的数据而绘制的土样SWCC如图2所示。由图中曲线可知，起初土样的含水率下降较快，随着基质吸力的逐渐增大，下降速率变缓，当吸力大于45 kPa后，含水率变化便趋于平缓。

图2　TEN型张力计测得的土样SWCC

1.2滤纸法

滤纸法测量吸力顾名思义是以滤纸作为中间介质，水分在滤纸和土样之间达到平衡后，通过测定滤纸的含水率以及率定好的滤纸含水率与吸力的对应关系而获知土样的吸力。

滤纸法测量吸力分为接触法测量和非接触法测量，主要区别是土样与滤纸间水分的传递方式不同，如图3。

图3　滤纸法2种测量方法示意图[11]

本次试验采用接触滤纸法测量某高液限土，试验在福建取样，使用率定好的滤纸测量土样一定含水率下对应的基质吸力。通过试验数据获得的水土特征曲线如图4。

图4　滤纸法得到的福建某高液限土SWCC

滤纸法在土基质吸力测量试验时较为方便，在准备充分的条件下，可同时进行多组试验。从开始试验到绘制出土水特征曲线一般需要10 d。

2　压力板仪测量技术

压力板仪是一种直接测量基质吸力的方法，其优点在于可以控制基质吸力的大小，而缺点是无法考虑压应力对土水特征曲线的影响，且测试范围有限。压力板仪试验过程示意图如图5所示。在利用压力板仪进行试验前，首先要将试验土样和压力板仪底座上的高进气值陶土板充分饱和，试验时将土样安置于陶土板上，保证土样与陶土板充分接触，然后给量测管中的水加压，排净管中的空气。试验时土样内的水压Uw一直为0，由加压系统逐级给土样加气压Ua，待到土样排水(或吸水)稳定时，读取量管指示数并记录Ua值。在完成最高的气压加载后，记基质吸力为Ua-Uw=Us，取出试样称重，烘干后再次称重，计算得到重力含水率w，由各级加载下记录的水体积变化值计算出各级的重力含水率，然后根据式(1)算出相对应的基质吸力值下的体积含水率θw。

(1)

式中：ρd为试样干密度；ρw为4 ℃下水的密度。

图5　压力板仪试验过程示意图

2.115 bar压力板仪

本次试验采用美国的15 bar型压力板仪，仪器如图6所示，土样为4个灰白色膨胀土土样。

图6　15 bar压力板仪[12]

试验前将高进气值陶土板充分饱和，正确安放试样后连接排水管路，按照正确的操作方法排入空气后将容器密封，开始试验。

重力含水率相关下以及体积含水率相关下的SWCC分别如图7和图8所示。

图7　重力含水率相关下的SWCC

图8　修正后的体积含水率相关下的SWCC

2.21D-SDSWCC型压力板仪

Geo-Expert公司所生产的SDSWCC压力板仪系统是当前市场上技术性能较为优越，自动化程度较高，高校和研究所采用较多的土水特征曲线压力板仪(图9)。SDSWCC依据香港科技大学吴宏伟教授数十年非饱和土测试的科研成果，更加贴合实际使用需求，能获得更客观、更准确的测试结果。

图9　1D-SDSWCC型压力板仪

2.2.1室内试验步骤

①试验进行前需要充分饱和陶土板和土样，土样放入容器时保证试样与陶土板充分接触。

②向土样施加5 kPa的气压，试样在气压作用下向平衡管排水，慢慢达到平衡状态。当量管体积变化每2 h不超过0.01 mL时为平衡状态。

③加载气压分别为5、10、25、50、100、200 kPa下重复步骤2。

④完成脱湿过程后，继续沿吸湿过程进行，递减段气压分别为100、50、25 kPa。

⑤脱湿阶段结束后卸去气压，取出土样称量，烘干后再次称量，计算出最后一级试样的重力含水率,利用式(1)计算体积含水率，最后根据计算的数据绘制土样的土水特征曲线。

2.2.2实验结果及分析

根据测得的数据绘制的南京某土样SWCC如图10。

图10　压力板仪测得的某南京土样SWCC

实验结果分析：

①整个试验数据绘制的曲线分为脱湿和吸湿2个过程。在加压过程中，土样排水；在卸压过程中，土样吸水，形成一滞回圈。产生滞回现象的主要原因是，经过加压和卸压过程后，土样内部空隙的结构形状发生变化；

②即使在同一基质吸力下，吸湿过程和脱湿过程在此基质吸力下所对应的含水量也不相同，一般来说脱湿过程的含水量总是略高于吸湿过程的含水量。

试验中出现的问题：

①仪器的稳压性能不是很好，实验过程中经常出现跑压现象，因此在试验过程中应注意随时修正基质吸力；

②实验含水率的测定主要是通过排水体积来计算，实验过程中要注意整个系统的密封性，与外界有通气的管口注意保证密闭，垂直管壁上的水分及时冲刷，防止水分的损失。

3　时域反射计与热传导探头测量技术

3.1时域反射计

时域反射计(TDR)主要分为陶瓷探头和传感元件部分。首先测得土中的介电参数，然后参照介电参数与土样含水率之间一一对应的关系曲线即可得到土样的含水率。

2014年浙江大学的陈仁朋等[6]利用张力计和时域反射计量器，分别测量路基粗颗粒土在不同高度处吸湿和脱湿阶段的基质吸力、介电常数。该试验所用的TDR探头设计如图11。

图11　TDR探头结构图(单位：mm)

整个试验有饱和进水和排水蒸发2个过程。进水阶段：正确安装完试样后，开启阀门，同时保持水头恒定饱和土样。排水蒸发阶段：土样充分饱和后关闭进水阀门，等待一段时间确保土样饱和均匀。当各层土样TDR示数稳定时，分若干次打开阀门排水。每次排完水直到TDR示数稳定，记录下各层土体TDR与张力计的读数，据此绘制排水阶段土水特征曲线。当阀门无水流出时表示排水阶段完成。此时，关闭阀门，同时开启顶盖，让试样自然蒸发。蒸发过程中即可测量各层土体含水率与基质吸力，尤其是在h=500 mm处，直到各层土体张力计读数不再变化。蒸发持续时间约为180 h。最后，根据测得的数据绘制出蒸发阶段的土水特征曲线。

数据分析：试样填筑完进行试验前，将TDR探头与Campbell公司的多路板和电磁波接发器TDR100相连，实时测试土体进水饱和、排水、蒸发过程中的波形。根据检测数据绘出两者之间的关系曲线，如图12所示。

图12　TDR法测得的试样含水率与Ka关系图

通过张力计测得各个阶段不同层土体基质吸力随时间变化的数据，同时，利用TDR测得相应基质吸力下的试样含水率，根据测得的数据即可绘制土水特征曲线。

3.2热传导探头

热传导探头法的理论基础是利用陶土材料的热传导能力随湿度变化的关系以及率定好的温度变化率与吸力之间的一一对应关系来测量吸力，是一种间接测量方法。实验时，加热器在一定的时间间隔内给陶土探头加热，同时由高精度的温度感应器测量温度变化。

Saskatchewan大学1997年在原热传导探头的基础上改进了部分组成部分，研制出新的热传导探头[13]。新型的热传导探头经过改进，对陶瓷探头进行了特殊的处理，从而提高了其使用次数和时间。温度感应元件使用高集成电路，在信号的输出方面表现更加出色，因此精度也得到极大的提高。

2003年成都理工大学的吴舟礼等[14]在湖南设立观测井，对某边坡进行了为期2个月的观测。试验所用测量饱和度的仪器来自美国公司生产的AQUA-TEL-TDR型水分仪，而吸力的测量则使用了清华大学研制的TS-I热传导探头。根据观测数据绘制的不同深度下的吸力值如图13所示。

图13　旱季吸力随深度的变化

4　结论

1)普通张力计法用于测量90 kPa以内的吸力快捷方便，可用于现场快速测量。而高量程张力计的实用性和可靠性则需要更新的技术和手段来提高。

2)滤纸法简单可靠，花费小，吸力的测量范围不受限制，而且能同时测基质吸力和总吸力，但试验操作步骤要求较为严格，一些细小的差错就可能导致试验结果与理想结果出现较大的偏差，因此试验者需要具备较强的操作能力。

3)压力板仪法作为直接测量基质吸力的方法较为可靠，但需要在室内进行试验，周期长。

4)目前关于非饱和土的研究还在不断进行中，理论和实践都在不断迅速发展，随着理论和实践的发展，必然会导致相应的技术、设备、材料的进步，新的更加方便、更加精密、更加实用的试验装置及技术还会出现。

[1]O′KANE WILSON M,BARBOUR G W.Instrumentationandmonitoring of an engineered soil cover system formine waste rock[J].Can Geotech J,1998,35(5):828-846.

[2]LIM T T,RAHARDJO H,CHANG M F,et al.Effect of rainfall on metricsuction in a Residua l Soil Slope[J].Can Geotech J,1996,33(6):618-628.

[3]王钊,龚壁卫,包承纲.鄂北膨胀土坡基质吸力的量测[J].岩土工程学报,2001,23(1):64-67.

[4]Ng C C W,BAO C G,FREDLUND D G.Performance of an unsaturated expansive soil slope subjected to artificial rainfallinfiltration[J],Geotechnique,2003,53 (2):143-157.

[5]DRUMM E C.Pavement response due to seasonal changes in sugared moisture conditions[C]//Proc 2nd Int Conf on Unsaturated Soils.Beijing:International Academic Publisher,1998:196-201.

[6]陈仁朋,吴进,亓帅等.高铁路基粗颗粒土水力学参数测试方法研究[J].岩土工程学报,2015,37(12):3365-3372.

[7]RIDLEY A M,BURLAND J B.A new instrument for the measur-ment of soil moisture suction[J].Geotechnique,1993,43(2):321-324.

[8]MARINHO F A M.Discussion on the use of miniature porepressure transducers in measuring matrix suction inunsaturatedsoils[J].Geotech Testing J,2000,23(4):532-534.

[9]MEILANI I,RAHARDJO H,LEONG E C,et al.Mini suctionprobe for matrix suction measurements[J].Can Geotech J,2002,39(6):1427-1432.

[10]李萍,李同录,王红,等.非饱和黄土土水特征曲线与渗透系数Childs & Collis-Geroge模型预测[J].岩土力学，2013,34(10):184-189.

[11]王钊,杨进鑫,况娟娟,等.滤纸法在现场基质吸力测量中的应用[J].岩土工程学报,2003,25(7):1-4.

[12]李雄威.膨胀土湿热耦合性状与路堑边坡防护机理研究[D].武汉:中国科学院武汉岩土力学研究所,2008:70-83.

[13]SHUAI F,FREDLUND D G.Use of new thermal Conductivity sensor to measure soil suction[C]//Advancesin Unsaturated Geotechnics.Denver:Denver International Academic Publisher,2000:1-12.

[14]吴舟礼,黄润秋，胡瑞林,等.膨胀土自然边坡吸力和饱和度量测[J].岩石力学与工程学报,2005,27(4):343-346.

责任编辑：唐海燕

Analysis and Application on Matrix Suction Testing of Unsaturated Soil

Unsaturated soil mechanics is a hot and difficult spot in rock and soil mechanics.Soil-water characteristic curve embodies the water holding capacity of the unsaturated soil,which is one of the core issues in unsaturated soil mechanics.Field and lab experiments are usually conducted on unsaturated soil matrix suction to obtain effective soil-water characteristic curve.There are many testing methods by using tensiometer,filter paper,thermal conductive sensor,dialysis,TDR and pressure plate apparatus,among which the widely used tensiometer,filter paper TDR pressure plate apparatus and thermal conductive sensor are summarized and analyzed after application.

unsaturated soil;matrix suction;soil-water characteristic curve;testing method

10.3969/j.issn.1671-0436.2016.04.001

2016- 01- 29

江苏省科学技术厅基础研究计划(自然科学基金)面上研究项目(BK20131141)

居尚威(1990—)，男，硕士研究生。

TU43

A

1671- 0436(2016)04- 0001- 06