水特征曲线及其滞回效应分析——全吸力范围湖南黏性土为例

本文湖南黏性土为研究对象，在干湿循环条件下对 7 组不同初始干密度试样进行滤纸法试验和饱和盐溶液蒸汽平衡法试验，结合已有的压力板仪实验数据，获得了干湿循环状态下全吸力范围湖南黏性土土-水特征曲线。在此基础上，探究了干湿循环和初始干密度对全吸力范围土-水特征曲线及其滞回性的影响。此外，对不同含水率试样进行接触角试验，分析了接触角的滞回现象及含水率与接触角之间的联系，并基于非饱和土接触角滞回效应提出一种预测土-水特征滞回曲线方法
第 1 章 引 言

1.1 研究背景
基础设施建设是保障我国经济社会长期快速稳定发展的基础和先决条件，经过这些年超常规的发展，中国基础设施建设能力显著提高，一些新技术、新手段得到广泛应用，极大的提高了城市经济发展和居民生活水平。然而，与基础设施建设密切相关的岩土工程实践一般都与非饱和土有关。非饱和土是指土中孔隙水饱和度在 0～1 之间的土体（孔隙由水和空气填充），由气相、液相、固相和水-气分界面（收缩膜）组成，与饱和土相比主要区别在于引入了气相的概念。因此，在涉及非饱和土问题时，由于三相之间的相互作用，使得土体的物理力学行为变得更加复杂。在实际的岩土工程中，所遇一般都是非饱和土，如机场跑道、路基填土、土石坝和建筑地基等均处于非饱和状态。此外，自然界中处于地下水位以上的土体含水量与局部气候密切相关，其中由于降雨、蒸发等因素，使得土体一直处于干湿循环状态。此外，土体含水量除受气候的影响，还受到其内部水循环渗流作用影响（如地基沉降、垃圾填埋场、污染物的渗流、地下储气库）。上述问题大多数与土体在不同饱和状态下水力性能有密切联系。目前，在处理实际的岩土工程问题时一般采用饱和土理论知识区解决，然而，由于其物理力学性质的复杂性，饱和土力学知识，已经不能满足现有理论研究和工程实践，从而需要发展适用于非饱和土的理论知识体系，其中干湿循环下全吸力范围土-水特征曲线的研究是建立非饱和土理论知识的重要基础，因此，进一步发展干湿循环作用下全吸力范围的土-水特征曲线对非饱和土水力性能的研究及实际工程具有重要意义。

1.2 非饱和土国内外研究现状

1.2.1 非饱和土国外研究现状

土力学是将土的基本属性与工程力学相结合的一门传统学科，在经典的土力学教科书中研究对象是以饱和土饱和土为主。在自然界中土体分为饱和土体（土体中孔隙充满水）和非饱和土体（土体空隙中未充满水含有空气），大多数的工程实践中所涉及到的土体多以后者，如在所有地下埋藏核废料的设计，建筑的地基基础，垃圾填埋场的防渗问题及某些最复杂的近代环保问题均涉及到非饱和土。此外，在当今社会中每年由于非饱和土水力性能研究不透彻引起的工程事故所造成的经济损失比任何其它低级破坏事故都大。自20世纪40年代在在美国举行的第一届国际土力学与基础工程会议中提出

有关非饱和土相关概念的论文，从而引发了国内外大量学者的关注。经过众多学者的不断发展，非饱和土力学体系得到快速发展，逐渐了解了非饱和土部分水力性能并提出了相应概念。如 Bishop 等[1]对非饱和土中有关力学性能进行了阐述，并建立了考虑非饱和土空隙三相的有效应力方程。Williams 和 Shaykewich[2]以多种土体的试验数据为基础分析了基质势对非饱和土度性质的影响。Nassehzadeh-Tabrizi 和 Jeppson[3]基于对非饱和土中水流动特性数值解的结果分析，解释了 Brooks-Corey 模型中参数对非饱和土渗透性的影响。Fredlund[4]在 1993年出版了《非饱和土力学》，书中较为详细的介绍了非饱和土力学中相关概念，如相性质和关系、应力状态变量、土壤吸力测量和流动规律等概念。Nishimura[5]等采用改进的直接剪切装置，在不同的总应力比下，在静态压实状态下进行非饱和土剪切试验，分析了应力历史对非饱和土强度参数的影响。Braud 等[6]提出一种以渗透方程的标度形式估计非饱和土水力特性的方法(简称 Beekan 法) ，该方法具有价格低廉，操作简单，并且土壤中的水分运动可以在局部尺度上准确地描述。Laloui 和 Nuth[7]提出了非饱和土常用的有效应力概念。Godt 和 Wu[8]建立了非饱和土有效应力封闭形式方程，并利用土-水特性曲线和吸力应力特征曲线数

据对方程进行检验。

第 2 章 非饱和土土-水特征曲相关概念和试验方法

在大气或湿度等因素的影响下，土体始终处于反复脱吸湿的过程，从而使得其土-水特性会随之发生改变，从而导致土体的强度、变形和渗透等水力特性发生改变。因此，研究非饱和土水力特性对深入了解非饱和土的工程特性具有重要意义，而非饱和土的水力特性一般通过土-水特征曲线间接表示，其中土-水特征曲线的滞回现象是岩土工程中研究的热点，所以了解土-水特征曲线及滞回作用相关概念尤为重要。

2.1 非饱和土吸力相关概念

非饱和土中吸力是指土体内部发生的物理化学反应而产生的相互作用力，其大小依赖于非饱和土孔隙中的含水率，含水率的大小决定孔隙水组成形式，土体含水率较大（对应较低吸力值）时，孔隙水大部分以毛细水的形式存在，主要受土体孔隙结构、颗粒粒径分布、孔隙尺寸分布、压实度等因素的影响，而对应低含水率（对应较高吸力值）时，此时孔隙中水分主要是由附着在土颗粒表面的薄壁水构成。通常将表面张力引起的毛细和短程吸附产生的总和作用力称为基质吸力，用ψ表示，单位 kPa。总吸力是指非饱和土孔隙水中含有的自由能之和，非饱和土中有 5 种势能组成，分别为溶质势（溶质吸力）、基质势（基质吸力）、重力势、和温度势 5种势组成。它们在特定条件下（等压、等温、等高），只有基质势（基质吸力）、溶质势（溶质吸力）才能发生变化，因此，我们将基质吸力和溶质吸力（渗透吸力）之和称为总吸力

2.2 土-水特征曲线概念

土-水特征曲线（Soil-Water Characteristic Curve）是研究非饱和土强度、渗透性、本构关系及固结理论等领域的重要基础。不同土体的土-水特征曲线受其物理性质的影响较大，如压实度、孔隙尺寸、黏粒含量、矿物组成成分、持水性能等因素的影响。因此，深入研究土-水特征曲线对非饱和土理论体系的完善及解决实际岩土工程问题具有重要意义。

第 3 章 干湿循环作用下湖南黏性土全吸力范围土-水特征曲线试验研究............................17

3.1 试验土样基本性质...........................................................................................................17

3.2 压力板仪试验...................................................................................................................17

3.3 滤纸法试验.......................................................................................................................19

3.4 饱和盐溶液蒸汽平衡试验...............................................................................................23

第 4 章 土-水特征曲线模型及拟合研究.......................................................................................32

4.1 经验模型............................................................................................................................32

4.2 分形模型...........................................................................................................................34

4.3 不同模型拟合分析与比较...............................................................................................34

4.4 干湿循环作用下全吸力范围土-水特征曲线预测........................................................ 41

第 5 章 接触角试验及基于接触角滞回效应预测土-水特征滞回曲线的方法..........................46

5.1 接触角试验........................................................................................................................46

5.2 基于接触角滞回效应预测土-水特征滞回曲线的方法................................................ 47

5.3 基于接触角滞回效应预测结果分析.............................................................................. 50

5.4 本章小结............................................................................................................................51

第 5 章 接触角试验及基于接触角滞回效应预测土-水特征滞回曲线的方法

5.1 接触角试验

5.1.1 接触角试验步骤

基于对湖南黏性土的接触角进行分析，试验采用 KRUSS DSA30 型接触角测量仪测量湖南黏性土的接触角（前进角和后退角），试验仪器如图 5.1 所示。

试验开始前，将接触角测量仪及相连的电脑打开，检查相关的指示灯和电脑是否异常。将含有一定含量的蒸馏水的注射器固定在载物台上方固定器的卡槽中，并垂直于载物台上，需要注意的是在对载物台进行上下调节时，为防止注射器针头被压弯或者损坏，应使得与注射器针头保持一定的距离。然后打开电脑桌面ADVANCE 软件，进入测量接触角界面，打开摄像头并调节其光源亮度，将试验土样放置在载玻片上并一起放置在载物台上，调整载物台的高度使得待测试样的表面能在电脑端显示，并选择滴液含量，点击滴液按钮，选择自动基线从而寻找滴液与试样基线的角度，点击 Enter 键，得到待测数据并记录数据。

第 6 章 结论与展望

本文湖南黏性土为研究对象，在干湿循环条件下对 7 组不同初始干密度试样进行滤纸法试验和饱和盐溶液蒸汽平衡法试验，结合已有的压力板仪实验数据，获得了干湿循环状态下全吸力范围湖南黏性土土-水特征曲线。在此基础上，探究了干湿循环和初始干密度对全吸力范围土-水特征曲线及其滞回性的影响。此外，对不同含水率试样进行接触角试验，分析了接触角的滞回现象及含水率与接触角之间的联系，并基于非饱和土接触角滞回效应提出一种预测土-水特征滞回曲线方法。得到以下几方面的结论：

（1）通过对 3 种土-水特征曲线试验数据分析发现在干湿循环过程中其含水率与基质吸力具有相同的变化规律，即随着吸力的增加含水率逐渐减小；在相同基质吸力下，初始干密度越大对应的含水率越高，试样越不容易失水。此外，通过整合 3 种实验数据获得的 7 组全吸力范围湖南黏性土土-水特征曲线，发现在干湿循环作用下不同初始干密度试样之间土-水特征曲线存在明显滞回现象，其随着吸力的增加，7 组试样的滞回现象逐渐减弱。

（2）对比经验模型（Gardner 模型、VG 模型、FX 模型）和分形模型对湖南黏性土-水特征曲线拟合结果发现在所分析的模型中：对于压力板仪脱湿试验数据VG 模型拟合的相关系数最高，在在实测吸力范围拟合结果与实测值最为接近；对于滤纸法脱湿/吸湿试验数据，不同模型拟合结果差异较大，整体上经验模型的拟合结果要优于分形模型，其中 Gardner 模型拟合相关系数最高；对于饱和盐溶液蒸汽平衡法脱湿/吸湿试验数据，VG 模型拟合效果最佳

（3）基于整合的 7 组全吸力范围湖南黏性土试验数据，利用 6 种典型的经验模型和分形模型对其进行拟合，对比不同模型的拟合结果，发现经验模型拟合精度整体上要高于分形模型，其中 VG 模型拟合的相关系数最高与实测值能较好吻合。此外，基于有限的低吸力范围试验数据不能准确预测全吸力范围土-水特征曲线，而适当增加高吸力范围试验数据能有效提高模型的预测精度。

（4）基于本文提出预测全吸力范围土-水特征滞回曲线的方法，利用试验获得的湖南黏性土全吸力范围土-水特征曲线和接触角数据，对其进行验证，对比预测结果和实测结果发现不同初始干密度试样的预测值与实测值吻合度较高，表明本文建议方法的有效性。此外，随着初始干密度的增大，其预测值与实测值越接近