非饱和砾石土渗透特性试验研究.pdf

分类号 TU4UDC _密级专业学位硕士学位论文非饱和砾石土渗透特性试验研究本课题为国家自然科学基金（项目编号：NO.51678166）资助项目学科专业 工程硕士（建筑与土木工程领域）非饱和砾石土渗透特性试验研究摘要砾石土在自然界中储量丰富，分布广泛，具有压实性好，填筑密度大，抗剪强度高等特点，因此在土石坝防渗体中得到了广泛的应用。然而目前 针对砾石土的各方面特性的研究大多建立在砾石土饱和的前提之下，对非 饱和情况下的砾石土的工程特性却鲜有提及。本文以武汉某土石坝砾石土 为研究对象，在非饱和土力学理论的基础上，通过压力板仪进行了 9组不 同级配以及不同压实度的砾石土的土水特征曲线的试验研究，探讨了砾石 士在不同级配以及不同干密度下土水特征曲线的变化规律。使用了土壤非 饱和导水仪测定其中3组试样的渗透系数,结合前文的土水特征曲线试验，对非饱和砾石土渗透系数在不同基质吸力下的变化规律进行研究。此外，通过对非饱和砾石土水平入渗试验探讨了砾石土的入渗特性。主要研究内容及结论如下：(1)使用压力板仪对9组非饱和砾石土进行的土水特征曲线试验研究,研究表明：砾石土整体显示了黏性土的特征。在一定的级配下，压实度越 大的土样，孔径较小且分布均匀，持水能力好，排水困难。当压实度一定 时，细粒较多，粗砾较少的土样排水效率高于其他粗颗粒较多的级配，在 500Kpa压力级数下残余含水量也远低于其他两个级配，这与砾石土这种粗 砾，中粒，细粒与粉粒相互填充后，级配较为不均匀的土样有着更低的孔 隙率密切相关。(2)非饱和砾石土土水特征曲线具有高度的非线性性。利用BrooksCorey模型,Van Genucht en模型以及Gardner模型三种不同的模型对不同影 响因素下的数据进行拟合与比较。发现Van Gencht en模型与Gardner模型 对砾石土有很好的拟合精度。通过拟合得到了该砾石土相应的模型参数取 值范围：Van Genucht en 模型 a 取 0.05-0.15,mW 0.1 0.35,Gardner 模型 p 取0.020.045；b取0.51。将各个土样的干密度与Van Genucht en模型和 Gardner模型各参数进行非线性回归，总结了非饱和砾石土干密度与Van Genucht en模型和Gardner模型参数之间的规律公式。(3)非饱和砾石土渗透系数的研究表明：在同一级配下，随着压实度 的增加，非饱和砾石土的渗透系数越小，但随着基质吸力的增大，这个差 距越来越小,三个压实度的渗透系数趋于一致,当基质吸力达到lOMpa时，不同压实度土样的渗透系数基本相同。当压实度一定时，CH2级配渗透系 数最小，CH3级配渗透系数最大。CH2 土样内细颗粒最多，孔隙分布均匀 且密集，由于土颗粒在中黏粒较多，水分容易在颗粒之间形成水膜封住本 就细小的孔隙，使得水分更加地难以通过。(4)非饱和砾石土水平入渗的物理模型试验表明：土壤初始含水量低，土壤基质吸力越大，形成水势梯度越大，但土壤非饱和导水系数越小，使 得土壤运移速度缓慢。当土壤含水量处于较高水平时，土壤基质吸力降低，水势梯度变小。使用Fredhmd&Xing模型拟合非饱和砾石土吸湿曲线，精度 较高，说明FX模型对非饱和砾石土吸湿曲线有较强的适用性。针对非饱和 砾石土建议FX参数为取值范围a为2040,n为0.057,m为0.010.1。II关键词：砾石土，非饱和，土水特征曲线，渗透系数，基质吸力IIIExperimental study on permeability characteristics of unsaturated gravel soilABSTRACTGravel soil is rich in nat ural reserves,widely dist ribut ed,wit h good compact ion,high filling densit y,high shear st rengt h,so it has been widely used in eart h-rock dam impervious body.However,at present,t he research on t he charact erist ics of gravel soil is most ly based on t he premise of sat urat ion of gravel soil,but t he engineering charact erist ics of unsat urat ed gravel soil are seldom ment ioned.Based on t he t heory of unsat urat ed soil mechanics,nine groups of soil-wat er charact erist ic curves of gravel soils wit h different gradat ion and different compact ion degree were t est ed by pressure plat e apparat us.The variat ion rules of soil-wat er charact erist ic curves of gravel soils wit h different gradat ion and different dry densit y were discussed.Law.The permeabilit y coefficient s of t hree groups of samples were measured by soil unsat urat ed wat er conduct ivit y met er,and t he variat ion law of permeabilit y coefficient s of unsat urat ed gravel soil under different mat ric suct ion was st udied by combining t he soil wat er charact erist ic curve t est ment ioned above.In addit ion,t he infilt rat ion charact erist ics of gravelly soil are discussed t hrough horizont al infilt rat ion t est of unsat urat ed gravelly soil.The main research cont ent s and conclusions are as follows:(1)The soil-wat er charact erist ic curves of 9 groups of unsat urat ed gravel soils were t est ed by pressure plat e t est er.The result s show t hat t he whole gravel soils show t he charact erist ics of clayey soils.Under cert ain gradat ion,t he larger t he degree of compact ion,t he smaller t he pore size and uniform dist ribut ion,good wat er holding capacit y,difficult t o drain.When t he degree of compact ion is fixed,t he drainage efficiency of soil wit h more fine part icles and less coarse gravel is higher t han t hat of ot her coarse part icles,and t he residual wat er cont ent is also much lower t han t he ot her t wo gradat ions under 500 Kpa pressure series.This is closely relat ed t o t he lower porosit y of gravel soil,which is filled wit h coarse,medium,fine and silt y grains.(2)t he soil wat er charact erist ic curve of unsat urat ed gravelly soil is highly IVnonlinear.Brooks Corey model,Van Genucht en model and Gardner model are used t o fit and compare t he dat a under different influencing fact ors.It is found t hat t he Van Gencht en model and Gardner model have a good fit t ing accuracy for gravelly soil.The corresponding model paramet ers of t he gravel soil are obt ained by fit t ing:Van Genucht en model a is 0.05-0.15,m is 0.1-0.35,Gardner model P is 0.02-0.045,and B is 0.5-1.Nonlinear regression was performed bet ween t he dry densit y of each soil sample and t he paramet ers of Van Genucht en model and Gardner model.The regularit y formula bet ween t he dry densit y of unsat urat ed gravel soil and t he paramet ers of Van Genucht en model and Gardner model was summarized.(3)The st udy of permeabilit y coefficient of unsat urat ed gravel soil shows t hat t he permeabilit y coefficient of unsat urat ed gravel soil decreases wit h t he increase of compact ion degree under t he same gradat ion,but wit h t he increase of mat rix suct ion,t he difference becomes smaller and smaller,and t he permeabilit y coefficient s of t he t hree compact ion degrees t end t o be t he same.When t he mat rix suct ion reaches 10 Mpa,t he different compact ion degree will be different.The permeabilit y coefficient of soil samples is basically t he same.When compact ness is const ant,t he permeabilit y coefficient of CH2 gradat ion is t he smallest,and t he permeabilit y coefficient of CH3 grading is t he largest.CH2 soil sample has t he most fine part icles,and pore dist ribut ion is uniform and dense.Because soil part icles are more in t he middle clay,wat er is easy t o form a wat er film bet ween t he part icles t o seal t he original small pores,making wat er more difficult t o pass t hrough.(4)The physical model t est of horizont al infilt rat ion of unsat urat ed gravel soil shows t hat t he lower t he init ial soil wat er cont ent,t he great er t he suct ion of soil mat rix,t he great er t he format ion of wat er pot ent ial gradient,but t he smaller t he coefficient of unsat urat ed wat er conduct ivit y,t he slower t he soil migrat ion.When t he soil wat er cont ent is at a high level,t he soil mat rix suct ion decreases and t he wat er pot ent ial gradient decreases.Fredlund-Xing model is used t o fit t he moist ure absorpt ion curve of unsat urat ed gravel soil wit h high precision,which shows t hat FX model has a st rong applicabilit y t o t he moist ure absorpt ion curve of unsat urat ed gravel soil.For unsat urat ed gravel soil,t he recommended FX paramet ers are a 2040,n 0.05-1 and m 0.01-0.1.1vKeywords:gravel map,unsat urat ed,soil-wat er charact erist ic curve,permeabilit y coefficient,mat ric suct ionw目录摘要.ABSTRACT.IV目录.VII第一章绪论.11.1 引言.11.2 研究背景及意义.11.3 国内外研究现状.21.4 研究内容及技术路线.41.4.1 研究内容.41.4.2 研究路线.5第二章非饱和土土水特征曲线.62.1 土水特征曲线概述.62.2 土水特征曲线测定方法.82.3 土水特征曲线主要影响因素.92.4 土水特征曲线数学模型.102.5 土水特征曲线研究现状.132.6 本章小结.15第三章 不同级配不同压实度对砾石土的土水特征曲线试验研究.163.1 引言.163.2 土样选取及工程性质.163.3 压力板仪测定土水特征曲线试验研究.173.3.1 试验仪器.173.3.2 试验方案.183.3.3 试验步骤.203.3.4 相关计算公式.233.4 试验结果.24VII3.5 非饱和砾石土土水特征曲线数学模型拟合.293.6 非饱和砾石土不同干密度下VG模型土水特征曲线参数研究.353.7 本章小结.38第四章 非饱和砾石土渗透系数试验研究.404.1 弓|言.404.2 非饱和土渗透系数数学模型.404.2.1 宏观模型.404.2.2 统计学模型.414.3 各土样饱和渗透系数测定.424.3.1 土料准备.424.3.2 土样饱和装样读数.434.3.3 各试样饱和渗透系数结果.444.4 非饱和砾石土渗透系数实测值与拟合预测值验证.464.5 不同级配以及不同压实度下非饱和砾石土渗透系数分析.504.5.1 不同压实度的影响.504.5.2 不同级配的影响.524.6 本章小结.53第五章非饱和砾石土水平入渗物理模型试验研究.555.1 弓I 言.555.2 试验材料与方法.555.2.1 物理模型.555.2.2 模型填筑.565.2.3 试验方案.565.2.4 监测方案.565.3 试验结果.575.3.1 湿润锋迁移过程线.57532 土壤吸力变化规律分析.595.3.3 非饱和砾石土低基质吸力下吸湿土水特征曲线.635.4 本章小结.67第六章结论与展望.696.1 结论.696.2 展望.70参考文献.72致谢.77IX广西大学工程硕士学位论文非饱和砾石土渗透特性试验班究第一章绪论1.1 引言1943年,在太沙基出版的具有跨时代意义的理论土力学中把土力学定义为口“力 学与水力学原理在沉积物以及其他非压实堆积物有关的工程问题中的应用。而这些沉积（堆积）物则是物理的、化学的分解作用所形成的土体颗粒，不用考虑其中是否含有有 机物成分”。我们可以从上述经典土力学定义中得到非饱和土的启发。非饱和土，顾名思义，相对于饱和土来说，土处于一种“非饱和”的特殊状态，在 土水两相的土结构体系中加入了第三相气的概念：即土体中的孔隙水饱和度少于100%，土中的孔隙被空气填满。在实际工程以及自然界中涉及到的土体大多是非饱和土。随着 四季的变化，日照的强度以及降雨量变化，会时刻改变着地下水位的变化，此时地表水 与地下水之间的土体是处于一种半干旱半湿润状态的状态，该土层就是严格意义上的非 饱和土；非饱和土的分布十分广泛，例如，路堤，机场及土石坝填筑用土，地下水上方 周围高饱和土，即便是在被认为是饱和土的一些土体中，气体也是以气泡的形式存在于 孔隙水中，气相没有直接于土体接触，我国西南地区常见的膨胀土涨缩性，裂隙性，实 际上均与内部孔隙水气变化有关；此外，由于降雨引起的土体滑坡问题，基坑支护问题 以及边坡挡土墙问题均与非饱和土特性息息相关。1.2 研究背景及意义太沙基为经典饱和土力学所做出的贡献是不可磨灭的，为当时的土力学学术界打开 了一盏明灯，为许多工程难题提供了理论支持。这些问题囊括了土体渗流与固结问题，土体承载力问题，边坡稳定性计算等。然而处于非饱和状态下土与饱和土的性质是完全 不一样的，它不仅有固相（土粒以及部分胶结物质）和液相（水及水溶质）而且还有气 相（空气及水汽），气相的存在使得非饱和土力学的复杂性是普通饱和土力学远远不能 比的。绝不能惯性地盲目使用饱和土的力学体系，必须要创立自己的力学规律，非饱和 土力学建立和发展不但会使非饱和土力学发展成一门完整的学科，对岩土工程也会有长 足的影响。世界各地的道路，房屋，交通，水工建筑大多都受到非饱和土的严重危害，土中的 基质吸力与含水率相关，而基质吸力的变化又会引起土体抗剪强度的变化以及形变等。1广西大学工程硕士学位论文非饱和砾石土渗透特性试验研究众所周知膨胀土含水率增加时体积急剧变大，湿陷土含水率增加时抗剪强度迅速下降，在基坑工程中，降雨以及漏水使得土体含水率增加导致的坍塌事故己经不胜枚举，山体 边坡常年降水导致的滑坡，泥石流等地质灾害也在无时不刻地威胁着人们的生命财产安 全，阻碍了社会的发展与进步。要克服这些困难，迫使我们要深入地了解以及钻研非饱 和土的力学性质以及工程特性，因此，对非饱和土的研究是具有重大的现实意义的。砾石土分布广泛，具有良好的压实性，抗剪能力强等众多优秀的工程物理特性，随 着科技工艺不断发展及微电子技术的日益成熟，砾石土作为防渗料正在逐渐地被发掘其 潜在的经济价值。据可靠数据表明，国外150m以上土石坝几乎用的全是由砾石土作为 原料的防渗体，如乌克兰的马努坝(300m)和易思木坝(325m)、南美的奇科森坝(263m),印度的克林兹坝(261m)、加拿大的买加坝(245m)、哥伦比亚的瓜维奥坝(240m),美国的 奥斯威尔坝(235m)等都是使用砾石土作为其防渗材料。因此砾石土在国际社会中早己得 到了广泛的应用。宽级配砾石土，准确来说是天然土石黏粒的混合材料，通常被分为细 和粗粒两个组成，以5mm为界限，颗粒级配的组成决定了宽级配砾石土的工程特性。不同级配砾石土的地质性质表现出很大的差异性，特别是当砾石土作为防渗料时其本身 由于各种原因(降雨或者渗漏)处于非饱和状态，在不同的含水量的时候对应着某一基 质吸力，此时砾石土的强度以及渗透性是否还能满足要求，这就需要深入地研究非饱和 砾石土土水曲线及其渗透特性了。本文以武汉某土石坝为研究对象，利用 SOILMOISTURE压力板仪对重塑非饱和砾石土进行试验测定其土水特征曲线，定量分 析其在不同级配和压实度的影响下含水量和基质吸力的关系，基于试验结果拟合土水特 征曲线公式。然后通过测量非饱和砾石土渗透系数定量探讨了不同级配和不同压实度下 非饱和砾石土的渗透系数变化规律。最后通过水平入渗试验研究了非饱和砾石土综合入 渗特性，不仅对砾石土研究具有重要理论意义，而且能科学合理地指导工程实践，并达 到良好的经济效益，其意义巨大。1.3 国内外研究现状非饱和土是一个由气体，液体和固体组成的多相体系。气体通常认为是未被液体填 满空隙内的气体。液体通常被认为是土体中未被气体填满空隙内的液体。固体其实就是 土体也就是通常认为的土颗粒组成，包含了从粉粒、黏粒等细粒物质到砾，砂石等粗粒 2广西大学工程硕士学位论文非他和砾石土渗透特性试验研究物质。但除此之外，这三相体系不会是简单地三种物质清晰地分别组成，它们都是复杂 地你中有我，我中有你的耦合结构，例如，水蒸气会融于空隙气之中；又如空隙气同 样会溶于液相或者土体之中。学习并研究非饱和在设计和施工中影响的作用，是非常重 要的。杨庆等进行了大量的试验，包括膨胀力的以及抗剪强度的，发现非饱和膨胀土的 膨胀力与吸附系数有一定的关系，通过重塑样的大量的数据分析揭示了膨胀土与含水量 之间存在着很好的非线性关系。并在此基础上完善了非饱和膨胀土的抗剪强度公式。奕茂田等基于物理热力学定律开创性地建立了等直径圆土颗粒的弯液面方程，运 动迭代刚度矩阵法对耦合方程进行求解，进而确定了基质吸力。文中还创新性地考虑了 基质吸力的受力面积，提出了等效的基质吸力等新的概念。梅岭等网利用压力板仪对某地的重塑土样进行了土水特征曲线的试验发现，土样分 别在吸湿和脱湿的两个过程中，土样基质吸力在降低和升高，表层土体比深层土体对基 质吸力感知更加地灵敏，变化幅度偏大，并提出了一些减小试验误差的措施，为本地区 的土样做了基础性的研究。李永乐等进行了非饱和土的渗透特性的实验研究，利用特别制作的非饱和三轴仪 得出了在不同含水量下的围压与渗透系数关系，以及围压为定值时含水量与渗透系数的 关系，还给出了与之相关的拟合预测公式。徐永福等“】详述了几种水分特征曲线的分型模型,分别是：土体质量分布分型模型，孔隙表面的分型模型以及孔隙体积分布的分型模型。还认为其土体结构吸湿和脱湿过程 中接触角不尽相同。马天天等利用解析解得出了在修正剑桥模型的基础上的变形耦合弹塑性本构模型，该模型可描述塑形体的土水特征曲线响应等特点，增大进气值，最后通过对比验证，该 模型有效地模拟非饱和土的力学状态。缪林昌等山采取了通过对土骨架的受力分析，公式推导出非饱和土的刚度参数是一 个可以随着吸力变化而随之改变的重要参数。进而求解得出用土骨架应力表述的非饱和 士屈服函数以及硬化规律。杨松等口 3讨论了气体对非饱和土土体强度和变形的影响。粘聚力在小排气剪切 情况下随着饱和度的变化小是单调的，内摩擦角是一个变量，根据饱和度的增大而减小。3广西大学工程硕士学位论文非饱和砾石土渗透特性试验研究压实度增大则粘聚力和内摩擦角都增大。孙大松等阿表明直接测量非饱和土渗透系数太过麻烦，利用分型理论建立了孔隙分 型模型，导出用分维和进气值相关的理论表达式，最后与实测结果相比，该模型可靠实 用。王婷等从固结变化及三相结构出发，将非饱和土复杂的三相表观为骨架相与流体 相。通过各种基础试验(压缩，固结，三轴)得出相应参数，将复杂的三围问题二维化。崔颖1基于GDS非饱和土三轴试验系统，开发拓展其试验功能，探讨了通过直接 测量的低基质吸力的水渗流系数法，结合微光电镜扫描，。定量微观角度定量分析压实 膨胀粘土渗透过程中产生的微观、宏观变化特征。张昭(2013)PS利用土水特征曲线仪，测定了两组非饱和黄土土水特征曲线，分别 是无压情况和一定固结压力情况。对已有文献中Saskat chewan粉土、Indian Head冰债 土和黄土的土水特征曲线数据进行分析，发现水土体积比在小范围的基质吸力内孔隙比 与基质吸力成一条直线的关系，最后修改VG模型，提出新的概念性的土水特征曲线模 型。赵成刚等基于多孔介质理论解析推导出了非饱和土广义有效应力原理，本质上就 是综合考虑了影响非饱和土三种广义应力以及对应的广义变形。为非饱和土基本性质的 研究奠定了坚实的基础。1.4 研究内容及技术路线1.4.1 研究内容本文基于对已有非饱和持水性能及渗透性能研究文献的分析，主要以试验的方法，通过压力板仪测定了其土水特征曲线以及渗透系数，对非饱和砾石土土做了以下几个部 分研究：(1)使用压力板仪测定了 9组不同级配以及不同压实度下非饱和砾石土的土水特 征曲线以及其中一组渗透系数，分析总结试验现象，讨论了不同级配以及不同压实度下 非饱和土的持水能力变化特征。基于对试验数据的进一步分析，寻求能高效准确的预测 非饱和砾石土的土水特征曲线的数学模型。(2)通过拟合VG模型与Gardner模型，探讨非饱和砾石土干密度与两个模型各参 4广西大学工程硕士学位论文非饱和 砾石土渗透特性试验研究数之间的非线性关系。(3)通过对三组不同级配不同压实度非饱和砾石土渗透系数的测量，拟合然后预 测其他级配以及压实度的土样渗透系数。并定量地分析不同级配不同压实度下的非饱和 砾石土渗透系数的变化规律。(4)通过对非饱和砾石土水平入渗的物理模型试验，探讨非饱和砾石土渗透特性,通过对模型的湿润锋迁移，基质吸力以及含水量的实时监控，揭示非饱和砾石土入渗特 性，以及非饱和砾石土吸湿曲线的变化规律。1.4.2 研究路线为了深入对非饱和砾石土的渗透特性的研究。从2017年9月到2018年6月，笔者 查阅了大量的关于非饱和的文献和书籍并且做了大量的试验研究。在各位老师和同学的 指导和帮助下，拟定了试验方案。并且运用已有的非饱和理论对试验数据进行了整理分 析，揭示了非饱和砾石土的渗透特性规律。本文技术路线如下：图1-1技术路线图Fig.1-1 Technology Roadmap5广西大学工程硕士学位论文非饱和 砾石土渗透特性试验研究第二章 非饱和土土水特征曲线2.1 土水特征曲线概述土体吸力是土体内部各种复杂的物理化学作用产生的，而非饱和土内部三相系统内 含水率的大小对其的影响起到决定性的作用。土水特征曲线（SWCC）就是用于描述土 吸力与含水率之间本构关系的函数曲线，反映了土体中孔隙水的热力学势能与土体含水 率之间的关系。0!和乂也仃22在1974年根据大量的试验数据提出了一个描述上 水特征曲线典型形状的具有重大意义的概化模型。他们认为大多数土水特征曲线都可以 如果放在半对数坐标系里可以大概分为三段理想的直线，坐标系纵坐标表示土体吸力（对数坐标轴），横坐标表示含水量（从0到饱和含水量）；如下图所示：“毛细作用区“牢固吸附区“水膜吸附区二图2-1 士水特征曲线一般特征概念模型Fig.2-1 General charact erist ic concept ual model of soil wat er charact erist ic curve三段直线分别为牢固吸附段（1（）6104kpa）,水膜吸附段（1（）4100kpa）和毛细作用 段（100-0）。牢固吸附段的孔隙水由于分子间的作用力与化合价之间电荷吸引力吸附于 土体之内；而处于水膜吸附区的孔隙水主要以固液之间的相互作用力，以水膜的形式附 着于土颗粒的表面。土体在上述两个直线段中吸附的水量大小与土颗粒表面积，电荷密 度以及化合价等有紧密的相关关系。当土体含水率不断增加，附着于土颗粒的表面的水 膜厚到一定程度就会超过固液态之间相互作用力所能影响的范围，从而进入直线段第三 个阶段一毛细作用段，此时土体中的水主要受毛细作用影响，所吸附的水量主要与孔隙 6广西大学工程硕士学位论文非饱和砾石土渗透特性试验研究大小和土颗粒尺寸有着密切的关系口叫如下图所示，饱和含水量生表示土体中所有孔隙都被水填满时的含水量，进气压力 值也为土中进气的最小吸力值，此时土体中最大孔隙开始排水，气体开始进入，土体开 始出现非饱和状态。基质吸力从0到进气吸力值A的过程为边界效应段。从进气吸力值 到残余含水量B值的过程为转化段,该阶段随着基质吸力的增加，土体含水量急剧减小。当曲线过了残余含水量后，随着基质吸力的增加，含水量变化幅度越来越小。基质吸力(MPa)图2-2典型的土水特征曲线阶段划分Fig.2-2 The st age division of t ypical soil wat er charact erist ic curve残余含水量对应着土水特征上的一点，为土水特征曲线的重要参数。对此参数岩土 学术界有着不同的看法。Brooks和Corey(1964)23提出残余含水量是当基质吸力达到无 穷大时对应的土体含水量。而在实际的试验过程中，基质吸力值不可能达到无穷大。Van Genucht en等网【26】则认为残余含水量是基质吸力达到i500kPa时对应的土体含水量，而 在某些高塑性的土质中，此吸力值却远远未达到。这些数据上的不确定性局限于当时技 术设备不够完善，事实上，用增加基质吸力的办法得到的残余含水量并非土体所能达到 的含水率最低值，使用蒸发，离心脱水等办法得到的土体含水量可以远小于残余含水量,所以残余含水量并不容易得出。对此龚壁卫等提出对于非饱和膨胀土的残余含水量可以 考虑用缩限含水量来替代。Luckner等磔】认为可以将残余含水率定义为土体孔隙中液体 流动和膜流动的分界线，土体在残余含水率下是不贯通的，土颗粒表面的液体呈现为膜 状，被气相和土颗粒所包围，于是这种气贯通，而水不连续时的土的含水率为残余含水 率。7广西大学工程硕士学位论文非饱和砾石土渗透特性试验研究2.2 土水特征曲线测定方法常用的绘制土水特征曲线方法无外乎同时测量土体基质吸力和含水率，通过多个点 的测量得到一条完整的土水特征曲线。受限于试验成本，复杂程度和测量范围的不同，测量土的吸力方法也多种多样，总体来说，可用测量的是基质吸力还是总吸力来进行区 分。(1)总吸力测量：冷镜湿度计法，非接触式滤纸法，双压湿度控制法，等压湿度控 制法。(2)基质吸力测量：轴平移法，电/热传导传感器法，张力计法。室内实验室常用的一般是基于轴平移法的陶瓷压力板仪。轴平移技术是指在试验进 行时逐渐提高孔隙气压力，而用饱和高进气材料保持土体内部孔隙水压力在某个参考值,进而对基质压力进行控制。试验进行时，在气压增加的同时，允许孔隙水通过高进气陶 瓷压力板排出土体，水不断地排出土体，直至土的含水量与所施加的基质吸力之间达到 平衡，该基质吸力是陶瓷版底面上的水压与另一面上气压的差值。每一块陶瓷压力板都 有其出厂的最大进气值，施加于其上的最大气压不能超过其最大进气值，一旦超过，测 量得出的结果会发生很大的误差而且压力板有着被压坏的风险。在试验过程中，要时刻 记录水的流动情况，当水不在排出时，测量土样的含水率，于是得到土水特征曲线上的 一个数据点，在更大的气压值下，重复相同的试验步骤，便可得出一条其他的土水特征 曲线数据点。图2-3张力计核心示意图Fig.2-3 The core diagram of t he t ension met er张力计测量法也被广泛地用于室内或者现场的土体吸力测量。标准张力计是一根装 8广西大学工程硕士学位论文非饱和 炼石土渗透特性试验研究满水的管子，一头连接着高进气值陶瓷材料，一头安装着可以测量负水头的传感器。水 可以在张力计中无阻碍运动，只至传感器中的内压与土中孔隙压力平衡为止。张力计可 以通过传感器与土中水直接的交换来进行土中孔隙压力的测量，即如果土体吸湿，水流 将从土中流向张力计传感器中直至压力达到平衡，张力计可迅速读出此时孔隙压力，如 果传感器考虑了重力势能，对传感器和压力机的高程差进行修正，就可以直接测量土体 基质吸力。测量时要保证陶瓷材料探头与土体接触良好，在进行测量之前，张力计必须 先用蒸福水充满整个测量系统，排出内部所有气体，保证其充分饱和。2.3 土水特征曲线主要影响因素土水特征曲线可以直观地表现出土体基质吸力和含水量关系。土体内部矿物组成、颗粒分布状态、孔隙结构、土体应力路径、土体初始含水量等均为影响土水特征曲线变 化的重要因素，其中土体的矿物成分和孔隙结构为至关重要的两个基本繇响因素。土体 应力路径以及初始含水量等外部因素都是通过影响以上两个因素来起作用的。要研究土 水特征曲线就要把握各种不同因素的影响。(1)土体的矿物组成成份。主要是指土体颗粒矿物质组成成份和孔隙水中可溶盐 类的矿物质成份。一般来说，砂土的进气值小于lOKpa,粉质粘土的进气值在10100Kpa,而粘性土的进气值可达几十至几百Kpa。土中粘粒越多一般来说土的持水能力越强，则 土体中所表现的残余含水量较大，土水特征曲线拐点处的斜率也会较小。土的残余含水 量随着土的塑性的增加而增加。(2)初始含水率。较高的初始含水率土体内具有较大的孔隙尺寸，土体中一般具 有较大的内部空间，使得土体的进气值较小，较为容易脱水。相反，若土体中土颗粒较 细且均匀分布，则土体的进气值偏大，排水较困难。(3)土体中的孔隙结构。主要是指土体内部土颗粒级配情况、土颗粒间孔隙大小 以及土体颗粒的组成情况等。土体中孔隙越大则持水能力越差，在较低的基质吸力下就 能排水，因此，土体内孔隙越大则所对应初始进气值越小。当然，土体孔隙结构会因为 很多外部因素发生改变，与很多因素密切相关，如土体干密度、压实度、级配、应力路 径等都会对孔隙结构产生极大的影响。(4)土体的压实度。土体压实度，即当前土体的干密度与最大干密度的比值，干 密度越大，土体内部越密实，孔隙越小且当压实度相当大时，土体内部孔隙分布趋向均 9广西大学工程硕士学位论文非饱木砾石土部透特性试验研究匀细小且不连续，此时土体持水能力极大地增加。环境相对湿度对应的吸力值达不到进 气值，土体不会排水，处于饱和状态。(5)土的围压。无围压条件下土的土水特征曲线具有明显的回滞现象，且曲线在 低吸力阶段较为平缓，超过试样进气值以后才逐渐变陡;各向等压和单向压缩条件下的土 水特征曲线几乎都呈直线型变化，且没有明显的回滞圈，反映出围压对土体排水的影响。随着围压的增大，土体的进气值也随之增大，且残余值也逐渐增大。(6)土的干湿循环。即便是同一种土，在同一种状态下，他的吸力值和含水率也 不是一一对应的关系。其中一个最重要的原因就是干湿循环。在自然界中的土是极容易 受到周围的环境的影响的，