非饱和土土水特征曲线特性研究

孙广利 张倚宁

吉林建筑大学测绘与勘查学院（130118）

0 引言

非饱和土被认为是由四相组成，除了固相、气相和液相之外，非饱和土中的水气分界面应看作是另一种独立的相，称之为收缩膜。 非饱和土土水特征曲线的概念来自于土壤学，是土的含水率（重量含水率或体积含水率）或饱和度随吸力（基质吸力或总的吸力）变化的一个特征曲线。在自然界中，非饱和土存在的比较广泛。在工程中经常遇到的许多问题（土坡的稳定性分析，地基承载力的计算，渗流问题，土压力问题）都与非饱和土的抗剪强度密切相关。 由于非饱和土是四相体系组成，所以非饱和土的工程性质非常复杂，由于水气分界面存在一个独立的收缩膜，所以非饱和土抗剪强度很难确定。 在非饱和土土力学中分析土的应力状态变量和抗剪强度，非饱和土抗剪强度与基质吸力有密切关系，基质吸力等于孔隙气压力减去孔隙水压力。基质吸力与土中的含水率有着密切的关系，随着含水率的减小或增加，基质吸力会变化，这就需要研究土水特征曲线如何影响非饱和土抗剪强度指标。对于非饱和土的研究来说，最重要是研究土水特征曲线特征，即本构关系，现在研究非饱和土都是通过基质吸力来分析的，忽略了土体围压对土水特征曲线的影响。文章基于基质吸力，在改变围压的情况下展开研究，拟合更好的符合实际工程发生的水土特征曲线。

1 试验

1.1 试验仪器介绍

本试验采用英国欧美大GDS 三轴仪，GDS 三轴仪由控制器、水压控制面板、陶土板、内压力室、外压力室及数据采集装置组成。

1.2 试验土样制备及试验操作步骤

1.2.1 试验土样制备

本次试验取样来自于长春某工程5～8 m 深的原状土，取出土样、装入土样筒后，用白色布条封好并做标记。 拿到实验室后，先将白色布条揭下，然后将土样从土样筒内取出，用钢丝锯将原状土的两端切掉，留出大概高出饱和器 2～3 cm 均可。 将剩下的土样放到分土器的中央位置，用圆环上的钢丝锯从上到下快速将土样均匀分成3 部分。 将切好的土样分别放到3 个不同的削土器上，在削土器边缘涂抹凡士林，边削边转动圆盘，直到切削到合适的直径（直径38 cm，高度20 cm)。 将削好的土样用饱和器装好，然后将土样饱和器置于真空缸中，打开抽气泵使气压到达到稳定的大气压， 对土样进行抽气1 h 及以上，然后注入蒸馏水，蒸馏水漫过土样饱和器时停止抽气，将土样在水中静置10 h 以上。

1.2.2 试验操作步骤

本试验分为三个阶段：吸力平衡阶段，等吸力固结阶段，等吸力剪切阶段。试验操作步骤：电脑开机—调节水压、饱和陶土板—调节水压、孔隙水压—安装土样、注水、调节围压—电脑参数设置、开始试验—卸压、清洗仪器—记录数据。

1.3 试验数据设置

利用GDS 非饱和土三轴仪对长春老黏性土原状土做三轴固结排水试验（CD 试验)，控制基质吸力为 0 kPa、25 kPa、50 kPa、75 kPa、100 kPa、125 kPa。净围压分别为 100 kPa、200 kPa、300 kPa。

2 分析与结果

在不同围压、基质吸力相同条件下的土水特征曲线见图2～图8。图2～图8 的土水特征曲线变化基本一致。 从不同基质吸力下的土水特征曲线可以看出，非饱和土的土水特征曲线并没有明显的峰值现硬化性，与饱和土的土水特征曲线相似。 土样没有明显的破坏面，呈鼓状。 在控制基质吸力不变的条件下，不断地增加土样的净围压，偏应力的峰值是不断增大的，而且净围压越大所表现出来的偏应力的峰值就越大。 试验表明，控制基质吸力不变的条件下，土样的强度随净围压的增大而增大。

图2 土水特征曲线

图3 基质吸力0 kPa 下土水特征曲线

图4 基质吸力0 kPa 下土水特征曲线

图5 基质吸力50 kPa 下土水特征曲线

图6 基质吸力75 kPa 下土水特征曲线

图7 基质吸力100 kPa 下土水特征曲线

图8 基质吸力125 kPa 下土水特征曲线

3 结论

1）随着基质吸力的不断增大，饱和度逐渐减小。

2）基质吸力小于100 kPa，粘聚力与基质吸力呈非线性增长，增长曲线逐渐变缓；基质吸力大于100 kPa，粘聚力与基质吸力呈线性增长。

3）非饱和土土水特征曲线没有明显的峰值，饱和土试样与非饱和土试样破坏形都呈现鼓状。

4）非饱和土随着基质吸力的增大，基质吸力对土的抗剪强度有很大的影响。

5）围压的增加可以改变非饱和土抵抗破坏的能力，并能使土水特征曲线趋势变缓。