当前课程知识点:高等土力学 > 第4章 土中渗流 > 4.6 非饱和土土水特征曲线 > 4.6.3 非饱和土土水特征曲线3
同学们好
下面我学习“土水特征曲线的经验公式”
对非饱和土来说
基质吸力的存在
是区别于饱和土的最基本的特征
而基质吸力的大小
又和土体的饱和度密切相关
基质吸力不容易确定和量测
而饱和度却是比较容易确定和量测的
所以
建立描述两者之间定量关系的
土水特征曲线的表达式
就成了非饱和土
研究中的一个基本课题
很早就引起了大量学者的注意
这张表给出了部分学者提出的
土水特征曲线的一些经验公式
下面我们
简单介绍其中的这两个经验公式
第一 Blooks和Corey公式
Blooks和Corey于1964年
提出的方程是最早提出的
土水特征曲线方程之一
在大量的基质吸力
和含水量试验数据的基础上
Blooks和Corey
提出了一个非常简单的拟合公式
当基质吸力pc小于进气值pE时
有效饱和度等于1
当基质吸力pc大于等于进气值pE时
有效饱和度Se和基质吸力pc
呈指数形式的表达式
其中指数λ是一个与土的孔隙大小
分布特性有关的参数
有效饱和度Se
是由最大饱和度Sm
和残余饱和度定义的标准化的饱和度
其具体表达式为Se=(Sw-Sr)/(Sm-Sr)
左图给出了保持λ等于0.5不变时
改变进气值
pE分别等于5、10和15kPa时
采用Blooks和Corey公式
计算的基质吸力pc
和饱和度Sw的关系曲线
右图给出的是保持进气值pE
等于15kPa不变时
改变指数λ分别等于0.5
1.0和1.5时
采用Blooks和Corey公式
计算的基质吸力pc
和饱和度Sw的关系曲线
由图中可知
指数λ相对较大时
反应的土水特征曲线排水较为迅速
别计在基质吸力变化较小的范围内
土体内的大部分孔气水即会排出
之后土水特征曲线变得较为平坦
从物理义上讲
具有较大λ值的土
其孔径分布较为均匀
例如级配不良的砂土等
这张图所示的为三种土样
由试验所得基质吸力
和饱和度的试验点
以及相应的用Blooks和Corey公式
拟和所得结果曲线的对比
这三种土分别为粉质砂土
级配不良的砂土
以及夹杂粉土的级配不良砂土
砂土的λ值较小
反映了其颗粒较细小
孔隙分布也不均匀
但土的结构较为密实的特征
Blooks和Corey模型
比较适用于粗颗粒土
该类土在吸力变化较小的条件下
即可排出孔隙水
当含水量接近于残余含水量状态时
相应的基质吸力很大
此时Blooks和Corey模型
就一般不太适用了
因该模型没有拐点 因此
所拟合出的土水特征曲线
在吸力变化较大时代表性不强
此外该模型在进气压力处
存在不连续的转折点
使用时有时可出现
数值结果不稳定的现象
第二个公式介绍范-格努赫滕(van Genuchten)公式
下文中简称其为vG公式
范-格努赫滕在1980年
提出了一个平滑的
封闭的3参数数学模型
用来拟和土水特征曲线
其表达式为
Se=[1+(pc/p0)^n]^(-m)
或pc=p0[Se^(-1/m)-1]^(1/n)
式中p为基质吸力 u0、m
和n为试验常数
其中对于m和n
通常取n=1/(1-m)
Se同样为有效饱和度
与Blooks和Corey模型比较
vG公式的吸力范围更广
能更好的模拟实际土体
土水特征曲线的形状和特征
该模型在进气值附近
不存在着不连续的拐点
也能较好的模拟趋近
残余含水量状态时
平滑过渡的情况
这张图给出了典型的黏土
壤土和砂土土水特征曲线的试验结果
和采用范-格努赫滕公式拟和结果的对比
图中的散点
是阿利姆(Mualem)所进行的试验结果
相应的曲线是vG公式拟和的结果
可见 两者符合较好
vG公式是目前应用较广的
土水特征曲线的经验公式
同学们好 下面我们学习“土体
典型剖面的吸力分布”
在自然界的非饱和土层中
吸力的分布通常是十分复杂的
会受到一系列复杂因素的影响
如土的类型
非饱和带的厚度以及
发生在地表的水分的交换过程等
因为大气温度、环境
和自然条件的变化
又和人类活动息息相关
所以非饱和土层内
吸力的分布状态也是会不断变化的
一般情况下
可把图中的非饱和土层
划分为两个部分
一个是处于地表附近的
非稳定区域
称之为活动带
因其靠近地表
土层内吸力的分布
会受到地表环境短期
或季节性变化的影响
随着时间的变化而发生改变
例如在旱季
因缺乏降水且大气相对湿度较低
相应的吸力值就较高
而在雨季因为雨水充沛
吸力会降低到最小值
在一年四季交替过程中
该区域中的吸力值分布
会随着时间的变化而改变
其值位于上述两个季节所对应的
吸力值之间
一些学者的研究结果表明
在美国的科罗拉多这样的半干旱区域
活动非饱和带的深度范围约为
3-8m
另一个是稳定带
为整个非饱和土层较深的部分
该区域相对远离地表
吸力的分布主要取决于土体类型
长期稳定的水分补给率
地形以及地下水位
等长期因素所控制
如图中所示
在理想的静水平衡条件下
非饱和区吸力为负值
且随高层呈直线分布
在该旱区蒸发过程占主导地位
非饱和区吸力值相对更高
吸力分布曲线
位于静水分布曲线的左侧
相反在多雨湿润地区
来自地表的入渗补水过程
占主导地位
非饱和区吸力值相对较低
吸力分布曲线
位于静水分布曲线的右侧
在一些情况下
一些非饱和土层中
基质吸力的分布
可能会主要受地下水位
和毛细作用的支配
对此有学者提出了
如图中所示的毛细水带模型
根据该模型
可把土中水位以上连续的毛细水带
概化为不同直径的毛管
当毛细水达到平衡状态时
可用相应土体的土水特征曲线
来解释土层中毛细水的上升高度
和吸力的分布规律
如图中所示
在地下水位处
土体是饱和的 吸力为零
在平衡状态下随高程逐步增加
基质吸力随高程呈线性增加
当吸力达到进气水头时
气体开始进入土体的最大孔隙
从而开始置换土中的孔隙水
因此由地下水位延伸到该处
土层仍可近似看作是饱和的
常被称作是
毛细湿润带或毛细饱和带
在进气水头高度以上
土体含水量将随着高度的增加而降低
这是因为
土体中的孔隙大小是不同的
对应随高程逐步增大的基质吸力
其对应的当量毛管直径逐渐减小
只有小于
这个当量毛管直径的那些孔隙
毛细水才能上升到相应的高度处
从而造成土体含水量
将随着高度的增加而降低
如图中所示
最小直径的毛细管
对应的是毛细水上升的最大高度hc
吸力水头较大时
土体的含水量非常少
主要以颗粒吸附水
或不连续的呈弯液状
“悬着的水”的形式存在
该含水量也常称之为
残余含水量θr
非饱和土土水特征曲线
这一节的内容就介绍到这里
谢谢大家
-0.1 岩土工程的学科特点与发展
-0.2 土力学学科的发展历史
-0.3 岩土工程实践的发展
-0.4 理论与工程的检验
-0.5 岩土工程的可持续发展
-第0章 绪论-作业
-1.0 概述
--1.0 概述
--1.0 概述-作业
-1.1 室内试验
--1.1 室内试验-作业
-1.2 模型试验
--1.2 模型试验
--1.2 模型试验-作业
-1.3 原位测试与现场观测
--1.3 原位测试与现场观测-作业
-1.4 试验的检验与验证
-2.1 概述
--2.1 概述
--2.1 概述-作业
-2.2 应力和应变
--2.2 应力和应变-作业
-2.3 土的应力变形特性
--2.3 土的应力变形特性-作业
-2.4 土的弹性模型
--2.4 土的弹性模型-作业
-2.5 土的弹塑性模型的一般原理
--2.5 土的弹塑性模型的一般原理-作业
-2.6 剑桥模型
--2.6 剑桥模型-习题
-2.7 其它典型弹塑性模型
--2.7 其它典型弹塑性模型-作业
-3.1 概述
--3.1 概述-作业
-3.2 土的抗剪强度的机理
--3.2 土的抗剪强度的机理-作业
-3.3 土的强度与土的物理性质
--3.3 土的强度与土的物理性质-作业
-3.4 影响土的强度的外部因素
--3.4 影响土的强度的外部因素-作业
-3.5 土的排水与不排水强度
--3.5 土的排水与不排水强度-作业
-3.6 土的强度理论
--3.6 土的强度理论-作业
-3.7 黏性土的抗拉强度
--3.7 黏性土的抗拉强度-作业
-4.1 概述
--4.1 概述
--4.1 概述-作业
-4.2 饱和土的渗透性和基本方程
--4.2 饱和土的渗透性和基本方程-作业
-4.3 饱和土二维渗流和流网
--4.3 饱和土二维渗流和流网-作业
-4.4 饱和渗流数值计算方法
--4.4 饱和渗流数值计算方法-作业
-4.5 非饱和土中水的形态和基质吸力
--4.5 非饱和土中水的形态和基质吸力-作业
-4.6 非饱和土土水特征曲线
--4.6 非饱和土土水特征曲线-作业
-4.7 非饱和土的渗透性和数值计算
--4.7 非饱和土的渗透性和数值计算-作业
-5.1 概述
--5.1 概述
-5.2 土的压缩与地基的沉降
--5.2 土的压缩与地基的沉降-作业
-5.3 地基沉降的计算方法
--5.3 地基沉降的计算方法-作业
-5.4 单向固结的普遍方程及一般问题
--5.4 单向固结普遍方程及一般问题-作业
-5.5 土的三维固结理论
--5.5 土的三维固结理论-作业
-5.6 关于土体固结的其他问题简介
--5.6 关于土体固结的其他问题简介-作业
-6.1 概述
--6.1 概述
-6.2 边坡稳定分析方法
-6.3 最小安全系数和潜在滑动面的搜索方法
-6.4 极限平衡法边坡稳定分析的一些结论
-6.5 塑性力学上下限定理简介
-6.6 基于有限单元法的边坡稳定分析
-6 边坡稳定分析-作业



