4.6.2 非饱和土土水特征曲线2在线视频

同学们好

下面我们学习

“土水特征曲线及特性”

我们前面讨论了

基质吸力和饱和度之间的关系

发现对同一种土体

当饱和度较小时基质吸力较大

随饱和度增大基质吸力变小

两者之间应存在函数关系

实际上在非饱和土力学中

将基质吸力与土的饱和度

或含水量之间的关系曲线

称为土水特征曲线

土水特征曲线是非饱和土的

一个非常重要的关系曲线

这张图中给出了典型黏土

亚黏土和砂土分别由脱水

和吸水过程得到的土水特征曲线

可见土水特性不仅取决于

土的结构构成

和吸水或脱水过程也有关系

土水特征曲线实际上反映了

土体孔隙系统的持水能力

也反映了孔隙系统大小的分布

为什么说土水特征曲线反映了

土体孔隙系统的持水能力呢

我们以下面的毛管模型进行说明

对图中的两个毛管A和B

毛管A相对较细

毛管中孔隙水的吸力较高

如果在毛管上部

施加一个压力p将毛管脱水

则需要的压力p相对较大

毛管B相对较粗

毛管中孔隙水的吸力较低

对其进行脱水

所需要的压力p相对较小

这种把水从孔隙中挤出的难易程度

我们称之为孔隙系统的持水能力

如果很容易挤出

说明孔隙系统的持水能力差

相反如果不容易挤出

则说明孔隙系统的持水能力强

因此基质吸力大小

也是孔隙系统持水能力的一种度量

对图中的这两种情况

显然毛管A具有相对更强的持水能力

进一步的通过我们前面的讨论

还可以知道基质吸力大小

又和孔隙水所占据的

土体中孔隙的大小相关

因此我们也可以说

土水特征曲线反映了

土体孔隙系统的持水能力

同时也反映了土体中

孔隙系统大小的分布情况

土水特征曲线反映了

土体孔隙系统的持水能力

由于土体孔隙系统的复杂性

直接用理论分析的方法

去建立土水特征曲线关系

基本是不可能的

一般都需要通过试验的方法

来具体进行测定

测定的方法总体可分为2种

一种为脱水试验

也就是通过增加孔隙气压力的方法

挤出土体中的孔隙水

从而测定土体基质吸力

和土体含水量之间的关系

在这种试验中

土体含水量是逐渐降低的

故称脱水试验

另一种试验方法为吸水试验

在增加土样含水量的过程中

量测土水特征曲线

有关这两种试验的具体方法

请同学们查阅相关的教材或文献

下面讨论土水特征曲线的一般特性

这张图是由脱水试验得到的

典型土水特征曲线

试验从土样饱和

也即水饱和度Sm=1.0开始

然后逐渐增加气压力使试样逐渐进行脱水

也即基质吸力逐渐增大

土样的水饱和度逐渐降低

可以发现在这种脱水曲线上

存在着两个特征量

一 存在进气压力pE

由图中可以看出

在试验的初始阶段存在一个初始段

在该阶段随基质压力的升高

土样的饱和度却基本保持不变

这表明在该阶段气体

还没有进入到饱和土样的内部

而当基质压力超过pE后

土样会开始发生脱水过程

也即随着基质吸力的增高

土样的水饱和度会发生显著的降低

通常将土水特征曲线上的这个拐点

对应的基质压力pE称为进气值

在该压力下

空气才开始实际进入饱和的土样

因此进气值pE

是空气进入土孔隙时

必需达到的基质吸力值

进气值在石油工业中称为置换压力

在陶瓷工业中则称为冒泡压力

实际上进气值pE

也是土体中最大孔隙尺寸的一种度量

图中所示的为一组由不同大小的

毛管组成的孔隙系统

假设开始时它们都是饱和的

当采用逐步增加空气压力pa的方法

对其进行脱水时

显然在最大直径的毛管中

吸力相对最小

气体会首先进入到这个最大直径的毛管

之后随着基质吸力的增高

其它相对较小的毛管也会依次脱水

二 脱水曲线上另一个特征量

为残余水饱和度Sr

在该饱和度下

基质吸力的增加

并不引起饱和度的显著变化

表明在土样中

小于残余水饱和度Sr的那部分孔隙水

是无法采用增大基质吸力的方法

进行脱水的

采用脱水试验完成后的土样

可以再进行吸水试验

测定土的土水特征曲线

图中给出了一个这种吸水试验结果

和脱水试验结果的对比

可以看出对于吸水试验

当基质吸力减小到为零时

水饱和度并不能达到完全的饱和

最高只能达到一个数值小于1的Sm

Sm称为最大水饱和度

相应的1-Sm就称为残余气饱和度

存在残余水饱和度和残余气饱和度

说明在土体中有部分的孔隙

是无法通过脱水和吸水过程

进行气水的交换的

如图中所示

在Sr和Sm之间的孔隙是可置换的孔隙

而小于Sr和大于Sm的部分孔隙

则是不可置换的

此外通过图中的试验结果还可以看出

由脱水和吸水过程得到的

土水特征曲线是不同的

也即对同样的一个水饱和度

脱水曲线上对应的基质吸力

总是高于吸水曲线上所对应的值

我们把这种对应同一个基质吸力

在脱水和吸水曲线上

对应着不同水饱和度的现象

称为存在着滞后效应

可将土体的土水特征曲线

产生滞后效应的原因

归结为如下的三个效应

第一 瓶颈效应

例如对图中的2个毛管

一个管径不变

而另一个则在A处

存在管径局部突然扩大的现象

称在A处存在瓶颈

对这2个毛管如果进行脱水

A处的瓶颈不会对脱水过程发生影响

但是如果让它们吸水

由于A处管径突变的影响

毛细水升高会被卡在瓶颈A处

而不能升高到它的上面

我们将这种由于孔隙大小

局部变化所产生的

对脱水和吸水过程不同的影响

称为瓶颈效应

在土体中土体孔隙系统的几何形式

是十分复杂的

很多孔隙可能会存在着这种类似的瓶颈

从而造成脱水和吸水过程的不同

第二 雨滴效应

这张图给出的是斜面上雨滴的形状

在斜面上雨滴在重力作用下

具有向斜下方运动的趋势

从而会使得顺运动方向

前缘的湿润角θ1

小于逆运动方向后缘的湿润角θ2

在毛管中脱水过程对应的是

顺运动方向的湿润角θ1

对应的毛细升高相对较高

基质吸力较大

相反吸水过程对应的是

逆运动方向的湿润角θ2

对应的毛细升高相对较低

基质吸力较小

第三 封闭效应

图中给出的为一个

土柱吸水试验的示意图

和在不同时刻测得的

土样中饱和度沿高度的分布

可以看到在试样的

某一个高度的位置

其吸水过程是逐渐完成的

实际上土体的孔隙系统是十分复杂的

在进行吸水时

孔隙水在不同的孔隙路径上

上升的速度也是不同的

这可能会造成土体中

某些局部的空气被封闭在孔隙中

无法排出

使得不能形成完全的“毛细饱和”

我们称这种的现象为封闭效应

下面介绍土体孔隙当量直径的概念

我们前面讲过

土水特征曲线反映的是

土体孔隙系统的持水能力

同时也反映了土体中

孔隙系统大小的分布情况

实际上土体孔隙系统的形状

是十分复杂的

它没有一个固定的孔隙直径

如何衡量它的大小和分布

是一个十分复杂的问题

对此文献中有不少的学者提出

可根据土体的土水特征曲线

间接地反映土体中孔隙大小的分布

采用的方法就是这里要介绍的

所谓的土体孔隙的当量直径的方法

若将土体中的孔隙

设想为各种孔径的圆形毛管

那么吸力pc和毛管直径d的关系

可简单地表示为下式 pc=4Tcosα/d

式中T为水的表面张力

根据吸力由此式计算所得的孔径

就称为是当量孔径

以区别于土壤中的真实孔径

若将吸力pc坐标换算为

当量孔径d的坐标

则土水特征曲线可表示为

当量孔径d和含水量的关系

如图中所示当吸力为pc1时

相应含水量为W1

当量孔径为d1

表明土体中小于或等于

该当量孔径为d1的孔隙中充水

其含水量为W1