文章编号:1001-831X (2001)05-0375-04
非饱和粉质粘土的土水特性试验研究
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何鸿燊玩过的女明星刘晓敏1
, 赵慧丽2
, 王连俊
1
(1.北方交通大学土木建筑工程学院，北京 100044;2.石家庄铁道学院交通工程系，石家庄 050043)
摘 要：本文简要介绍了非饱和土的吸力概念与土水特征曲线，针对土水特征曲线难以描述的问题，对北京地区普遍分布的非饱和粉质粘土进行研究。利用Tempe 压力板吸力仪测出粉质粘土的土—水特征曲线，通过线性拟合分析得出其吸力方程，并对方程进行了误差分析。
关键词：粉质粘土；基质吸力；土—水特征曲线
中图分类号:T U44 文献标识码:A
1 非饱和土的吸力与土水特征曲线方程
非饱和土不同于饱和土的最本质的原因就是吸力的存在。一般来说，研究非饱和土的吸力就是指研究基质吸力。基质吸力指空隙气压力u a 和空隙水压力u w 的差值u a -u w ，它反映了以土的结构、土颗粒成分及孔隙大小和分布形态为特征的土的基质对土中水分的吸持作用，是研究非饱和土工程性质的一项重要参数。基质吸力的存在是造成非饱和土与饱和土工程性质有明显差异的根本原因[1]。
非饱和土的水分都处在一定的吸力状态下，随着含水量的变化，吸力也发生变化，含水量和基质吸力的关系称为土-水特征曲线。在特定情况下,(如土体水分仅受单一外界因素作用时)，它是土含水量的唯一函数，该曲线目前还不能根据土的基本性质由理论分析得出，只能用实验方法测定。
大部分用于描述土水特征曲线的方程式是根据经验和曲线的形状而建立起来的，以下公式都是以土的粒度分布为基础的。列表如下[2]:
从表1中可以看出，描述土水特征曲线的方程都比较复杂，未知参数多由经验得到，而且参数比较多，应用起来比较困难。所以本文拟直接从土水特征曲线着手，研究它的应用方程。
此外，对于非饱和土的土水特征曲线方程并不是唯一的。土的类型不同，所得出的方程也有所不同。
在本文中是以北京地区非饱和粉质粘土为研究对象进行试验。
第21卷 第5期 地 下 空 间 Vo l.21 N o.52001年12月 U N DER GRO U N D SP ACE D ec.2001
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收稿日期:2001-06-05
作者简介：刘晓敏(1977-)，女，硕士。
描述土水特征曲线方程式表1提出者方程式参数含义
F redlund and Xing H w=c(h)
H s
ln ex p(1)+
h
a
b c
c(h)=1-
ln1+
h
h r
福原爱二胎孕肚照ln1+
106
脸大剪什么发型h r
a——表示进气值函数的土性参数
b——当超过土的进气值时，表示与
土中水流出率函数的土性参数
c——表示残留含水量函数的土性参
数
h r——当出现残留含水量时表示吸力
的函数的土性参数
F redlund and Xing H w=
H s
ln exp(1)+
h
a
c a、b、c含义同上
V an Genucht en H w=H r+
H s-H r
1+
h
刘特>李现飞机12厘米a
b c
H r——残余体积含水量
a、b、c含义同上
特别伤感的文案V an G enuchten and Bur-dine H w=H r+
H s-H r
1+
h
a
b1-
2
b
H r、a、b含义同上
G ardner H w=H r+(H s-H r)
1+
h
a
b H r、a、b、c含义同上
Bro oks and Co rey H w=H r+(H s-H r)a b
h
b b
H r——残余体积含水量
A a——气泡压力
b b——孔隙尺寸指数
W illiams et al ln H e=A+B ln h A——适当参数B——适当参数
H e——有效体积含水量
2 T em pe仪量测吸力
目前，国内外吸力测试技术按方式可分为:
(1)直接测量法：压力板吸力仪，负压计(张力计);
(2)间接测量法：热传导吸力探头，热偶湿度计，石膏(或玻璃纤维)电阻计，滤纸法。
本次试验，试验仪器选用的是T empe仪，试验用土为粉质粘土，取自北方交通大学教学东配楼基坑工程。土性指标为:C=19kN/m3,X=18%,S r=65%,U=28°。
使用T empe仪时，首先将土件置于T em pe仪护筒内的高进气值陶瓷板上，然后使高进气值陶瓷板和土试件饱和，高进气值陶瓷板下设有一排水管，供土试件排水之用。土试件饱和后，从仪器中排除多余的水，然后将顶板安装好并上紧，通过顶板上的进气管施加气压力，顶板和底板在试验过程中紧密连接在一起。设定气压力等于所需的基质吸力值。一旦施加气压力，试件就通过高进气值陶瓷板排水，直至达到平衡。土的基质吸力就等于施加的气压力。达到平衡的时间取决于试件的厚度和渗透性，以及高进气值陶瓷板的渗透性。在达到平衡后，称量试件和仪器的重量，以便测定其含水量的变化(本次试验中的含水量指体积含水量，其定义为水的376地 下 空 间 第21卷
体积与土的总体积的比值，与重力含水量w 的关系为H =
w Q d
Q
w )。然后，在施加更高气压力(即更高的基质吸力)下，重复这一步骤。
[3]3 试验结果及分析
试验共取了16组土样，压力水柱的高度(cm)分别为10,20,35,50,70,90,120,150,200,
300,400,600,800,1000,2000,3000,5000,10000，测得不同的体积含水量，绘制图表(半对数坐标)如下
:
图1 土——水特征曲线
由上图可看出:
(1)粉质粘土的土——水特征曲线呈现“S ”形。
(2)体积含水量随基质吸力的增加而递减，这与一般的理论知识是一致的。
(3)体积含水量随基质吸力的增加而递减的趋势中间变化较大,
而两端的变化相对较小。
图2 土——水特征曲线(a ) 图3 土——水特征曲线(b )
分析图1，将图中所示曲线分成两段来考虑，即10～300cm 和300～10,000cm 。分段后的曲线表示如图2、图3，对图2中各曲线采用形如H i =a i h 2
+b i h +c i 的二项式拟合，式中各变量、参数意义如下:H i ——各基质吸力对应的体积含水量;h ——压力水柱高度表示的基质吸力;a i ,b i ,c i ——为拟合系数,
拟合系数见表2。
对图3中各曲线采用形如H i =d i ln h +f i 的方程来进行拟合。其中式中各变量、参数意义为:H i 、h 意义同上,d i ,f i 为拟合系数，拟合系数见表3。
377
2001年第5期 刘晓敏等：非饱和粉质粘土的土水特性试验研究
各条曲线拟合的系数值 表2图3各曲线拟合系数值 表3
系数组数a i b i c i 1-0.0005-0.006545.821
2-0.0001-0.02248.477
3-0.0002-0.007451.78
4-0.0002-0.005251.736
5-0.0000-0.027044.758
6-0.0002-0.004549.444
7-0.0002-0.009551.962
8-0.0002-0.00650.983
9-0.0001-0.006846.606 10-0.0005-0.037141.979 11-0.0005-0.033044.232 12-0.00020.005446.390 13-0.0001-0.006640.166 14-0.0001 0.009542.412 15-0.00005-0.009542.986 16-0.00005-0.018236.950算术平均值-0.0002-0.011546.043
系数组数d i f i 1-4.949754.881
2-6.373570.622
3-4.968454.271
4-5.891158.271
5-5.858259.489
6-7.240669.031
7-5.751758.940
8-5.279761.154
9-4.041348.462
10-4.401453.042
11-4.958752.790
12-4.322352.459
13-4.478556.821
14-5.268063.813
15-3.675746.799
16-4.651752.495算术平均值-5.131957.0838
根据求得的算术平均值，可以得出在压力水柱在10～300cm之间时描述土水特征曲线的方程式为:
H=-0.0002h2-0.0115h+46.043(1) 同理，可得出压力水柱在300～10,000cm之间描述土水特征曲线的方程式为:
H=- 5.1319ln h+57.0838 (2) 压力水柱高度在10～300cm之间时体积含水量计算值与试验值的误差如表2所示:
体积含水量计算值与试验值的相对误差(10～300cm)表4
压力水柱(cm)102035507090120150200300计算值(%)45.9145.7345.3944.9644.2643.3941.7839.8235.7424.59试验值(%)45.3344.9945.0345.0144.5743.7642.2940.6337.6125.52相对误差(%) 1.38 1.640.800.100.700.86 1.21 2.00 4.97 3.64 压力水柱在400～10,000cm之间时体积含水量计算值与试验值的误差如表3所示:
体积含水量计算值与试验值的相对误差(300～10,000cm)表5压力水柱(cm)300400600800100020003000500010000计算值(%)27.8126.3424.2622.7821.6318.0715.9913.379.81试验值(%)25.5226.5922.7420.3419.4815.6614.5813.5112.61相对误差(%)8.980.97 6.6411.9711.0415.469.70 1.0222.12 从以上计算可以看出，当压力水柱在10～300cm之间时，可得体积含水量和基质吸力之间的简单关系表达式H=-0.0002h2-0.0115h+46.043，计算精度满足工程要求且公式简单；当压力水柱在300～10,000cm之间时，由表达式H=-5.1319ln h+57.0838计算的结果不太令人满意，误差比较大。
(下转第385页)
378地 下 空 间 第21卷
参考文献:
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(上接第378页)
4 结 语
通过T em pe 压力板试验，对非饱和粉质粘土进行了研究。经过对试验数据的拟合分析，得出了吸力的计算公式，且证明了当非饱和粉质粘土的基质吸力较小时，体积含水量与吸力具有简单的二项式关系，计算误差符合工程要求；但当基质吸力较大时，计算的结果不甚满意，这与非饱和土在高吸力条件下性质复杂，不无关系，可见在高吸力条件下，仅考虑基质吸力与体积含水量的单一关系是不够的，还有待与进一步研究。参考文献:
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2001年第5期 卢再华等：非饱和膨胀土本构模型的试验研究及分析
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