非饱和红土基质吸力与含水率及密度关系试验研究_刘小文

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非饱和黄土状土基质吸力试验研究

１２试样制备．
在黄土分布区，以黄土为主要施工材料的路基及建筑物，
压实土层之间存在着不同的基本物理状态，如含水率和干密度不同。为了研究不同状态下重塑黄土基质吸力变化规律，将含
水率为７、０及１％的土料，别按干密度Ｐ％１％３分为１４．０、
状粉土标记为土Ｉ黄土状粉质黏土标记为土２两种土的基本，，
物理性质指标见表１颗粒分析结果见表２，。
表１黄土状土的基本物理性质指标
２２试验方法．
在非饱和土三轴仪器上，用直接测量的方法测出土样的采基质吸力大小。基质吸力为土中水自由能的毛细部分，过测通
表２黄土状土颗粒级配
基质吸力是土对水的吸持潜能，非饱和土的基质吸力与土的水分状态相关，含水量对基质吸力存在影响。一般认为，基质吸力随含水量的增大而单调减小，但也有学者认为基质吸力与含水量并不存在一一对应的单值关系Ｊ。作为基质吸力
密度的增加缓慢增加，含水率为１％和１％时基质吸力随干密度变化先增大后减小，在０３并且有明显峰值的非线性关系；黄土状土的黏性只对基质吸力大小产生影响，其基本变化规律无影响。对
１６、．０１７／ｍ．２１７、．８ｇｃ。和１９／ｍ．８ｇｅ在三轴重塑土样压实仪上制成高ｈ：１ｍ、２ｃ直径＝６ｍ的圆柱形试样，然后将所制成

非饱和压实高液限红粘土抗剪强度与含水量的关系

非饱和压实高液限红粘土抗剪强度与含水量的关系林丽萍;贺建清;罗婉【摘要】为研究非饱和压实高液限红粘土的强度特性,通过控制基质吸力的非饱和三轴试验研究了基质吸力变化对非饱和土抗剪强度的影响.研究发现:Fredlund非饱和土强度公式适用于非饱和高液限红粘土,其总粘聚力随基质吸力的增加而增大,基质吸力对其内摩擦角影响甚微.基于一定应力状态下的土水特征试验,得到了非饱和压实高液限红粘土的土水特征曲线.研究结果表明:高液限红粘土具有较好的持水性能;在低基质吸力范围内,重力含水率与基质吸力呈指数关系,其关系表达式为:w=aebs.由重力含水率与基质吸力的关系式,推导出引入含水量的非饱和土抗剪强度公式,该公式由土层含水量确定强度,简单实用.【期刊名称】《湘潭大学自然科学学报》【年(卷),期】2015(037)002【总页数】8页(P61-68)【关键词】高液限红粘土;非饱和三轴试验;土水特征曲线;基质吸力;含水率【作者】林丽萍;贺建清;罗婉【作者单位】湖南科技大学土木工程学院,湖南湘潭411201;湖南科技大学土木工程学院,湖南湘潭411201;湖南科技大学土木工程学院,湖南湘潭411201【正文语种】中文【中图分类】TU41高液限红粘土作为路基填料难以压实，在高温暴晒下干缩，极易产生开裂，遇到水等自然因素作用，容易引发路堤边坡失稳、路面开裂、翻浆等多种工程病害，存在严重的工程隐患[1].在干旱半干旱及地下水深埋条件下，压实高液限红粘土常常处于非饱和状态，其抗剪强度指标强烈地依赖于含水量[2].因此，研究非饱和高液限红粘土抗剪强度与含水量的关系及变形性状，有利于指导高液限红粘土路基的设计与施工，预防和控制路基病害的发生.现阶段主要的非饱和土强度公式，如Bishop有效应力强度公式[3]和Fredlund双应力变量强度公式[4]，均含有吸力项，它反映了吸力对强度的贡献.工程实际中，吸力的确定很不容易，控制吸力的非饱和土三轴试验费资耗时，现场测定土体基质吸力尤为困难，理论分析和数值计算涉及到现阶段仍不成熟而且比较复杂的非饱和土固结模型[5～7].由于吸力获取困难，将吸力作为变量的非饱和土强度公式未能得到广泛的实际运用.实际工程中，土的含水量(或饱和度)非常容易确定.近年来有学者提出了通过土水特征曲线确定非饱和土的强度的实用方法[8].但这种方法没考虑土水特征曲线的诸多影响因素，特别是土体的应力状态[9～11].本文拟采用控制基质吸力的非饱和三轴固结排水试验研究非饱和高液限红粘土的强度特性，并结合一定应力状态下非饱和高液限红粘土的土水特征曲线，基于Fredlund非饱和强度理论推导出引入含水量的非饱和土强度公式.1.1 非饱和抗剪强度理论国内外有许多学者提出过不同的非饱和土抗剪强度理论.目前得到岩土工程界广泛认可的有两类.一类是Bishop非饱和强度理论为代表的单应力状态变量强度理论.Bishop将有效应力原理引入到非饱和土力学中，提出了非饱和土有效应力强度公式：式中：c′、φ′分别为有效粘聚力和有效内摩擦角；(σn-ua)为净法向应力；(ua-uw)为基质吸力；χ为与土的饱和度有关的参数.另一类是Fredlund的双变量公式：式中：φb为吸力内摩擦角.Fredlund非饱和土强度公式是饱和土抗剪强度公式的引申.与饱和土公式相比，该公式引入了净总应力差和基质吸力两个应力状态变量，并把φb吸力摩擦角作为强度指标.1.2 土水特征曲线土水特征曲线可用于计算描述非饱和土特性的不同参数，解决非饱和土的诸多问题，如土的抗剪强度、渗透系数、扩散系数等[12].土水特征曲线方程反映土中含水量与吸力的关系，体现了土的持水性能，具有实际的使用价值.方程中土中水的变化通常用含水量(重力含水量w、体积含水量θ或饱和度Sr来表示；土中吸力是基质吸力(也称为毛细压力(ua-uw))，也可以是总吸力.Fredlund典型土水特征曲线见图1[13].2.1 试样制备试验土样取于郴宁高速公路K206+924附近，其基本物理性质指标见表1.颗粒级配曲线见图2.按《公路土工试验规程》[14]进行击实试验，得高液限红粘土的最大干密度ρdmax=1.60 g/cm3，最佳含水率wop=20.6%.模拟现场施工工艺，按文献[15]要求，土风干后捣碎，过2.5 mm筛，加蒸馏水拌制成一定含水率的土料，闷料24 h后，测定其含水率，按0.9的压实度控制干密度，利用三瓣饱和器分5层击实制成高H=8 cm，直径D=3.91 cm的试样.为了克服层与层之间的分层现象，各层接触面上均经过刮毛处理.击完最后一层，取出试样称量.每个试样密度的平行误差都小于0.02 g/cm3.对制备好的试样测量其直径和高度.击实成形的试样装入饱和器后，将饱和器装入真空抽气设备内进行抽气，使其接近一个大气压后再抽气2 h，然后徐徐地注入蒸馏水，抽气饱和后静置6昼夜以上.2.2 试验设备及试验方案试验采用南京土壤仪器厂生产的TFB-1型非饱和土应力应变式三轴仪.该仪器采用轴平移技术，能对基质吸力进行量测，或将基质吸力维持于目标值.轴平移技术是非饱和三轴仪控制基质吸力的关键性技术，它有效地解决了基质吸力控制难和测量不精确的问题.为实现轴平移技术，在土样底部设置了高进气值陶土板.高进气值陶土板的特点是隔绝空气，允许液体通过.在陶土板下设置孔隙水压量测、控制系统，在土样顶部设置孔隙气压量测、控制系统就能分别对孔隙水压和孔隙气压进行控制和测量.为确定高液限红粘土的非饱和强度参数，采用TFB-1非饱和三轴仪进行控制基质吸力的非饱和三轴固结排水试验，试验过程中控制基质吸力、围压与净围压，试验采用等应变剪切，剪切速率为0.008 mm/min.具体试验方案见表2.2.3 试验结果与分析2.3.1 应力应变关系按试验方案，此次非饱和三轴固结排水试验历时120 d，取得了一系列试验数据.图3为同一基质吸力不同净围压下的主应力差与轴向应变的关系曲线，图4为同一净围压不同基质吸力下的主应力差与轴向应变的关系曲线.由图3可知，同一基质吸力下，围压对土的抗剪强度具有增强作用，高液限红粘土具有压硬性.当主应力差相同时，净围压越大，轴向应变越小，围压限制了试样的轴向变形.由图4发现，同一净围压下，轴向应变相同时，基质吸力越高，主应力差越大.2.3.2 抗剪强度指标分析基于土样主应力差与轴向应变的关系曲线，取曲线峰值或者轴向应变为15%时对应的主应力差为破坏应力差，画摩尔圆，并对不同围压的三个摩尔应力圆两两绘切线，找出6个切点.利用origin使用最小二乘法对6个切点进行线性拟合，得出图5所示非饱和高液限红粘土在不同基质吸力下的抗剪强度包线.根据Fredlund非饱和土强度公式，总粘聚力即破坏包线在剪应力τ轴上的截距可设为c1，则由式(3)可得其强度指标，见表3.由图5及表3可以看出，不同基质吸力下的抗剪强度包线在剪应力τ轴上的截距不同，基质吸力越大，在坐标轴上的截距越大，即总粘聚力越高.而破坏包线的斜率基本不受基质吸力的影响，即基质吸力对摩擦角的影响很小.以表3中的基质吸力(ua-uw)为横坐标，总粘聚力c1为纵坐标绘制图6所示c1与(ua-uw)的关系曲线.由图6可知，c1与存在线性关系，其线性关系可由式(3)表示.图6中拟合直线的截距为，斜率为tanφb.由试验结果可知，高液限红粘土的强度可由Fredlund非饱和土强度公式确定：c′=19.55 kPa，φ′=27.17°，φb=18.89°.按2.1节方法，制备、饱和试样.利用FTB-1型非饱和三轴仪在一定净围压下对饱和试样进行基质吸力控制，使其在相应基质吸力下脱湿，最终达到水土平衡，平衡条件参照文献[16]标准：试样排水量在2 h内小于0.012 cm3.通过烘干法测得试验后试样含水量，得基质吸力与含水量的对应关系，即土水特征曲线.具体试验方案见表4.通过试验，可得高液限红粘土在20 kPa净围压下低基质吸力范围内的土水特征曲线，其试验结果见表5，土水特征曲线见图7.由试验结果可以看出，土的基质吸力的大小取决于土的含水量，基质吸力影响了土的持水能力.高液限红粘土在低基质吸力下具有较高的含水量，证明高液限红粘土具有很好的持水性能，这使得高液限红粘土天然含水量较高.压实较好的高液限红粘土天然含水量可达34%以上.受试验仪器精度的限制，本试验无法测得高液限红粘土的进气值，同时因高进气值陶土板的进气值为500 kPa，试验无法施加高于500 kPa的基质吸力，亦无法测得该土的残余含水量.因此，本试验无法得到完整的土水特征曲线.参照Fredlund[13]的典型土水特征曲线(图1)，重力含水率与基质吸力的关系见图7.对图7中土的重力含水率与基质吸力的关系进行拟合，可得以下关系表达式：式中，s为基质吸力，s=ua-uw；a、b为常数：a=34.111，b=-0.000 6；拟合相关系数R2=0.958 1.由式(4)可知，重力含水率与基质吸力呈指数关系.由于高液限红粘土具有很好的持水性能，郴宁高速公路沿线现场实际测定的天然含水率一般高于塑限，在26.1%～45.4%之间[17].因此，式(4)基本适用于现场工况. 由高液限红粘土重力含水率与基质吸力的关系式(4)及总粘聚力表达式(3)，可得到非饱和高液限红粘土实用化的总粘聚力表达式：由式(5)、式(2)可得非饱和高液限红粘土抗剪强度实用化公式：在实际操作中测量非饱和土的基质吸力并非易事，多数实验室无测量基质吸力设备，工程现场测定土体基质吸力尤为困难.但含水量的测定非常容易，钻孔取样后通过简单的烘干试验便可得到.因此，用式(6)确定非饱和高液限红粘土抗剪强度非常简单实用.但是，影响非饱和土强度的因素很多，如土的种类、压实程度、温度、应力状态等，且受试验仪器的精度、试验方法的限制.建议在以后类似工程中，仿照本文方法，尽量模拟现场工况进行非饱和土三轴试验及土水特征试验，由试验结果建立非饱和土抗剪强度与含水量的关系式，以指导工程实践.通过对非饱和高液限红粘土的强度特性及土水特征曲线的试验研究，可以得出如下结论：(1) Fredlund非饱和土强度公式适用于非饱和压实高液限红粘土.总粘聚力与存在线性关系，基质吸力越大，总粘聚力越高；基质吸力对摩擦角的影响甚微.(2) 在低基质吸力范围内，重力含水率与基质吸力呈指数关系，其关系表达式为：w=aebs.(3) 非饱和土的强度随重力含水量的增大而降低.将重力含水率引入基质吸力，建立了简单实用的非饱和高液限红粘土抗剪强度公式：τf=c′+(σn-ua)tanφ′tanφb.【相关文献】[1] 谈云志，孔令伟，郭爱国，等. 压实红黏土的湿化变形试验研究[J]. 岩土工程学报，2011，33(3)：483-489.[2] 陈爱军，张家生. 基于线弹性力学的非饱和红粘土裂缝开展分析[J]. 自然灾害学报，2013，22(3)：198-204.[3] BISHOP A W，ALPAN I，BLIGHT G E，et al. Factors controlling the shear-strength of partly saturated cohesive soils[C]// ASCE Conference on Shear of Cohesive Soils. Boulder，CO：University of Colorado，1960：503-532.[4] FREDLUND D G，MORGENSTERN N R，WIDGER R A. The shear strength of unsaturated soils[J]. Canadian Geotechnical Journal，1978，15(3)：313-321.[5] 凌华，殷宗泽. 非饱和土强度随含水量的变化[J]. 岩石力学与工程学报，2007，26(7)：1 499-1 503.[6] 凌华，殷宗泽，蔡正银. 非饱和土的应力-含水率-应变关系试验研究[J]. 岩土力学，2008，29(3)：651-655.[7] 杨和平，张锐. 非饱和膨胀土总应力强度的确定方法及其应用[J]. 长沙理工大学学报(自然科学版)，2004(2)：1-6.[8] FREDLUND D G，XING A，FREDLUND M D，et al. The relationship of the unsaturated soil shear strength to the soil-water characteristic curve[J]. Canadian Geotechnical Journal，1996，33(3)：440-448.[9] BAO C G, GONG B W, ZHAN L T. Properities of unsaturated soils and slope stability of expansive soils[C]. The Second International Conference on Unsaturated Soils,Beijing. [10] 龚壁卫，周小文，周武华. 干-湿循环过程中吸力与强度关系研究[J].岩土工程学报，2006，28(2)：207-209.[11] 马少坤，黄茂松，范秋雁. 基于饱和土总应力强度指标的非饱和土强度理论及其应用[J]. 岩石力学与工程学报，2009，28(3)：635-640.[12] MCQUEEN I S，MILLER R F. Calibration and evaluation of a wide-range gravimetric method for measuring moisture stress[J]. Soil Science，1968，106(3)：225-231.[13] FREDLUND D G, RAHARDJO H. Soil mechanics for unsaturated soils[M]. New York：John Wiley & Sons，1993.[14] 中华人民共和国交通部标准. 公路土工试验规程：JTJ 051—93[S]. 北京：人民交通出版社，1993.[15] 中华人民共和国水利部. 土工试验规程：SL237—1999[S]. 北京：中国水利水电出版社，1999.[16] 陈正汉. 重塑非饱和黄土的变形、强度、屈服和水量变化特性[J].岩土工程学报，1999，21(1)：82-90.[17] 蒋鑫，贺建清，罗婉. 湘南地区高液限红粘土土性指标概率统计分析[J].矿冶工程，2013，33(2)：31-35.。

非饱和黄土的土水特征曲线试验研究

非饱和黄土的土水特征曲线试验研究作者：郑娟赵丽娅刘保健来源：《南水北调与水利科技》2015年第06期摘要：采用压力膜仪对非饱和重塑土在不同干密度下的土水特征曲线进行了研究。

试验结果表明：试样干密度越小，低吸力段曲线斜率变化越大，残余含水率越低，持水能力越差。

随着吸力增加，其含水率随基质吸力增大而减小的幅度越来越小，最后趋于平缓。

采用幂函数对获取的数据进行拟合，拟合效果较理想。

对比VG模型，吻合度较高。

同时，采用微型贯入仪对每级吸力作用下的土样进行贯入试验，获取基质吸力与地基承载力、液性指数及压缩模量的关系。

关键词：非饱和土；压力膜仪；基质吸力；土水特征曲线；数据拟合；幂函数；VG模型；微型贯入仪中图分类号：TU41 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2015）06-1138-05Abstract：Pressure plate extractor is used to study the soil water characteristic curve of unsaturated remolded soil under different dry densities.The results showed that （1） when the sample has smaller dry density，the slope of soil water characteristic curve has higher variation during the low suction segment，the residual water rate is lower，and the moisture holding capacity is worse；（2） with the increase of suction，the decreasing range of moisture content becomes smaller with the increase of matrix suction and tends towards stability；（3） the power function has good results to fit the obtained data obtained；and （4） the soil water characteristic curve results are similar to those tested by VG model. At the same time，penetration tests were carried out for the soil samples under each suction effect using the micro penetrometer，and the relationships between matric suction and bearing capacity of the foundation，liquid index，and compression modulus were obtained.Key words：unsaturated soil；pressure plate extractor；matrix suction；soil water characteristic curve；data fitting；power function；VG model；micro penetrometer土水特征曲线（swcc）是表示非饱和土的吸力与含水率的关系曲线，根据土水特征曲线可以确定非饱和土的许多重要信息，如渗透系数，抗剪强度[1-3]等，在工程应用中有十分重要的意义。

非饱和黄土基质吸力的滤纸法测试

非饱和黄土基质吸力的滤纸法测试唐东旗，彭建兵，孙伟青【摘要】摘要: 黄土属于非饱和土，具有明显的大孔隙、垂直节理发育、湿陷性等特征，使得黄土地区工程地质灾害问题频发。

由于黄土具有水敏性，因此水的因素成为诱发地质灾害的主要因素。

基质吸力的变化是土体边坡稳定的重要因素。

利用滤纸法对非饱和黄土的基质吸力进行试验研究，得出随着含水率的增加基质吸力逐渐减小；在土体含水率较小时基质吸力的变化比较敏感，含水率越高，其变化越小；在含水率达到饱和时基质吸力消失为零；并且随含水率的增加土体的抗剪强度逐渐减小。

研究认为，滤纸法对操作过程中空气条件要求相对严格，是一种能够快速、简便测试非饱和土体基质吸力的方法。

【期刊名称】煤田地质与勘探【年(卷),期】2012(000)005【总页数】5【关键词】关键词：滤纸法；非饱和黄土；基质吸力；土水特征曲线；抗剪强度中国黄土广泛分布在西北、华北与东北地区，尤其集中分布在被称为中央黄土高原的陕西、甘肃、山西以及宁夏等省区，黄土面积达到了63万km2，占陆地面积的6.63%，占世界黄土覆盖面积的4.9%。

多年来黄土地区水土流失严重，地质灾害频发，严重制约了经济的发展。

黄土属于非饱和土，具有大孔隙、垂直节理发育和湿陷性等特征，使得黄土地区工程地质灾害问题严重。

开展黄土地区地质灾害的成因机理研究是预防黄土地质灾害的基础，而非饱和土的土水特征曲线是解释非饱和土工程现象的一项本构关系，是一切非饱和土研究的纽带[1]。

对非饱和土基质吸力的测试方法很多，主要有张力计法、滤纸法、渗析法、压力板仪法、离心机法和三轴仪法，这些方法各具优点。

本文采用滤纸法对非饱和土的基质吸力进行测量。

现有的研究表明，滤纸法是一种即能测土体总吸力又能测基质吸力的间接测试方法，该方法具有价格低廉、操作简单、量程大和精度高等优点。

当前，国外有关滤纸法研究的成果较多采用whatman’s No.42和Schleicher＆Schuell No.589-WH两种型号的滤纸，但在国内滤纸法的研究成果屈指可数[2-5]，且主要涉及国产“双圈”牌滤纸的吸力率定试验。

高吸力下广西重塑红黏土吸力与含水率关系试验研究_欧传景

第37卷增刊2 岩土工程学报 Vol.37 Supp.2 2015年7月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering July 2015 高吸力下广西重塑红黏土吸力与含水率关系试验研究欧传景１，２，韦昌富１，２，颜荣涛１，２，卢有谦１，２，郭敬林１，２　(1. 桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004；2. 桂林理工大学广西建筑新能源与节能重点实验室，广西桂林 541004)摘要：吸力对非饱和土的性质有着重要的影响，探讨吸力与非饱和红黏土含水率之间的关系可以有效地服务地方经济。

用蒸汽平衡法研究了高吸力段（3～368 MPa）广西贺州红黏土持水特性。

研究表明，质量含水率或者饱和度随着控制吸力的增加而减小，随着吸力的降低而增大；本组试验在控制吸力值为21.82 MPa时，曲线存在突变点，此时试样吸排水速率发生比较大的变化；脱湿曲线与吸湿曲线间存在滞回效应，吸力值小于突变点的时候，滞回现象明显。

不同初始含水率的土样对应的吸力与含水率间关系曲线基本重合，而吸力与饱和度间关系曲线则不重合，主要与含水率的变化和土体的胀缩变形不成正比有关，孔隙比和吸力间的关系曲线也进一步说明了这一点，因此分析红黏土土水特征时要根据实际情况选用坐标变量。

所获结果为当地边坡土体持水特性分析提供了基础数据，有助于该地区工程实践的防灾减灾。

关键词：蒸汽平衡法；红黏土；吸力；含水率中图分类号：TU411 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2015)S2–0032–05作者简介：欧传景(1989–)，女，硕士研究生，主要从事非饱和红黏土方面的研究工作。

E-mail: ouchuanjing2012@。

Experimental tests on relationship between suction and water content ofremolded lateritic clay in Guangxi under high suctionOU Chuan-jing1, 2, WEI Chang-fu1, 2, YAN Rong-tao1, 2, LU You-qian1, 2,GUO Jing-lin1, 2(1. College of Civil Engineering and Architecture, Guilin University of Technology ,Guilin 541004, China; 2. Guangxi Key Laboratory ofNew Energy and Building Energy Saving, Guili University of Technology, Guilin 541004, China)Abstract: The suction has important influence on the properties of unsaturated soil. To explore the relationship between suction and water content of unsaturated lateritic clay can serve the local economy effectively. The soil-water characteristic curves (SWCC) of unsaturated lateritic clay with different initial water contents in Guangxi are measured by using the vapor equilibrium technique under high suction rang of 3~368 MPa. The results show that the water content or the degree of saturation decreases with the increasing control suction and increases with the decreasing control suction. When the value of control suction is less than 21.82 MPa, the drying or wetting rate of soils is getting down. The hysteresis phenomenon between the drying and wetting curves is more obvious when the control suction is smaller. The relation curves between suction and water content of soil samples with different initial water contents are coincident, but those between suction and saturation are not coincident. The main cause is that the variation in water content is not proportionate to the soil swelling or shrinkage deformation, and the relation curve between suction and void ratio confirms this further. Accordingly we should choose the right coordinate variables for SWCC of lateritic clay according to the actual situation. The results provide basic data for the analysis of soil water holding characteristics in local slope, which makes a contribution to the disaster prevention and reduction of the engineering practice in this area.Key words: vapor equilibrium technique; lateritic clay; suction; water content0 引言红黏土是特指碳酸盐类岩石在亚热带温湿气候条件下，经红土化作用，残积或局部坡积所形成的褐红、棕红等色的黏性土。

含水量对非饱和土强度影响的试验分析

．
按照不同含水率土样分组，每组等含水率试样分别在围压１００ｋＰａ下静置约１２ｈ，恢复到初始应力状态下，纪录各自孔隙水压力，含水率与孔隙水压力的关系如图２所示。对每组的４个试样分别施加１００ｋＰａ，１５０ｋＰａ，２００ｋＰａ和２５０ｋＰａ，剪切至破坏。各组含水率试样的应力一应变关系如图２ — １０所示。从图２可知，对于不同含水率的非饱和土，随着含水率的增大，孑Ｌ隙水压力增大，直到土样接近于饱和土样，孔隙水压力接近围压；同时在含水率比较低的情况下，出现负孔压，这主要是非饱和土存在基质吸力的原因。对于不同含水率的非饱和土，由图３ — １０可发现：含水率相同，强度的变化和围压值成正比；围压相同，强度和含水率成反比，由此得出非饱和土强度受土体含水量的影响较大；随着含水率的增大，试样应力一
１９．６５％，２０．２１％，２３．８２％，２７．１３％。
２．３试验步骤
试验分为２个步骤：一是恢复土样到原始应力状态。由于试验用土采自地表下５ｍ，上覆土体重度１９．３７ｋＮ・ｍ。，为简化试验，假设静止土压力系数取为１，试验在前期给土样加一个１００ｋＰａ的围压让土样恢复到原始应力状态，至孔隙水压力稳定，约１２ｈ，记录孔隙水压力。第二步做常规不排水快剪试验。为解决原土样取出后的应力释放、体积膨胀、土样密度降低的问题，本试验对试验土样进行不排水试验，以控制土样含水率。以速率１．０ｍｍ／ｍｉｎ进行快剪试验，围压分为１００ｋＰａ，１５０ｋＰａ，２００ｋＰａ和２５０ｋＰａ四个等级，每隔

非饱和红粘土基质吸力与密度及温度关系试验研究

基质吸力的量测，得到了基质吸力随干密度及温度变化的规律。试验结果表明，在相同初始含水率和温度下，基质
吸力随干密度的增加具有逐渐减小的趋势，当含水率ｗ≤２８．５％时，这一变化规律特别明显；在常温下红粘土的基
质吸力随温度升高逐渐减小，在同一干密度下，含水率越低，温度对基质吸力的影响就越大，当含水率ｗ＜２８．５％时，
待静置一段时间后，对各个试样中的滤纸以及图样的含水量情况进行测试。在对土样进行测量时应当注意选择整个土样的中心位置，而对滤纸进行测试时，则需要依照下述相关步骤进行：首先，在短时间内确定冷铝盒以及冷铝盒含湿滤纸的重量情况，从而计算得到湿滤纸当前的重量；其次，将冷铝盒含湿滤纸放置于烘箱内恒温烘烤２４ｈ，温度控制在１０５℃即可，且整个过程中务必保持铝盒盖处于半开状态；接着，将烘箱打开并盖上铝盒盖，静置３ｍｉｎ，随后去除冷铝盒含干滤纸使用铝棒进行充分冷却３０ｓ，此时快速称取冷铝盒含干滤纸以及热铝盒的重量情况，最后得到该情况下的干滤纸的重量，依据所得到的相关数据对滤纸的含水情况进行有效计算即可。
第３４卷第４期２０１９年８月
资源信息与工程
Ｖｏｌ．３４№４Ａｕｇｕｓｔ２０１９
非饱和红粘土基质吸力与密度及温度关系试验研究
蒋鑫
（湖南省核工业地质局三六大队，湖南衡阳４２１００３）
摘要：非饱和土中基质吸力的存在对其物理力学性质具有重要的影响。而基质吸力不但与土样本身物理状态
有关，还与外界环境有关。为了研究基质吸力与非饱和红粘土干密度及温度之间的关系，采用室内滤纸法进行了
密封等多项工艺，为了得到不同的基质吸力值，控制其湿
度情况；然后，在经过湿度控制后的试样基于水平放置的

非饱和粉质粘土的土水特性试验研究_刘晓敏

文章编号:1001-831X (2001)05-0375-04非饱和粉质粘土的土水特性试验研究X刘晓敏1,　赵慧丽2,　王连俊1(1.北方交通大学土木建筑工程学院,北京　100044;2.石家庄铁道学院交通工程系,石家庄　050043) 摘　要:本文简要介绍了非饱和土的吸力概念与土水特征曲线,针对土水特征曲线难以描述的问题,对北京地区普遍分布的非饱和粉质粘土进行研究。

利用Tempe 压力板吸力仪测出粉质粘土的土—水特征曲线,通过线性拟合分析得出其吸力方程,并对方程进行了误差分析。

关键词:粉质粘土;基质吸力;土—水特征曲线中图分类号:T U44 文献标识码:A1　非饱和土的吸力与土水特征曲线方程非饱和土不同于饱和土的最本质的原因就是吸力的存在。

一般来说,研究非饱和土的吸力就是指研究基质吸力。

基质吸力指空隙气压力u a 和空隙水压力u w 的差值u a -u w ,它反映了以土的结构、土颗粒成分及孔隙大小和分布形态为特征的土的基质对土中水分的吸持作用,是研究非饱和土工程性质的一项重要参数。

基质吸力的存在是造成非饱和土与饱和土工程性质有明显差异的根本原因[1]。

非饱和土的水分都处在一定的吸力状态下,随着含水量的变化,吸力也发生变化,含水量和基质吸力的关系称为土-水特征曲线。

在特定情况下,(如土体水分仅受单一外界因素作用时),它是土含水量的唯一函数,该曲线目前还不能根据土的基本性质由理论分析得出,只能用实验方法测定。

大部分用于描述土水特征曲线的方程式是根据经验和曲线的形状而建立起来的,以下公式都是以土的粒度分布为基础的。

列表如下[2]:从表1中可以看出,描述土水特征曲线的方程都比较复杂,未知参数多由经验得到,而且参数比较多,应用起来比较困难。

所以本文拟直接从土水特征曲线着手,研究它的应用方程。

此外,对于非饱和土的土水特征曲线方程并不是唯一的。

土的类型不同,所得出的方程也有所不同。

在本文中是以北京地区非饱和粉质粘土为研究对象进行试验。

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第30卷第11期岩土力学 V ol.30 No. 11 2009年11月 Rock and Soil Mechanics Nov. 2009收稿日期：2009-03-30基金项目：国家自然科学基金资助项目（No. 10862004）；江西省教育厅资助项目（赣教技字（2007）50号）。

第一作者简介：刘小文，男，1968年生，博士，副教授，主要从事岩土工程性质、边坡稳定性分析及治理等教学与科研工作。

E-mail ：cnliuxiaowen@文章编号：1000－7598 (2009) 11－3302－05非饱和红土基质吸力与含水率及密度关系试验研究刘小文1，常立君1, 2，胡小荣1（1. 南昌大学建筑工程学院，南昌 330031；2. 青海大学建筑工程系，西宁 810016）摘要：非饱和土中存在的基质吸力对其性质有着十分重要的影响，而基质吸力又与土的含水率之间存在着密切的关系。

为了探讨基质吸力与非饱和红土含水率和密度之间的关系，采用滤纸法在试验室进行了基质吸力的量测，得到了不同干密度下非饱和红土的土-水特征曲线，拟合出了该类非饱和红土土-水特征曲线公式。

试验结果分析表明：在相同的干密度下，随着含水率的增加，基质吸力呈现出急剧减小的趋势。

当含水率w <24 %时，这一变化规律特别明显。

对参数b ϕ分析发现，在非饱和状态下基质吸力对红土强度的提高是有限的。

通过分析不同干密度对基质吸力的影响规律得出，基质吸力在含水率较高时对密度状态的变化不敏感，而在含水率较低时对密度状态的变化比较敏感。

关键词：非饱和红土；基质吸力；含水率；干密度中图分类号：TU 411 文献标识码：AExperimental research of matric suction with water content anddry density of unsaturated lateriteLIU Xiao-wen 1，CHANG Li-jun 1, 2，HU Xiao-rong 1（1. School of Architectural Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China; 2. Department of Architectural Engineering,Qinghai University, Xining 810016, China ）Abstract: The matric suction has very important influence on the characteristics of unsaturated soil; and it is closely relevant to water content. In order to discuss the relationship among the matric suction, water content and dry density, the matric suction is measured with filter paper method in laboratory. The soil-water characteristics curves （SWCC ）for unsaturated laterite with different dry densities are obtained. The equations fitting the SWCC are presented for different dry densities of laterite. The test results show that the matric suction decreases with increasing water content under the same dry density; and the law is more obvious when water content is less than 24 %. The analysis of the parameter b ϕof unsaturated laterite shows that the strength of laterite does not increase obviously with the increasing matric suction under the unsaturated condition. The matric suction is not sensitive to density changes for a high water content laterite , and that is contrary for low water content. Key words: unsaturated laterite; matric suction; water content; dry density1 引言红土是一种广泛分布于热带、亚热带湿热地区的具有特殊工程地质性质的土体，其矿物成分以高岭石和伊利石为主。

在我国就有大约200×104 km 2的红土覆盖面积，红土在江西也广泛分布，在铁路、公路及房屋的建设过程中经常遇到[1－2]。

虽然对许多工程来讲，将红土作为饱和土是一种合理的简化，但真正的饱和土在自然界是很少的。

如果仍把红土简化成饱和土，那么这种简化将与工程实际不符，合理地提出非饱和红土在不同状态下的强度参数是工程的客观需要[3]。

根据非饱和土力学理论，非饱和红土强度和基质吸力有关，因此，正确预测吸力随外界条件的变化对研究非饱和土的性状具有十分重要的意义。

几十年来，许多学者对基质吸力的量测和评估做了大量的工作，也取得了很大的进展。

基质吸力可用直接法或间接法量测[4]。

在室内多采用压力板仪和自第11期刘小文等：非饱和红土基质吸力与含水率及密度关系试验研究行改制的常规三轴仪进行基质吸力测量，此两种仪器均基于轴平移技术；在户外则采用张力计，该仪器是基于能量补偿原理而设计的，其核心元件是多孔陶瓷头和压力传感器，通过标示饱水的多孔陶瓷头，在平衡土的基质势时压力传感器来确定基质吸力的大小。

张力计和轴平移装置是用来直接量测负孔隙水压力的装置。

除了这种方法，还可以利用间接的方法进行基质吸力的量测，即利用标准多孔材料制作的传感器或滤纸，其中滤纸法是一种比较经济而且操作简便的量测土中吸力的方法。

滤纸是作为传感体使用的，此方法是建立在滤纸能够同一定吸力的土达到平衡（在水分流动意义上）的假设基础上的。

当滤纸与土样直接接触时，土与滤纸之间的水分或水蒸气交换可以达到平衡，滤纸的平衡含水率相当于土的基质吸力；当滤纸不与土接触时，即滤纸置于土样上方，滤纸的平衡含水率相当于土的总吸力。

滤纸的含水率和吸力之间的关系可以通过率定曲线确定，同一型号的滤纸具有相同的吸力与含水率率定曲线[4]。

滤纸法可以量测很大范围的基质吸力，通常用于实验室中的吸力量测。

非饱和土的基质吸力是指水气界面两侧的压力差，因此，土中含水率的大小对基质吸力的影响肯定是存在的。

非饱和土的基质吸力与土的含水率有关已经成为公认的看法。

一般认为，基质吸力随含水率的增加而单调减小，然而也有文献指出，基质吸力与含水率之间并不存在一一对应的单值关系[3]。

作为基质吸力与含水率关系的延伸，相当一部分文献称基质吸力与饱和度有关，基质吸力随饱和度的增大而单调减小。

当饱和度最小时，基质吸力最大；当饱和度为100 %时，基质吸力为0[5]。

这一结论被广泛引用。

为了了解非饱和红土基质吸力随含水率及密度的变化规律，本文基于基质吸力的实验室量测来探讨基质吸力在非饱和土水分-密度状态空间的变化性状。

2 试验方法本次试验基于滤纸法来量测非饱和红土的基质吸力。

试验用土取自江西省南昌市新建县境内一道路开挖形成的红土边坡，土样呈红褐色，其物理性质见表1。

表1 红土的物理性质Table 1 Physical properties of laterite颗粒组成/%天然含水率 /% 土粒相对密度G S 液限 w L /% 塑限w p /% 0.5~0.25 mm 0.25~0.075 mm <0.075 mm13.52.7538.09 26.316.591 15.312 78.097从表1可知，该红土的天然含水率为13.5 %，塑性指数I P 为11.78，10< I P <17，故该土属于粉质黏土，液性指数I L < 0，处于坚硬状态。

试样是按设计的含水率计算所需的加水量，将无气水均匀地喷洒在风干土样中，充分拌合，配置成不同水分状态的散状土样密封在多层塑料袋中，在恒温恒湿条件下放置不少于2 d ，以便土中水分充分运移、混合均匀，然后按照设计的干密度将散状土料压密而成的。

试验所用滤纸采用杭州新华造纸厂的“双圈”牌No.203型滤纸，该滤纸的主要技术指标如下：直径为70 mm ；灰分为0.000 035g/张，占质量百分比0.01 %；滤速为慢速。

其率定方程为[4]f f lg 5.4930.076, 47 %S w w =−≤ （1） f f lg 2.4700.0120, 47 %S w w =−> （2）式中：S 为吸力（kPa ）；f w 为滤纸的含水率（%）。

试验时，先将烘干的滤纸放入称量盒内，一次放3张，中间的一张滤纸用于量测吸力，另外两张滤纸主要用于保护中间滤纸不受来自土的污染。

为了保证土样和滤纸的充分接触，将制备好的土样以及完成剪切过程的土样放在滤纸上面，土样放好后立即盖好盒盖并用透明胶带将称量盒密封，然后将密封好的称量盒放入恒温器内等待平衡。

只要平衡期间的温度变化保持很小，滤纸法的结果基本上不受周围温度的影响。

为了保证滤纸和土样之间的水量迁移达到平衡，平衡的时间均不少于10 d （平衡10 d 后滤纸的含水率基本稳定[4, 7－8]）。

平衡期间终了时，倒出土样，用镊子取出中间的那张滤纸称其质量。

为了减少滤纸与周围大气接触而发生水分变化，这一过程均尽量在30 s 内完成了。

根据滤纸的干质量和湿质量之差，便可计算出滤纸的平衡含水率。

根据滤纸的平衡含水率，可从率定方程求得平衡吸力值。

3 试验结果3.1 基质吸力与含水率的关系根据试验结果可以得出含水率与基质吸力的关系曲线，见图1。

从图上可以看出，在相同的干密度下基质吸力对含水率的变化比较敏感，随着含水率的增加基质吸力呈现出急剧减小的趋势。

当含水率w <24 %时，这一变化规律特别明显；当含水率w≥24 %时，基质吸力随含水率增加而减小的趋势减缓。