非饱和土水特征曲线特性研究

王磊 刘奉银 张昭

摘 要：在实际的工程中需要对饱和土进行实验研究，以了解其性能，然而通过使用土水特征曲线能够非常方便的对非饱和土特性进行了解，而不需要进行繁琐的实验研究。所以文章将主要对非饱和土水特征曲线进行研究。土水特征曲线会受到不同因素的影响，比如空隙结构、矿物成分和收缩率等，为了能够具体了解这些因素对曲线的影响，文章通过实验研究的方法，选择两种不同地区的土作为实验样本，然后分析各种因素下土水特征曲线的变化。最后还提出了土水特征曲线公式，虽然国内外的相关学者已经研究出较为成熟的曲线公式，但是这些公式非常复杂，在实际应用过程中比较麻烦，所以文章提出了曲线公式相对两将比较简单，虽然其精度性不高，但是具有一定的准确度。

关键词：非饱和土;基质吸力;土水特征曲线

中图分类号：TU431 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）05-0147-04

Research on Characteristics of Unsaturated Soil Water Characteristic Curve

Wang Lei1， Liu Fengyin2， Zhang Zhao3

（1. Shaanxi Railway Institute， Weinan 714000， China;

2. School of Civil Engineering， Xi an University of Technology， Xi an 710048， China ）

Abstract：In actual engineering， it is necessary to conduct experimental research on saturated soil to understand its performance. However， it is very convenient to understand the characteristics of unsaturated soil by using soil-water characteristic curves， without the need for tedious experimental research. Therefore， this paper will mainly study the unsaturated soil-water characteristic curve. The soil-water characteristic curve will be affected by different factors， such as void structure， mineral composition and shrinkage rate. In order to specifically understand the influence of these factors on the curve， the paper uses experimental research methods to select two different regions of soil as experimental samples ， and then analyze the changes of soil-water characteristic curve under various factors. Finally， the soil-water characteristic curve formula is proposed. Although relevant scholars at home and abroad have developed more mature curve formulas， these formulas are very complicated and more troublesome in actual application. Therefore， the paper proposes that the curve formula is relatively simple. ， Although its accuracy is not high， it has a certain degree of accuracy.

Key words：unsaturated soil; matrix suction; soil-water characteristic curve

在土壤學中很早就已经对土水特征曲线进行过研究，并且取得了比较大的成就，然而在土力学的研究上，土水特征曲线研究比较晚，但是通过这几年的不断深入研究，已经取得了不错的效果[1-2]。虽然都是土水特征曲线，但是在土壤学和土力学中的应用和研究方向都存在很大的差别。土力学中的土水特征曲线更加的复杂，需要考虑的因素更多，在考虑土体结构和成分的同时，还需要对其应力状态进行分析[3-4]。然后对其进行应用时，需要将曲线和相关力学指标进行联系，所以在土水特征曲线的特征研究上还需要进一步深化[5]。

1 土水特征曲线的影响因素

非饱和土中的土水特征曲线容易受到各种因素的影响，比如孔隙结构、矿物成分、温度、土体的收缩性和应力历史等，每个因素对水土特征曲线的影响程度不一致，其中孔隙结构和矿物成分属于基本影响因素，对水土特征曲线的影响程度最大，并且其他因素影响曲线时也是通过影响了孔隙结构和矿物成分而造成的[6]。所以文章将主要对这两个因素进行分析，另外土体的收缩率对土水特征曲线影响程度也比较大。于是文章将对孔隙结构、土的矿物成分和收缩率进行分析。

1.1 孔隙结构

土体的孔隙结构主要对土水的收缩膜形状和作用面积会造成一定程度影响，因为收缩膜的形状如何，土水之间的吸力大小就会不同。如果孔隙结构中的孔隙大小比较小，即土体之间的水不易流失，就会增加土体的持水性，于是土水特征曲线就会表现出比较平稳的状态[7]。一般情况下，粒径越小和级配比较好的土体，其孔径就会比较小。所以孔隙结构主要受到级配、粒径和土骨架等因素的影响，当然还存在其他因素的影响，比如干密度、应力路径和初始含水量等，这些次要因素对孔隙结构造成影响的同时，就会影响土水特征曲线。

1.2 土的矿物成分

矿物成分不仅包含着土颗粒的矿物成分，而且孔隙中的可溶液成分也属于土的矿物成分。土的矿物成分主要是影响是土体对水分的亲和程度，如果土体中的矿物成分表现出了比较强的亲水性，那么土体中的吸力也比较大，那么残余含水量就会比较大，然后在水土特征曲线上的斜率变化就会比较平缓[8]。

1.3 土体的收缩率

土体在自然环境下，会因为天气原因造成土体发生干湿循环的一个状态，于是在这个过程中，土体内部会发生因为干湿状态而发生收缩或者碰撞的一个变化，这个变化就会造成空隙结构发生变化，于是就会影响土水特征曲线的形状。

2 实验分析

土水特征曲线会受到不同因素的影响，具体的影响结果如何，文章将通过实验进行一系列对比分析，通过使用定性的分析方式测得土水特征曲线的特征变化，而不是仅仅在理论层次上得到一些曲线特性。

2.1 试样选取

试样将使用两种不同地方位置的土，所选择的两种土为膨胀性土原状样或者击实土，选择两种土目的在于研究不同土质对土水特征曲线的影响。然后两种土的基本性状如表1所示。其中试样B是一种粘土，其矿物成分主要包含蒙脱石、云母和蛭石。

2.2 试验方法

首先将两种不同的试样A和试样B进行加压处理，其中需要使用的仪器有15bar压力膜仪，然后为了能够对土样进行加压或者约束土体碰撞，然后自制了3.5bar体积压力板，对土样进行压力处理的目的在于能够使得土样接近实际工程中的应力状态。

实验目的在于分析土水特征曲线受到不同因素的影响程度，于是选择了3组对比实验进行分析。因为所选择的土处于原来状态时，其自身是具备一定的应力，所以在实验过程中需要模拟这种应力状态。为了形成对比研究，对一组试样中进行了有压和无压饱和处理。然后还对初始孔隙比击实土对曲线的影响进行了分析，于是选择了两种不同初始孔隙比的土进行曲线特征分析，还分析了不同塑性土对土水特征曲线的影响。最后，文章为了得到比较完整的土水特征曲线，于是测试了一种风砂的土水特征曲线。

3 结果和讨论

3.1 固结压力的影响

土水特征曲线会因为不同因素发生变化，文章首先研究了外力对其影响。于是对相同的试样进行了有压和无压实验，其中有压条件表示的是在饱和及实验过程中，土体会受到一定的压力，即在这种约束条件下土体不会发生碰撞，那么土体在实验过程中其中的孔隙比不会发生变化;另外一种无压条件是在实验过程中，土体会发生自由碰撞饱和，所以其形状将会发生变化，其孔隙比也会发生变化。实验选择的试样类型为试样B，然后对其进行有压和无压的实验，得到的土水特征曲线如图1所示，从图中可以看出，随着基质吸力的不断增加，含水量不断降低，且在有压和无压的条件下，两个曲线最后有相重合的趋势，但是两个曲线的形状却具有比较大的区别，即曲线的斜率比较大，就是两种不同土体中的进气点和进气值后的储水系数比较大。当土体具有一定的压力之后，水土特征曲线的变化程度比较小，那么其脱水效果比较慢。所以在分析水分蒸发和入渗时，需要将土样的应力状态进行考虑。

从图中可以看出，当吸力比较大时，有压和无压的两条土水特征曲线趋于重合，即说明此时的应力对吸力值的影响非常小，甚至没有任何关系。因为吸力和吸附强度具有相对应的关系，所以能够说明外应力也对吸附强度的也没什么影响，该结论正好与相关研究一致。

3.2 初始孔隙比的影响

试样B的土体为击实土，然后将其制作成两种试样，即孔隙比不同，其他都相同，然后初始孔隙比分别是0.83和0.66。然后对这两种试样进行实验，获得土水特征曲线，结构如图2所示。从图2中可以看出，当基质吸力越来越大时，两条曲线会存在一个交点，当小于交点处的基质吸力时，空隙比更大的土体其含水量大于空隙比较小的土体，当大于交点处的基质吸力时，两个曲线的含水量大量比较接近。总体来讲，当孔隙比不一样时，土水特征曲线的变化还是比较大，能够说明，孔隙比对进气值以后的曲线斜率有比较大的影响，且土体储水系数越大，孔隙比越大。

3.3 土质的影响

将试样A和试样B两种不同的土质作为实验对象，两种土都为原状土，其中试样A的塑性指标为47.3，试样B的塑性指标为26.5，然后其他的相关指标一致。两种不同土质的土水特征曲线如图3所示。从图3中可以看出，两种不同地方的土质其储水系数和进气值都存在区别，其中试样A的塑性指标更大，而其脱水速度比试样B慢，即高塑性粘土具有更好的持水性和脱水性慢等特点。

对一种风化砂进行测试，得到其土水特征曲线，其结果如图4所示。因为风化砂的内部结构较为松散，特别容易脱水，当其吸力比較小时，能够得到一个形状较好的完整土水特征曲线。通过图3和图4的对比，可以发现，粘土的进气值远远大于风化砂，然而其储水系数比较大。

3.4 原状样和击实样的土水特征曲线

为了探讨土体的不同状态对土水特征曲线的影响，文章选择了试样B作为土样，然后分析两组击实土和原状土的土水特征曲线，实验结果如图5所示。从图5中可以看出，击实土的两条曲线都有一个非常明显的折点，在折点之前，曲线处于一个水平状，此时的土样处于一个完全封闭状态，而在折点之后，曲线就是一个斜线段，含水量将会随着吸力的增加而降低。而图中原状土的曲线没有出现折点，而是处于一个比较平缓的过渡。出现这种现象可能是因为原状土中的土颗粒会进行有规律的排列，然后其内部的空隙结构也会具有一定的方向性，不会表现出杂乱无章的状态，甚至在土体内部中会存在一些相互连通的通道，于是土体处于脱湿状态时，气体会进入土体中，然后将通道中的水排出，这部分的水占比会比较大，因为通道较大的地方最先排出水。然后将吸力不断增加时，通道中剩余的水分已经很少了，然后非通道中的水排出会比较慢，所以土体就会呈现出高持水能力。

从上述实验可知，原状样的土持水性较高、进气值较低，击实土的空隙没有方向性且分布均匀，气体很难进入到土体内，所以其进气值较大。实验能够说明土体的状态对土水特征曲线影响比较大。

4 击实土的土水特征曲线公式

国内外已经有相关学者根据土体孔径分布曲线，构建了适用于任何土类的特征曲线公式，但是这些公式都非常复杂，在实际的应用过程中将会很不方便，所以文章提出了一种简单实用的水体特征曲线公式。通过上文分析，原状土和击实土的土水特征曲线相差比较大，于是将会使用不同的公式对其曲线进行表示。在进行公式的建立时，只需要对具有实际工程意义的含水量进行分析，然后将该阶段非饱和土的有关公式进行简化，使得公式能够有更好的实用性。

上文实验中获得的土水特征曲线只是曲线中的一部分，是因为受到吸力的限制，但是这一部分的土水特征曲线最具有工程意义。然后关于这一段的曲线公式也有不少学者对其进行研究，并且有比较准确的公式表达，但是这些公式相对来说比较复杂。所以为了简化曲线公式，文章对很多击实样进行实验分析，得到相关的曲线，然后发现这些曲线可以通过使用折线形式进行近似表述，即前一半可以用水平线进行表示，后一段为斜线段，如图6所示。并且这种拟合方式具有一定的准确度和合理性。于是其表达公式如下所示：

其中，θ表示的是体积含水率，表示的是土体进气值，表示的是饱和时土的含水率，n表示的是斜率。通过计算之后，图6中的拟合参数为0.024，进气值为10kPa。上述公式能够通过测得土的含水量，然后拟合土水特征曲线，这种方式就可以不同对高吸力范围断进行测量，另外，该公式中的拟合参数比较容易测定，不像有些曲线公式对参数的测定会比较困难，所以文章研究的曲线方程用起来将会比较方便，能够满足一般土水特征曲线的求取。

由于土水特征曲线分为两种情况，即脱湿和吸湿，那么就存在两种不同形式的运动参数，所以曲线计算过程中需要对这两种情况进行区分，当蒸发状态时，需要使用脱湿曲线，当属于渗入情况时，需要使用吸湿曲线进行计算，这样所得到的结果将会更加准确。

5 结语

在非饱和土中土水特征曲线研究相当重要，有助于推动土力学的发展。所以文章对该曲线进行了深入研究，研究了不同因素对土水特征曲线的影响，并通过实验进行定性研究。然后发现外力、初始孔隙比、土质对土水特征曲线都有一定的影响，其中外力对曲线的影响主要集中在初始阶段，后续阶段的影响就比较小;初始孔隙比越大，土体的进气值将会越低，当吸力超过某一直之后，土体的含水率将会不断降低，土体的持水能力将会高于孔隙比较小的土体;另外，高塑性粘土的具有更好的持水性能，土的状态不同，也会影响土水特征曲线。

参考文献

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