對基于軸平移技術(shù)測試的非飽和土土水特征曲線的修正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于土木工程學科巖土工程測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種對基于軸平移技 術(shù)測試的土水特征曲線的修正方法，主要應(yīng)用于修正基于軸平移技術(shù)測試的土水特征曲 線，提高試驗結(jié)果得準確性。
【背景技術(shù)】
[0002] 在蒸發(fā)和植物蒸騰作用下，土壤中的水會不斷從土中流失，從而形成非飽和土，與 飽和土分布范圍相比，非飽和土在地球表面的分布更為廣泛。在土木工程建設(shè)中，遇到的大 多數(shù)巖土工程都涉及到非飽和土問題，因此，無法使用經(jīng)典飽和土力學的原理和概念進行 解釋。對土中水滲流和土的強度基本原理和模型應(yīng)用方法認識上的不足，給工程應(yīng)用帶來 各種各樣的隱患?；谕寥牢锢韺W的相關(guān)理論，人們認識到土壤中負孔隙水壓力是影響非 飽和土性狀的重要因素，將其定義為基質(zhì)吸力，用毛細管上升實驗進行解釋，并采用張力計 測試基質(zhì)吸力的大小。但是當張力計測試系統(tǒng)中的水壓力接近-101.3kPa時，測試系統(tǒng)中水 會出現(xiàn)氣蝕，使張力計失效，這種氣蝕現(xiàn)象限制了張力計的應(yīng)用范圍。1956年，美國學者 Hift為避免張力計在測試基質(zhì)吸力過程中出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，提出了軸平移技術(shù)的概念，即通 過提高孔隙水壓力的測試基準，避免孔隙水的氣蝕。至此，非飽和土相關(guān)理論可以通過控制 吸力的相關(guān)實驗進行研究。
[0003] 目前，在非飽和土的相關(guān)研究中，軸平移技術(shù)理論和基于軸平移技術(shù)的實驗儀器 得到了廣泛應(yīng)用。加拿大學者Fredlund以基質(zhì)吸力作為第二狀態(tài)變量，建立了非飽和土抗 剪強度理論，并通過基于軸平移技術(shù)的非飽和土三軸實驗驗證了其合理性。國內(nèi)學者陳正 漢等成功研制了國產(chǎn)第一臺基于軸平移技術(shù)的非飽和土固結(jié)儀和直剪儀，并對濕陷性黃土 進行了控制吸力的壓縮實驗和固結(jié)排水直剪實驗。林鴻州、任淑娟等應(yīng)用基于軸平移技術(shù) 的壓力板儀測試了不同土樣的土水特征曲線。
[0004]總結(jié)已有學者的研究成果，主要存在以下問題：（1)對于相同土樣，張力計和基于 軸平移技術(shù)的土水儀測試得到的土水特征曲線并不一致，差異性范圍可達10%~30%甚至 更高；（2)基質(zhì)吸力越大，兩種測試方法得到的土水特征曲線差異性越明顯；（3)這種差異性 沒有得到充分認識和合理解釋。若忽視軸平移技術(shù)在測試土水特征曲線方面的局限性，應(yīng) 用軸平移技術(shù)測試土水特征曲線時，相同含水率對應(yīng)的基質(zhì)吸力會被人為夸大，同樣，相同 基質(zhì)吸力對應(yīng)的含水率也被人為夸大。將該方法測試的土水特征曲線應(yīng)用到非飽和土強度 理論，非飽和土的強度將被相應(yīng)增大，土的含水率也得不到正確反映。因此，會導致學者們 和工程師對實際工程非飽和土的強度和含水率產(chǎn)生錯誤判斷，可能為工程事故留下隱患。
[0005]非飽和土的土水特征曲線（Soil Water Characteristic Curve，簡稱SWCC)是反 映土的含水率與基質(zhì)吸力關(guān)系的曲線，在非飽和土力學研究和工程應(yīng)用中具有重大意義。 目前，常采用張力計和軸平移技術(shù)測試SWCC，張力計具有測試結(jié)果準確、難于控制基質(zhì)吸力 等特點，而軸平移技術(shù)可以控制吸力，但對測試結(jié)果有影響。多位學者的實驗成果可知軸平 移技術(shù)在測試土水特征曲線方面存在誤差的事實毋庸置疑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種客觀、合理，可靠性高的對基于軸 平移技術(shù)測試的土水特征曲線的修正方法，用于修正軸平移技術(shù)在非飽和土 SWCC測試方面 的誤差。采用該方法可以修正基于軸平移技術(shù)測試的土水特征曲線，使之更加接近真實值。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種對基于軸平移技術(shù)測試的土 水特征曲線的修正方法，該方法步驟如下：
[0008] (1)選擇非飽和土中孔徑為0.003~0.3μπι的微孔隙，將一端開口、一端封閉的所述 微孔隙理想化為一端開口、一端封閉的不等徑或等徑毛細管模型；
[0009] (2)依據(jù)土力學中飽和度公式& 和孔隙比公式
，推導出所述微孔隙 內(nèi)部氣體體積的計算公式為：
[0010]
[0011 ] 式中，νΑ孔隙氣體積，Sr為土的飽和度，ds為土粒相對密度，Pw為水的密度，Pd為土 樣干密度，V為土樣體積；
[0012] (3)應(yīng)用軸平移技術(shù)控制非飽和土的基質(zhì)吸力時，孔隙氣的絕對壓力與基質(zhì)吸力 的關(guān)系公式為：
[0013] u = Uw+us+u〇 (2)
[0014] 式中，u為孔隙氣的絕對壓力，uw為孔隙水壓力，Us為非飽和土的基質(zhì)吸力，uo為標 準大氣壓力；
[0015] (4)非飽和土的基質(zhì)吸力在密閉環(huán)境中控制，孔隙氣的絕對壓力與孔隙中氣體體 積的關(guān)系用理想氣體方程PV = nRT描述，即當溫度恒定時，孔隙氣的絕對壓力升高，氣體體 積將減小，基于這種關(guān)系推導出非飽和土的基質(zhì)吸力與氣體體積壓縮量之間的關(guān)系為：
[0016]
[0017]式中，Δ V為氣體體積壓縮量；
[0018] (5)在非飽和土的基質(zhì)吸力提升過程中，非飽和土的微孔隙中氣體將被壓縮，體積 壓縮的部分由土中孔隙水填充，推導出孔隙水填充量與基質(zhì)吸力的關(guān)系為：
[0019]
[0020] 式中，Δ V職ac為填充水體積；
[0021] (6)利用軸平移技術(shù)實測土水特征曲線中的含水率減去填充水所占的含水率，推 導出修正后的含水率公式為：
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]式中，θ^ι為軸平移技術(shù)測得的體積含水率實際值，Θ修正為軸平移技術(shù)修正后得到 的體積含水率，為軸平移技術(shù)測得的質(zhì)量含水率實際值，w修正為軸平移技術(shù)修正后得到 的質(zhì)量含水率；
[0026]以得到修正的體積含水率或質(zhì)量含水率為縱坐標，基質(zhì)吸力為橫坐標，即得到軸 平移技術(shù)的修正土水特征曲線。
[0027]本發(fā)明的效果是采用本方法彌補了軸平移技術(shù)和張力計在土水特征曲線測試數(shù) 據(jù)誤差分析方面的空白，解決了軸平移技術(shù)方法在基質(zhì)吸力測試和控制方面存在誤差這一 嚴重問題。在考慮環(huán)境氣壓力對微孔隙氣體影響的基礎(chǔ)上，建立了以基質(zhì)吸力為自變量的 土水特征曲線測試數(shù)據(jù)修正計算公式。利用本計算方法可以使軸平移技術(shù)測試的土水特征 曲線與真實曲線接近，對軸平移技術(shù)的進一步推廣應(yīng)用具有重要意義。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明的土樣1軸平移技術(shù)的實測和修正結(jié)果；
[0029]圖2為本發(fā)明的高基質(zhì)吸力條件下土樣2的實測SWCC及其修正曲線；
[0030]圖3為本發(fā)明的土樣1軸平移技術(shù)SWCC修正前后的絕對誤差；
[0031]圖4為本發(fā)明的土樣1軸平移技術(shù)SWCC修正前后的相對誤差。
【具體實施方式】
[0032]結(jié)合附圖對本發(fā)明的對基于軸平移技術(shù)測試的土水特征曲線的修正方法加以說 明。
[0033]本發(fā)明的一種對基于軸平移技術(shù)測試的土水特征曲線的修正方法原理是:軸平移 技術(shù)通過提高孔隙氣壓力以控制土樣的基質(zhì)吸力，在孔隙氣壓力增加過程中，非飽和土微 孔隙中氣體被壓縮，體積減小，孔隙水將填充氣體體積減小的部分，這部分填充水就是引起 軸平移技術(shù)在測試SWCC方面產(chǎn)生誤差的主要原因。使用軸平移技術(shù)實測SWCC對應(yīng)的含水率 減去填充水所占的含水率就是被測土樣真實的含水率。在此基礎(chǔ)上，可以得到軸平移技術(shù) 在測試SWCC方面的修正計算公式。
[0034]本發(fā)明的對基于軸平移技術(shù)測試的土水特征曲線的修正方法作用機理基于:一方 面，在理想氣體狀態(tài)方程PV = nRT基礎(chǔ)上，可知，當溫度恒定時，PV = C(常數(shù)），即可得PiRz P2V2 = C，計算出孔隙氣絕對壓力的改變引起孔隙氣體積的壓縮量;另一方面，非飽和土孔隙 氣體積減小，孔隙水將填充孔隙氣體積減小部分，且滿足流動定律。利用基質(zhì)吸力與孔隙 氣絕對壓力的關(guān)系，求出孔隙填充水與基質(zhì)吸力的關(guān)系，利用軸平移技術(shù)實測SWCC中的含 水率減去孔隙填充水所占的含水率，可得到修正后的含水率計算公式。
[0035]本發(fā)明的對基于軸平移技術(shù)測試的土水特征曲線的修正方法包括以下步驟：
[0036] (1)選擇非飽和土中孔徑為0.003~0.3μπι的