关于“非饱和土的基质吸力和张力吸力”的讨论

笔者学习了栾茂田教授题为“非饱和土的基质吸力和张力吸力”一文（载于《岩土工程学报》2006年第7期，以下简称“原文”），原文与我们的“湿吸力及非饱和土的有效应力原理探讨”、“从粒间吸力特性再认识非饱和土抗剪强度理论”、“非饱和土中有效应力及有关概念的解说与辨析”（分别载于《岩土工程学报》2000年第1期、2001年第4期.     

关于非饱和土基质吸力与水分状态的讨论

非饱和土与饱和土最主要的区别在于土中存在基质吸力.吸力对土的力学性状有重大影响,是非饱和土研究的核心问题.根据基质吸力测定试验拟合了非饱和土的土—水特征曲线,得出在相同干密度下,基质吸力随含水量的增加而急剧减小.     

对“非饱和土的基质吸力和张力吸力”讨论的答复

《非饱和土的基质吸力和张力吸力》一文（下文称“原文”）引起了张鹏程和汤连生老师的兴趣，并提出了一些疑问，笔者对两位老师的关注表示感谢。下文答复中称《关于“非饱和土的基质吸力和张力吸力”的讨论》为《讨论》，称汤连生老师的两篇论文分别为“文一”和“文二”。正像《讨论》所说的那样“学术贵在争鸣”，笔者希望此次讨论能引起更多同行对吸力问题的关注。     

对"非饱和土的基质吸力和张力吸力"讨论的答复

《非饱和土的基质吸力和张力吸力》[1]一文(下文称“原文”)引起了张鹏程和汤连生老师的兴趣,并提出了一些疑问,笔者对两位老师的关注表示感谢。下文答复中称《关于“非饱和土的基质吸力和张力吸力”的讨论》为《讨论》,称汤连生老师的两篇论文分别为“文一”[2]和“文二”[3]。正像《讨论》所说的那样“学术贵在争鸣”,笔者希望此次讨论能引起更多同行对吸力问题的关注。     

非饱和土的基质吸力与毛细吸力

从毛细现象和基质吸力的定义出发讨论了二者的联系和差别，指出毛细吸力和基质吸力是两个不同的概念，考虑到作用面积的影响，提出了等效基质吸力的概念，通过对理想粘土片和球形颗粒最松散堆积模型的计算分析得出了毛细上升高度和基质吸力表达式，研究表明，在毛细高度之内，基质吸力线性分布与含水量无关；在毛细高度之外，基质吸力非线性增长；另外对等效基质吸力沿高度的分布作了定性分析。     

重塑粘性土的基质吸力与土水分及密度状态的关系

非饱和土的基质吸力与其中水一气体系的温度、孔隙水的密度和孔隙气的相对湿度有关。测试了23组不同水分状态和密度状态的重塑非饱和粘性土三轴试验土样的温湿度，计算了相应的基质吸力。数据分析表明：基质吸力与干密度的关系在不同的含水量段具有不同的特点；基质吸力与含水量呈强非线性关系；在土的水分状态和密度状态空间，基质吸力的分布为一变形的W型折曲面。该曲面左翼陡立上翘，位于低水分状态，表征强非饱和土，右翼水平伸展，位于高水分状态，表征弱非饱和土，中心部位是一个“A”型折面，位于中等水分状态，表征典型非饱和土。首次提出了孔隙充水结构的概念，藉以从孔隙结构和毛细凝结两方面来准确理解非饱和土的水气界面效应，从而利于认识和把握非饱和土中基质吸力的变化规律。     

关于"非饱和土的基质吸力和张力吸力"的讨论

笔者学习了栾茂田教授题为“非饱和土的基质吸力和张力吸力”[1]一文(载于《岩土工程学报》2006年第7期,以下简称“原文”),原文与我们的“湿吸力及非饱和土的有效应力原理探讨”、“从粒间吸力特性再认识非饱和土抗剪强度理论”、“非饱和土中有效应力及有关概念的解说与辨析”[2-4](分别载于《岩土工程学报》2000年第1期、2001年第4期、2006年第2期,以下简称“文一”、“文二”、“文三”)等文章的观点有相同点,也有不同点。学术贵在争鸣,我们想就栾茂田教授的文章,在以下几个问题上,与栾教授商榷。     

湿吸力及非饱和土的有效应力原理探讨

提出并阐述了湿吸力的概念,分析了非饱和土的孔隙水压力与由于表面张力而产生的土颗粒之间的湿吸力的定量关系及其根本区别,探讨了湿吸力的变化规律及其主要的影响因素,分析了现有非饱和土有效应力原理存在的问题。基于湿吸力概念,分析并给出了有效应力公式,建议了非饱和土的状态分类及有效应力原理。文中明确解释了Bishop有效应力公式中经验参数χ的物理意义、表达式及其适用范围和影响因素。最后,讨论了非饱和土状态分类原则及其力学分析方法,并指出:非饱和土变形理论的研究,首先应采用细观土力学方法,然后上升到宏观及应用     

伊犁黄土总吸力和基质吸力土水特征曲线拟合模型

新疆伊犁黄土具有湿陷性强烈、易溶盐含量高的特点,描述其非饱和土应力状态中的吸力参量时,须同时考虑总吸力和基质吸力两个参量。为此,通过滤纸法开展了不同含盐量下伊犁黄土的土水特征曲线试验,测量了不同含盐下伊犁黄土的总吸力与基质吸力,计算了不同含盐量下土样中溶液浓度,分析了含盐量对湿陷的影响,基于Gardner模型,提出了可以考虑易溶盐含量影响的伊犁黄土总吸力和基质吸力土水特征曲线的拟合模型。研究结果表明:含盐量对新疆伊犁黄土的基质吸力有一定影响,对总吸力与渗透吸力影响较大;土样溶液浓度随着含盐量的增大而增大,总吸力与溶液浓度之间呈线性关系;随着土样内易溶盐含量的增加,土样湿陷系数明显增大;提出的土水特征曲线模型可以考虑易溶盐含量的影响,可以统一描述伊犁黄土总吸力和基质吸力随含水率、易溶盐含量变化的规律。     

非饱和土孔隙比与基质吸力关系的通用模型

基于土的土–水特征曲线(SWCC)和收缩特征曲线(SSCC)的特点及二者之间的联系,采用三直线的分段SSCC模型及非饱和土的三相比例公式,推导出了反映非饱和土孔隙比与基质吸力关系的通用模型。为了证实所提出模型的可靠性,采用GDS三轴仪进行了一系列吸力平衡试验,并对所提出模型的理论假设进行了验证。试验结果表明:利用该假设并通过吸力平衡下试样的排水量,可以准确地预测饱和试样在某一基质吸力和净围压共同作用下的体积变化量、进气量和总体变,证明了所提出模型的假设是成立的,且假设中的系数u具有明确的物理意义。     

Determining osmotic suction through electrical conductivity for unsaturated low-plasticity soils

Determining osmotic suction from the electrical conductivity (EC) of soil pore water was widely reported in the literature. However, while dealing with unsaturated soils, they do not have enough soil pore water to be extracted for a reliable measurement of EC. In this paper, the chilled-mirror dew-point hygrometer and contact filter paper method were used to determine the total and matric suctions for low-plasticity soils with different salinities (0.05‰, 2.1‰, and 6.76‰). A new piecewise function was proposed to calculate the osmotic suction, with the piecewise point corresponding to the first occurrence of precipitated salt in mixed salt solutions (synthetic seawater). EC, ion and salt concentrations used for osmotic suction calculation were transformed from the established relationships of mixed salt solution instead of experimental measurement. The calculated osmotic suction by the proposed equation and the equations in the literature was compared with the indirectly measured one (the difference between the measured total and matric suctions). Results showed that the calculated osmotic suction, especially the one calculated using the proposed function, was in fair agreement with the indirectly measured data (especially for specimens with higher salinity of 6.76‰), suggesting that the transformation of EC and concentrations from the established relationship is a good alternative to direct measurement for low-plasticity soil. In particular, the proposed method could be applied to unsaturated low-plasticity soils which do not have enough soil pore water for a proper EC measurement.     

Triaxial apparatus equipped with elastic waves and matric suction measurement techniques

A recently developed technique for elastic wave measurement, a disk transducer method, and a pressure membrane technique for suction measurement were merged into a modified triaxial testing apparatus enabling the procurement of both the elastic waves and the matric suction of a cylindrical specimen. The apparatus was employed to evaluate the variation in suction in sandy soil possessing a low range of suction (less than 100?kPa). Fine sand with two types of fines, namely, non-plastic silt and kaolin clay, was mixed with Toyoura sand in order to prepare sandy soil specimens. Both compressional and shear wave velocities were evaluated in conjunction with the associated matric suction. The matric suction was varied by injecting water into the specimens, and the relevant elastic wave velocities were obtained by a disk transducer. This research has corroborated the applicability of the disk transducer method to unsaturated soil specimens as well as the effects of matric suction on the mechanical behaviour of sandy soils possessing a low range of suction.     

干湿循环作用下非饱和重塑黏土变形特性研究

为了研究了基质吸力与干湿循环对非饱和重塑黏土压缩变形特性的影响,利用最新研制的全自动非饱和土固结仪,在控制基质吸力的条件下进行非饱和土压缩试验。研究结果表明,吸力越大,土体的压缩性越小,屈服应力越大,含水率减小的幅度也越小。试样经历干湿循环后,土体的压缩性增大,屈服应力减小,土体弹性变形的应力范围也减小。非饱和土的压缩变形以孔隙气体的压缩为主,土体中孔隙水的排出处于次要地位。干湿循环对非饱和土变形特性有重要影响,考虑其影响对于实际工程应用是十分必要的。     

路基非饱和土抗剪强度的吸力效应

从宏观的吸力控制型直剪试验和微观的土体颗粒结构2方面入手,对路基非饱和土抗剪强度的吸力效应进行了研究.在不同吸力和不同法向应力条件下完成4组剪切试验,并选取2种不同含水量的同类型土样进行结构扫描.研究结果表明,与粘性土不同的是,当粉质砂土含水量逐渐降低时,土体基质吸力对土体抗剪强度的贡献效果并不是一直增加的,而是存在一...     

干密度和基质吸力对重塑非饱和黄土变形与强度特性的影响

 为解决填方工程沉降和边坡稳定性问题,采用非饱和土三轴仪,对延安新区填方的重塑Q3黄土,进行3种初始干密度下一系列控制基质吸力的三轴剪切试验,研究重塑黄土的变形和强度变化规律。研究结果表明：初始干密度和吸力对重塑黄土的破坏形态、变形特性和强度特性影响较大;随初始干密度的增大,试样的偏应力–轴向应变曲线逐渐由应变硬化型向理想弹塑性再向应变软化型转变;初始干密度和吸力越大,试样的剪胀性越显著,强度越高;有效黏聚力、内摩擦角和吸力摩擦角均随初始干密度的增加而增大;内摩擦角随吸力几乎不变,而黏聚力随吸力呈线性增加;初始切线杨氏模量和切线体积变形模量均随初始干密度与吸力的增加而提高。根据研究结果提出考虑初始干密度和吸力影响的重塑黄土的抗剪强度参数与非线性模型参数的表达式,可用于预估不同初始干密度、不同吸力下重塑黄土的强度和变形参数,为工程应用和数值模拟提供了依据。     

表面张力与接触角对膨胀土干缩开裂影响的试验研究

用悬滴法对纯水、酒精溶液和肥皂水(表面活性剂)3种液体的表面张力进行测量,比较3种液体表面张力的大小;用躺滴法测量混有十八胺的两种土样的接触角。在此基础上,针对不同表面张力和接触角的膨胀土试样进行收缩开裂试验。试验结果表明:孔隙水表面张力和接触角对膨胀土的收缩开裂有重要影响。表面张力越小的试样,其最终收缩开裂裂隙度越小,但在裂隙发展阶段,脱湿时间相同时,孔隙水表面张力小的土样其收缩开裂裂隙度有可能大于表面张力较大的土样。增大土颗粒与孔隙水间的接触角可以很好的抑制膨胀土的收缩开裂,接触角越大,相同的脱湿时间下土体的收缩开裂裂隙度越小。减小孔隙水表面张力或增大接触角都会使土体中的弯液面曲率半径增大,从而减小土体中的基质吸力。接触角的增大还有可能使弯液面由凹变凸,基质吸力会因此消失,从而很好的抑制膨胀土开裂。     

非饱和土强度的吸力贡献形式研究

在三级法向应力条件下,分别对处于饱和与最优含水率状态时的4种土样进行直剪实验。所得结果表明,基质吸力会转化为土样的一种黏聚力,并以这种形式来增强土样的强度。与此同时,吸力对土样内摩擦角所造成的影响却是很微小的。分别用同种土样来进行持水特性试验,得到了每种土样处于吸湿与脱湿过程时的土–水特征曲线。对土–水特征曲线进行分析后可知,同种土样的强度特征与其所经受的水力路径是息息相关的;另一方面,与饱和土相比,促使非饱和土强度得以增加的因素是多样的,基质吸力只是占主导地位的因素。依据分析所得结果,可将Fredlund等人提出的非饱和土抗剪强度公式表述为更为直观的形式。     

Unsaturated creep tests and empirical models for sliding zone soils of Qianjiangping landslide in the Three Gorges

Creep of sliding zone soils may cause significant displacement in large-scale landslides in the Three Gorges reservoir area.To investigate the effects of water on the soil creep behavior of the Qianjiangping landslide,a series of unsaturated triaxial creep tests on the sliding zone soils were performed.Based on the analyses of testing results,a new stress intensity incorporating matric suction was defined and an unsaturated Singh-Mitchell creep model was developed.Predicted results are in good agreement with the experimental results,which indicates that the established unsaturated model can reasonably simulate the effects of water on the soil creep behavior of the landslide.Finally,relationships between matric suction and the parameters of the model were analyzed.This study provides a calculation model and parameters for the evaluation of long-term stability of landslides under the influence of water.