工程科学学报，第39卷，第1期：147-154,2017年1月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.1:147-154,January 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.019;http://journals.ustb.edu.cn 不同应力状态下孔隙结构特征对土-水特征曲线的 影响 陈宇龙”，黄 栋2)四 1)东京大学土木工程系，东京113-8656，日本2)中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都610041 区通信作者，E-mail:dhuang@imde.ac.cn 摘要针对传统土-水特征曲线测试仪无法实现荷载作用的不足，研制吸力控制式三轴试验装置，开展不同应力状态作用 下土一水特征曲线试验，讨论应力状态对孔隙特征的作用.结果表明，固结压力和基质吸力均能使土体产生不可逆的收缩变 形.固结压力越大，土颗粒就越紧密，孔隙比越小，孔隙尺寸和数量越小，渗透性越差，表现出较好的持水能力，空气难以进入 土体，土体排水困难，导致进气值增大和减湿率减小.土-水特征曲线与孔隙结构特征的关系紧密，与应力状态无直接关系。 固结压力对土一水特征曲线的影响是通过改变孔隙结构特征来体现的.孔隙结构特征相近时，应力状态对其土一水特征曲线 不会产生影响. 关键词土-水特征曲线：应力状态：孔隙结构：孔隙比；滞后 分类号TU411 Influence of pore structure characteristics on soil-water characteristic curves under different stress states CHEN Yu-long,HUANG Dong 1)Department of Civil Engineering,University of Tokyo,Tokyo 113-8656,Japan 2)Key Laboratory of Mountain Hazards and Surface Process,Chengdu 610041,China Corresponding author,E-mail:dhuang@imde.ac.cn ABSTRACT Since traditional instruments cannot apply stress in soil-water characteristic curve tests,we develop a suction con- trolled triaxial apparatus,by which soil-water characteristic curve tests are performed under different stress states.Further,the influ- ence of stress state on the pore characteristics is discussed.The results show that both consolidation pressure and matrix suction can lead to the irreversible contraction deformation of soil.The soil under a larger consolidation pressure has a denser structure and a less void,leading to a smaller pore size and quantity.So it results in a worse permeability.Accordingly,it shows a better water retentivity. Air can hardly enter and water can hardly drain out,which give rise to a larger air entry value and a smaller slope of the soil-water characteristic curve.The soil-water characteristic curve of a compacted soil mainly depends upon current void ratio,not directly upon stress state.The influence of consolidation pressure on the soil-water characteristic curve is embodied in pore distribution properties. For similar pore distribution properties,the soil-water characteristic curve should be similar regardless of stress state.A larger consoli- dation pressure causes a less hysteresis. KEY WORDS soil-water characteristic curve;stress state;pore structure;void ratio;hysteresis 收稿日期：2016-02-17 基金项目：国家自然科学基金资助项目(41301009)
工程科学学报,第 39 卷,第 1 期:147鄄鄄154,2017 年 1 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 1: 147鄄鄄154, January 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 01. 019; http: / / journals. ustb. edu. cn 不同应力状态下孔隙结构特征对土鄄鄄水特征曲线的 影响 陈宇龙1) , 黄 栋2) 苣 1) 东京大学土木工程系, 东京 113鄄鄄8656, 日本 2) 中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室, 成都 610041 苣 通信作者,E鄄mail: dhuang@ imde. ac. cn 摘 要 针对传统土鄄鄄水特征曲线测试仪无法实现荷载作用的不足,研制吸力控制式三轴试验装置,开展不同应力状态作用 下土鄄鄄水特征曲线试验,讨论应力状态对孔隙特征的作用. 结果表明,固结压力和基质吸力均能使土体产生不可逆的收缩变 形. 固结压力越大,土颗粒就越紧密,孔隙比越小,孔隙尺寸和数量越小,渗透性越差,表现出较好的持水能力,空气难以进入 土体,土体排水困难,导致进气值增大和减湿率减小. 土鄄鄄水特征曲线与孔隙结构特征的关系紧密,与应力状态无直接关系. 固结压力对土鄄鄄水特征曲线的影响是通过改变孔隙结构特征来体现的. 孔隙结构特征相近时,应力状态对其土鄄鄄水特征曲线 不会产生影响. 关键词 土鄄鄄水特征曲线; 应力状态; 孔隙结构; 孔隙比; 滞后 分类号 TU411 Influence of pore structure characteristics on soil鄄鄄 water characteristic curves under different stress states CHEN Yu鄄long 1) , HUANG Dong 2) 苣 1) Department of Civil Engineering, University of Tokyo, Tokyo 113鄄鄄8656, Japan 2) Key Laboratory of Mountain Hazards and Surface Process, Chengdu 610041, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: dhuang@ imde. ac. cn ABSTRACT Since traditional instruments cannot apply stress in soil鄄鄄 water characteristic curve tests, we develop a suction con鄄 trolled triaxial apparatus, by which soil鄄鄄water characteristic curve tests are performed under different stress states. Further, the influ鄄 ence of stress state on the pore characteristics is discussed. The results show that both consolidation pressure and matrix suction can lead to the irreversible contraction deformation of soil. The soil under a larger consolidation pressure has a denser structure and a less void, leading to a smaller pore size and quantity. So it results in a worse permeability. Accordingly, it shows a better water retentivity. Air can hardly enter and water can hardly drain out, which give rise to a larger air entry value and a smaller slope of the soil鄄鄄 water characteristic curve. The soil鄄鄄water characteristic curve of a compacted soil mainly depends upon current void ratio, not directly upon stress state. The influence of consolidation pressure on the soil鄄鄄water characteristic curve is embodied in pore distribution properties. For similar pore distribution properties, the soil鄄鄄water characteristic curve should be similar regardless of stress state. A larger consoli鄄 dation pressure causes a less hysteresis. KEY WORDS soil鄄鄄water characteristic curve; stress state; pore structure; void ratio; hysteresis 收稿日期: 2016鄄鄄02鄄鄄17 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(41301009)
·148· 工程科学学报，第39卷，第1期 土一水特征曲线是了解非饱和土的持水特征与其 状态对非饱和土土一水特征曲线的影响机制 他性能指标的重要途径，利用它可以间接估计非饱和 1试验概况 土的强度2]和渗透系数[3-).一般认为，士-水特征 曲线的影响因素有土的矿物成分、孔隙结构、密度、粒 试验用设备为自主研发的吸力控制的三轴试验装 径、温度、土所受过的应力历史、目前所处的应力状态 置]，如图1所示.该装置的底座由高进气值陶土板 等.对于给定土样，可不考虑矿物成分的影响，且环境 制成.当水分提取达到平衡状态时，气压与土的基质 温度一般不会剧烈变化，所以需要明确的只是应力历 吸力相等.该装置的优点在于能对孔隙气压和孔隙水 史、应力状态和应变（孔隙）是否与土-水特征曲线有 压进行单独控制.其轴向载荷由安装在试验装置上的 关.若有关，影响程度如何，这些问题均迫切需要 压力传感器测定，轴向位移可采用试件两边的局部位 解决 移测量传感器(LDT)和压力室外部的百分表测定.但 在本文的试验过程中，轴向位移较小，且局部位移测量 传统的土-水特征曲线的测试是在压力板仪上完 传感器的精度更高，更适合测量小变形，所以轴向应变 成的，但其无法施加外部应力和量测试件的变形.为 此，Ng和Pangts]研发出一套可以施加围压和轴压的应 采用局部位移测量传感器测得的试验数据计算.径向 应变由夹式传感器测得.排水量由滴定管测得. 力式体积压力板仪，试件的尺寸为d70mm×20mm. 以某自然边坡上的粉质砂土为研究对象，其基本 谈云志等[]开发了一套能考虑应力作用的土-水特征 物性指标及土粒粒径累计曲线见表1和图2.采用控 曲线试验仪（试件尺寸105mm×20mm),研究不同应 制干密度的压实成型法制备试样，在最优含水率条件 力水平下土体孔隙结构的演化特征，揭示孔隙结构对 下将试样压实至压实度90%.试样为中75mm×150 其土-水特征曲线的影响机制.Tavakoli Dastjerdi等s) mm的圆柱体土样.由于试件的尺寸较大，故特对试件 研究围压对不同净应力条件下的土-水特征曲线，试 的均匀性进行验证，利用英国Geotek公司生产的 件的尺寸为38mm×10mm. MSCL-S岩芯综合测试系统可在无损的条件下测量完 在实际岩土工程中，土体必然处于一定的应力状 整试件的密度分布.通过伽马射线的衰减程度得到试 态下，所以研究应力状态对土-水特征曲线的影响有 件沿轴向的密度分布，见图3.虽然下部的密度大于上 着至关重要的现实意义.为此，笔者借助自主研发的 部的密度，但差异很小.密度范围为1.803~1.824g 吸力控制的三轴试验仪]，进行不同应力状态下的土- cm3,说明制样过程的精确性和试样的均一性，同时 水特征曲线试验，并从孔隙结构的演变角度揭示应力 也避免密度对试验结果的影响.孔隙结构特征的变化 ○孔隙水压 作动器 ○围压 百分表 孔隙 加压 ○气压 活塞杆 压力 传感器 ○负压 压头 滴定管 夹式 局部移 引伸计 测量传惑器 底座 ○压力计 ☒稳压器 于空气过滤器 压差计 命阀门 孔隙水压传感器 孔隙气压传感器 庄传感器 进水口 图1吸力控制式三轴试验装置 Fig.I Suction controlled triaxial apparatus
工程科学学报,第 39 卷,第 1 期 土鄄鄄水特征曲线是了解非饱和土的持水特征与其 他性能指标的重要途径,利用它可以间接估计非饱和 土的强度[1鄄鄄2] 和渗透系数[3鄄鄄5] . 一般认为,土鄄鄄 水特征 曲线的影响因素有土的矿物成分、孔隙结构、密度、粒 径、温度、土所受过的应力历史、目前所处的应力状态 等. 对于给定土样,可不考虑矿物成分的影响,且环境 温度一般不会剧烈变化,所以需要明确的只是应力历 史、应力状态和应变(孔隙)是否与土鄄鄄 水特征曲线有 关. 若有关,影响程度如何,这 些 问 题 均 迫 切 需 要 解决. 传统的土鄄鄄水特征曲线的测试是在压力板仪上完 成的,但其无法施加外部应力和量测试件的变形. 为 此,Ng 和 Pang [6]研发出一套可以施加围压和轴压的应 力式体积压力板仪,试件的尺寸为 准70 mm 伊 20 mm. 谈云志等[7]开发了一套能考虑应力作用的土鄄鄄水特征 曲线试验仪(试件尺寸 准105 mm 伊 20 mm),研究不同应 力水平下土体孔隙结构的演化特征,揭示孔隙结构对 其土鄄鄄水特征曲线的影响机制. Tavakoli Dastjerdi 等[8] 研究围压对不同净应力条件下的土鄄鄄 水特征曲线,试 件的尺寸为 准38 mm 伊 10 mm. 图 1 吸力控制式三轴试验装置 Fig. 1 Suction controlled triaxial apparatus 在实际岩土工程中,土体必然处于一定的应力状 态下,所以研究应力状态对土鄄鄄 水特征曲线的影响有 着至关重要的现实意义. 为此,笔者借助自主研发的 吸力控制的三轴试验仪[9] ,进行不同应力状态下的土鄄鄄 水特征曲线试验,并从孔隙结构的演变角度揭示应力 状态对非饱和土土鄄鄄水特征曲线的影响机制. 1 试验概况 试验用设备为自主研发的吸力控制的三轴试验装 置[9] ,如图 1 所示. 该装置的底座由高进气值陶土板 制成. 当水分提取达到平衡状态时,气压与土的基质 吸力相等. 该装置的优点在于能对孔隙气压和孔隙水 压进行单独控制. 其轴向载荷由安装在试验装置上的 压力传感器测定,轴向位移可采用试件两边的局部位 移测量传感器(LDT)和压力室外部的百分表测定. 但 在本文的试验过程中,轴向位移较小,且局部位移测量 传感器的精度更高,更适合测量小变形,所以轴向应变 采用局部位移测量传感器测得的试验数据计算. 径向 应变由夹式传感器测得. 排水量由滴定管测得. 以某自然边坡上的粉质砂土为研究对象,其基本 物性指标及土粒粒径累计曲线见表 1 和图 2. 采用控 制干密度的压实成型法制备试样,在最优含水率条件 下将试样压实至压实度 90% . 试样为 准75 mm 伊 150 mm 的圆柱体土样. 由于试件的尺寸较大,故特对试件 的均 匀 性 进 行 验 证, 利 用 英 国 Geotek 公 司 生 产 的 MSCL鄄鄄 S 岩芯综合测试系统可在无损的条件下测量完 整试件的密度分布. 通过伽马射线的衰减程度得到试 件沿轴向的密度分布,见图 3. 虽然下部的密度大于上 部的密度,但差异很小. 密度范围为 1郾 803 ~ 1郾 824 g· cm - 3 ,说明制样过程的精确性和试样的均一性,同时 也避免密度对试验结果的影响. 孔隙结构特征的变化 ·148·
陈宇龙等：不同应力状态下孔隙结构特征对土一水特征曲线的影响 ·149· 全由应力导致. 100 表1土的物理力学性质指标 80 Table 1 Physico-mechanical properties of soil 物理性质指标 数值 相对密度，G。 2.64 平均粒径，Dso/mm 0.22 不均匀系数，C 17.10 20 级配系数，C。 3.97 0-0 000 砂质量分数/% 83.60 10-3 10-2 10 10P 10 细粒质量分数/% 16.40 粒径mm 最大孔隙比，emr 1.160 图2颗粒分布曲线 最小孔隙比，en Fig.2 Grain size distribution curves for test materials 0.647 液限，L/% 无塑性 150 塑限，0p/% D一正面扫描 无塑性 。一侧面扫描 塑性指数，p 120 无塑性 最优的质量含水率，/% 16.01 90 最大干密度，P/(gcm3) 1.76 试验前先对陶土板和试样进行抽真空饱和.然后 在各向等压固结围压作用下进行排水固结，固结完成 30 后施加第1级气压（气压值等于基质吸力值），待排水 量稳定（变化值小于0.1g·d[o)后记录排水量和轴 1.80 1.81 1.82 1.83 向变形以及径向变形.施加下一级气压，最大气压为 密度g·cm 300kP,然后按照上述气压施加方案逐级减少气压力 图3轴向密度分布 进行增湿试验.试验过程中按照气压依次为123、5、 Fig.3 Density distribution in the axial direction 10、20、50、100、200和300kPa.以上为脱湿的过程，脱 湿之后再进行吸湿过程，即将气压逐次降至零，水会逐 曲线试验结束后，将试件表面的橡胶膜沿轴向剪开，将 渐流人土样，待平衡后读取数据：吸湿过程结束后，将 试件切成如图4(a)所示的15份，试件各部分的含水 土样取出烘干，测得含水率，用于反算和修正之前测得 率如图4(b)所示.可见，含水率在试件各处的分布较 的含水率.由于试件尺寸较大，为验证试件内含水率 均匀，最大差值不到2%，反映本文试验装置和试验结 的分布，以加载段固结围压100kPa为例，土-水特征 果的可靠性 (a) b 25 35 05 45 135 15 105 25 75 012.537.562.5 径向长度mm 50 径向长度mm 轴向长度mm 7515 图4试件内部含水率分别.()切开的试件：(b)含水率分布 Fig.4 Moisture content variation along specimens:(a)cut sample;(b)water content distribution
陈宇龙等: 不同应力状态下孔隙结构特征对土鄄鄄水特征曲线的影响 全由应力导致. 表 1 土的物理力学性质指标 Table 1 Physico鄄mechanical properties of soil 物理性质指标 数值 相对密度, Gs 2郾 64 平均粒径, D50 / mm 0郾 22 不均匀系数, Cu 17郾 10 级配系数, Cc 3郾 97 砂质量分数/ % 83郾 60 细粒质量分数/ % 16郾 40 最大孔隙比, emax 1郾 160 最小孔隙比, emin 0郾 647 液限,wL / % 无塑性 塑限,wP / % 无塑性 塑性指数,IP 无塑性 最优的质量含水率,w/ % 16郾 01 最大干密度, 籽d / (g·cm - 3 ) 1郾 76 图 4 试件内部含水率分别. (a)切开的试件; (b)含水率分布 Fig. 4 Moisture content variation along specimens: (a) cut sample;(b)water content distribution 试验前先对陶土板和试样进行抽真空饱和. 然后 在各向等压固结围压作用下进行排水固结,固结完成 后施加第 1 级气压(气压值等于基质吸力值),待排水 量稳定(变化值小于 0郾 1 g·d - 1[10] )后记录排水量和轴 向变形以及径向变形. 施加下一级气压,最大气压为 300 kPa,然后按照上述气压施加方案逐级减少气压力 进行增湿试验. 试验过程中按照气压依次为 1、2、3、5、 10、20、50、100、200 和 300 kPa. 以上为脱湿的过程,脱 湿之后再进行吸湿过程,即将气压逐次降至零,水会逐 渐流入土样,待平衡后读取数据;吸湿过程结束后,将 土样取出烘干,测得含水率,用于反算和修正之前测得 的含水率. 由于试件尺寸较大,为验证试件内含水率 的分布,以加载段固结围压 100 kPa 为例,土鄄鄄 水特征 图 2 颗粒分布曲线 Fig. 2 Grain size distribution curves for test materials 图 3 轴向密度分布 Fig. 3 Density distribution in the axial direction 曲线试验结束后,将试件表面的橡胶膜沿轴向剪开,将 试件切成如图 4( a)所示的 15 份,试件各部分的含水 率如图 4(b)所示. 可见,含水率在试件各处的分布较 均匀,最大差值不到 2% ,反映本文试验装置和试验结 果的可靠性. ·149·
·150· 工程科学学报，第39卷，第1期 固结围压分别为100、200和300kPa.为研究孔隙 在半对数坐标上呈线性减小，土样总体积随着基质吸 结构对土一水特征曲线的影响，对卸载过程中的土一水 力的增大而减小. 特征曲线进行对比.固结压力对孔隙比的影响见图5. 卸载后孔隙比回不到原点，这是因为土的压缩变形中 0.70 只有一部分是可恢复的，如粒间应力作用下，土粒接触 0.68 点的弹性变形、片状颗粒的挠曲变形、粒间结合水膜的 变形等.另一部分是不可恢复的，如土粒之间的相互 0.66 位移和土结构的变化).本文在图中星号对应的固 0.64 结压力状态下进行土-水特征曲线试验 0.70 0.62 0.69 50 015010250 基质吸力kPa 501000 0.68 加载 250 00300 结压力kPa 200 0.67 图6孔隙比随基质吸力和固结压力的变化规律 0.66 御卸载 Fig.6 Variation of void ratio with matric suction and consolidation 0.65 pressure 0.640 50 100150200250300350 从图6可以看出，基质吸力造成的孔隙比的降幅 固结压力/kPa 小于固结压力引起的降幅.这符合沈珠江]提出的 图5固结过程中的孔隙比变化 广义吸力的概念，认为基质吸力中有一部分作用于增 Fig.5 Variation of void ratio by consolidation 加土体的强度和抗变形能力.且降幅随着固结压力和 基质吸力的增大而减小.这是由于吸附水膜的存在， 2试验结果与分析 若要将颗粒之间的吸附水挤出，需要施加552MPa的 2.1应力状态对孔隙比的影响 高应力[]，故孔隙比的降幅逐渐减小. 当土体受到一定水平的应力时，会呈现出相应的 张俊然等]发现试样所经历最大基质吸力的增 体积变形，引起土体孔隙结构特征的变化，这势必导致 大造成其平均骨架有效应力的相应增大，所以导致孔 土体的持水特性发生变化.同时，基质吸力也会导致 隙比随着基质吸力的增大而减小，使非饱和土样在经 非饱和土的力学性状的改变.可见，土体所处的应力 过较高基质吸力的作用后表现出类似超固结土的性 状态与其持水性能之间存在显著的耦合关系[2].Ml 质.戚国庆和黄润秋[2]发现土样的体积模量随着基 er等s]发现孔隙比对土-水特征曲线的影响显著， 质吸力的增大而增大.这是因为基质吸力越大，弯液 且土体的变形对基质吸力有贡献. 面上的表面张力作用越强，土体骨架抵抗外部载荷作 其孔隙比e随基质吸力业和固结压力P的变化规 用产生变形的能力越强，所以基质吸力越大，土样的体 律见图6.曲面拟合公式为 积模量越大 e=0.70-2.69×10-4P-2.38×10-4b+ 谈云志等[]进行不同固结应力作用下粉土的土- 2.16×10-7p2+5.14×10-72. (1) 水特征曲线试验，通过压汞法和氨吸附法测量不同固 可知固结压力和基质吸力均能使孔隙比发生变化，即 结应力作用下土样的孔隙孔径分布曲线，表明固结应 试件的体积发生变化.有鉴于此，本文采用质量含水 力的增大使得大孔隙减少，小孔隙增多.陶高梁等[2)] 率作为含水率指标，研究基质吸力与之的对应关系. 利用压汞法、核磁共振法和扫描电镜法观察到了相似 从图6可看出，除固结压力外，基质吸力同样引起 的结果.谈云志等[2]在脱湿过程中同样观察到粒间 孔隙比的减小.由于基质吸力的作用，空气气泡将会 大孔隙的减小.谈云志等[2]提出孔径d>10μm范围 变大并与土颗粒的表面搭接，粒间开始形成弯液面，产 内的孔隙主要控制基质吸力在0~10kPa范围的持水 生毛细水压力.在水的表面张力和毛细水压力的联合 能力，而孔径d<10μm范围内的孔隙则主要控制基质 作用下，导致土颗粒靠拢，孔径减小，即孔隙比减小，宏 吸力大于10kPa范围的持水能力.在增湿过程中，孔 观上呈现收缩变形，土体的体积减小.降雨作用下，边 隙比的变化与固结压力的卸载过程类似，由于固结压 坡的滑移变形可以看作是基质吸力减小而导致的土体 力的限制作用，孔隙比随基质吸力的减小而增大的趋 变形.Fleureau等uo)发现孔隙比随着基质吸力的增大 势不明显
工程科学学报,第 39 卷,第 1 期 固结围压分别为 100、200 和 300 kPa. 为研究孔隙 结构对土鄄鄄水特征曲线的影响,对卸载过程中的土鄄鄄水 特征曲线进行对比. 固结压力对孔隙比的影响见图 5. 卸载后孔隙比回不到原点,这是因为土的压缩变形中 只有一部分是可恢复的,如粒间应力作用下,土粒接触 点的弹性变形、片状颗粒的挠曲变形、粒间结合水膜的 变形等. 另一部分是不可恢复的,如土粒之间的相互 位移和土结构的变化[11] . 本文在图中星号对应的固 结压力状态下进行土鄄鄄水特征曲线试验. 图 5 固结过程中的孔隙比变化 Fig. 5 Variation of void ratio by consolidation 2 试验结果与分析 2郾 1 应力状态对孔隙比的影响 当土体受到一定水平的应力时,会呈现出相应的 体积变形,引起土体孔隙结构特征的变化,这势必导致 土体的持水特性发生变化. 同时,基质吸力也会导致 非饱和土的力学性状的改变. 可见,土体所处的应力 状态与其持水性能之间存在显著的耦合关系[12] . Mill鄄 er 等[13鄄鄄15]发现孔隙比对土鄄鄄 水特征曲线的影响显著, 且土体的变形对基质吸力有贡献. 其孔隙比 e 随基质吸力 鬃 和固结压力 P 的变化规 律见图 6. 曲面拟合公式为 e = 0郾 70 - 2郾 69 伊 10 - 4 P - 2郾 38 伊 10 - 4 鬃 + 2郾 16 伊 10 - 7 P 2 + 5郾 14 伊 10 - 7 鬃 2 . (1) 可知固结压力和基质吸力均能使孔隙比发生变化,即 试件的体积发生变化. 有鉴于此,本文采用质量含水 率作为含水率指标,研究基质吸力与之的对应关系. 从图 6 可看出,除固结压力外,基质吸力同样引起 孔隙比的减小. 由于基质吸力的作用,空气气泡将会 变大并与土颗粒的表面搭接,粒间开始形成弯液面,产 生毛细水压力. 在水的表面张力和毛细水压力的联合 作用下,导致土颗粒靠拢,孔径减小,即孔隙比减小,宏 观上呈现收缩变形,土体的体积减小. 降雨作用下,边 坡的滑移变形可以看作是基质吸力减小而导致的土体 变形. Fleureau 等[16]发现孔隙比随着基质吸力的增大 在半对数坐标上呈线性减小,土样总体积随着基质吸 力的增大而减小. 图 6 孔隙比随基质吸力和固结压力的变化规律 Fig. 6 Variation of void ratio with matric suction and consolidation pressure 从图 6 可以看出,基质吸力造成的孔隙比的降幅 小于固结压力引起的降幅. 这符合沈珠江[17] 提出的 广义吸力的概念,认为基质吸力中有一部分作用于增 加土体的强度和抗变形能力. 且降幅随着固结压力和 基质吸力的增大而减小. 这是由于吸附水膜的存在, 若要将颗粒之间的吸附水挤出,需要施加 552 MPa 的 高应力[18] ,故孔隙比的降幅逐渐减小. 张俊然等[19]发现试样所经历最大基质吸力的增 大造成其平均骨架有效应力的相应增大,所以导致孔 隙比随着基质吸力的增大而减小,使非饱和土样在经 过较高基质吸力的作用后表现出类似超固结土的性 质. 戚国庆和黄润秋[20] 发现土样的体积模量随着基 质吸力的增大而增大. 这是因为基质吸力越大,弯液 面上的表面张力作用越强,土体骨架抵抗外部载荷作 用产生变形的能力越强,所以基质吸力越大,土样的体 积模量越大. 谈云志等[7]进行不同固结应力作用下粉土的土鄄鄄 水特征曲线试验,通过压汞法和氮吸附法测量不同固 结应力作用下土样的孔隙孔径分布曲线,表明固结应 力的增大使得大孔隙减少,小孔隙增多. 陶高梁等[21] 利用压汞法、核磁共振法和扫描电镜法观察到了相似 的结果. 谈云志等[22] 在脱湿过程中同样观察到粒间 大孔隙的减小. 谈云志等[23] 提出孔径 d > 10 滋m 范围 内的孔隙主要控制基质吸力在 0 ~ 10 kPa 范围的持水 能力,而孔径 d < 10 滋m 范围内的孔隙则主要控制基质 吸力大于 10 kPa 范围的持水能力. 在增湿过程中,孔 隙比的变化与固结压力的卸载过程类似,由于固结压 力的限制作用,孔隙比随基质吸力的减小而增大的趋 势不明显. ·150·
陈宇龙等：不同应力状态下孔隙结构特征对土~水特征曲线的影响 ·151· 应力和基质吸力虽然都能引起体积的变化，但两 为进一步研究进气值、残余基质吸力与减湿率随固结 种力的作用位置、作用面积和作用机理都不一样[20] 压力的变化规律，绘制出图8.从图中可以发现，进气 2.2应力状态对土-水特征曲线的影响 值、残余基质吸力和减湿率与固结压力的关系近似 2.2.1加载段 线性. 利用质量含水率作为含水率指标，加载段脱湿过 0.30 ◆-减湿率 4.0 25 程的质量含水率随基质吸力的变化规律如图7所示. 。一进气值 ·一残余基质吸力 从图中可以看出，不同固结压力作用下的土-水特征 0.25 3.8 20 曲线的形态基本一致，呈现典型的三阶段变化特征：边 界效应阶段、转化阶段和残余阶段.处于边界效应阶 段，土体孔隙呈现出水连续孔隙结构特征.该阶段的 0.20 3.6 基质吸力小于进气值，质量含水率未见明显的减小 进入转化阶段，质量含水率随基质吸力的增大而急剧 015 J3.4 J10 减小.土体孔隙从水连续转化为气连续，基质吸力在 100 200 300 固结压力kPa 对土体的吸持作用越来越显著.在残余阶段，基质吸 图8固结压力与进气值、残余基质吸力及减湿率的关系曲线 力非常大，孔隙状态完全到达气连续、水不连续 Fig.8 Variation of consolidation pressure with air entry values,re- 0.3 sidual suction and the slope of the oil-water characteristic curves --300 kPa --200 kPa 对于一给定土样，土体材料已然固定不变，土体的 △-100kPa 0.2 脱湿状态及对应的基质吸力只取决于土体中孔隙的尺 寸和数量，即在一定的基质吸力条件下大于该等效孔 隙尺寸的孔隙则失水：反之，小于该等效孔隙尺寸的孔 0.1 隙则持水.由此可知，土-水特征曲线在反映土体含水 率与基质吸力关系的同时，还反映了土体的孔隙结构 特征[2].固结压力对土-水特征曲线的影响是通过改 10 10 101 10P 103 变土体孔隙状况来表现的.固结压力越大，土颗粒就 基质吸力/Pa 越紧密，孔隙比越小，孔隙尺寸和数量越小，饱和含水 图7加载段脱湿过程的土-水特征曲线 率越低，且渗透性越差，表现出较好的持水能力，空气 Fig.7 Soil-water characteristic curves during drying for the loading 难以进入土体，土体排水困难，导致进气值增大.超过 stage 进气值后，较大固结压力作用下曲线斜率较平缓，土样 低固结压力条件下土样的孔隙尺寸较大，因此饱 排水较慢，导致相同基质吸力时，较大固结压力条件下 和质量含水率较高.较大的孔隙导致土样失水速率较 的含水率高于较小固结压力条件下的含水率 大，土-水特征曲线随着基质吸力增大与高固结压力 2.2.2卸载段 条件下的土-水特征曲线出现交叉，在残余阶段又与 卸载段脱湿过程的质量含水率随基质吸力的变化 高固结压力条件下的土-水特征曲线的差异被缩小， 规律如图9所示.从图中可以看出，卸载段的土-水特 03 说明固结压力对土一水特征曲线的影响在残余阶段不 卸载段 显著，在转化阶段最显著.这是由于高基质吸力段是 o一脱混湿，300kPa o-吸湿300kPa 由小孔控制，固结压力作用对小孔的影响较小，所以在 0.2 △-200kPa -100kPa 高基质吸力段，土一水特征曲线的差异变小.高固结压 力条件下土样的孔隙被压缩，孔隙尺寸减小且连通性 .1 变差，表现出更强的持水性能，土-水特征曲线更平 0.8一中 缓.在转化阶段，同一基质吸力条件下，固结压力越 大，质量含水率越大 10中 102 103 进气值中，、残余基质吸力中，与减湿率s控制着土- 基质吸力kPa 水特征曲线的形状，是土-水特征曲线的控制参数.从 图9卸载段脱湿过程的土-水特征曲线 图8可以看出，进气值和残余基质吸力随着固结压力 Fig.9 Soil-water characteristie curves during drying for the unloa- 的增大而增大，减湿率则随着固结压力的增大而减小 ding stage
陈宇龙等: 不同应力状态下孔隙结构特征对土鄄鄄水特征曲线的影响 应力和基质吸力虽然都能引起体积的变化,但两 种力的作用位置、作用面积和作用机理都不一样[20] . 2郾 2 应力状态对土鄄鄄水特征曲线的影响 2郾 2郾 1 加载段 利用质量含水率作为含水率指标,加载段脱湿过 程的质量含水率随基质吸力的变化规律如图 7 所示. 从图中可以看出,不同固结压力作用下的土鄄鄄 水特征 曲线的形态基本一致,呈现典型的三阶段变化特征:边 界效应阶段、转化阶段和残余阶段. 处于边界效应阶 段,土体孔隙呈现出水连续孔隙结构特征. 该阶段的 基质吸力小于进气值,质量含水率未见明显的减小. 进入转化阶段,质量含水率随基质吸力的增大而急剧 减小. 土体孔隙从水连续转化为气连续,基质吸力在 对土体的吸持作用越来越显著. 在残余阶段,基质吸 力非常大,孔隙状态完全到达气连续、水不连续. 图 7 加载段脱湿过程的土鄄鄄水特征曲线 Fig. 7 Soil鄄鄄water characteristic curves during drying for the loading stage 低固结压力条件下土样的孔隙尺寸较大,因此饱 和质量含水率较高. 较大的孔隙导致土样失水速率较 大,土鄄鄄水特征曲线随着基质吸力增大与高固结压力 条件下的土鄄鄄 水特征曲线出现交叉,在残余阶段又与 高固结压力条件下的土鄄鄄 水特征曲线的差异被缩小, 说明固结压力对土鄄鄄水特征曲线的影响在残余阶段不 显著,在转化阶段最显著. 这是由于高基质吸力段是 由小孔控制,固结压力作用对小孔的影响较小,所以在 高基质吸力段,土鄄鄄水特征曲线的差异变小. 高固结压 力条件下土样的孔隙被压缩,孔隙尺寸减小且连通性 变差,表现出更强的持水性能,土鄄鄄 水特征曲线更平 缓. 在转化阶段,同一基质吸力条件下,固结压力越 大,质量含水率越大. 进气值 鬃a、残余基质吸力 鬃r与减湿率 s 控制着土鄄鄄 水特征曲线的形状,是土鄄鄄水特征曲线的控制参数. 从 图 8 可以看出,进气值和残余基质吸力随着固结压力 的增大而增大,减湿率则随着固结压力的增大而减小. 为进一步研究进气值、残余基质吸力与减湿率随固结 压力的变化规律,绘制出图 8. 从图中可以发现,进气 值、残余基质吸力和减湿率与固结压力的关系近似 线性. 图 8 固结压力与进气值、残余基质吸力及减湿率的关系曲线 Fig. 8 Variation of consolidation pressure with air entry values, re鄄 sidual suction and the slope of the oil鄄鄄water characteristic curves 对于一给定土样,土体材料已然固定不变,土体的 脱湿状态及对应的基质吸力只取决于土体中孔隙的尺 寸和数量,即在一定的基质吸力条件下大于该等效孔 隙尺寸的孔隙则失水;反之,小于该等效孔隙尺寸的孔 隙则持水. 由此可知,土鄄鄄水特征曲线在反映土体含水 率与基质吸力关系的同时,还反映了土体的孔隙结构 特征[24] . 固结压力对土鄄鄄水特征曲线的影响是通过改 变土体孔隙状况来表现的. 固结压力越大,土颗粒就 越紧密,孔隙比越小,孔隙尺寸和数量越小,饱和含水 率越低,且渗透性越差,表现出较好的持水能力,空气 难以进入土体,土体排水困难,导致进气值增大. 超过 进气值后,较大固结压力作用下曲线斜率较平缓,土样 排水较慢,导致相同基质吸力时,较大固结压力条件下 的含水率高于较小固结压力条件下的含水率. 2郾 2郾 2 卸载段 图 9 卸载段脱湿过程的土鄄鄄水特征曲线 Fig. 9 Soil鄄鄄 water characteristic curves during drying for the unloa鄄 ding stage 卸载段脱湿过程的质量含水率随基质吸力的变化 规律如图 9 所示. 从图中可以看出,卸载段的土鄄鄄水特 ·151·