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5第五章-非饱和土中水的滞留特性改

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5 第五章-非饱和土中水的滞留特性改 非饱和土中水 土中水的非饱和
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第五章 非饱和土中水的滞留特性 陈永贵 Email:[email protected] 地下建筑与工程系 * 非饱和土土力学—— 非饱和土中水的滞留特性 水的滞留是非饱和土最基本的特性之一 ,土水特征曲线在非饱和土力学中具有 重要意义,分析它的影响因素是十分必 要的,它对非饱和土的意义就如同描述 孔隙比和有效应力之间关系的固结曲线 对饱和土的意义相当。 非饱和土中水的滞留特性 非饱和土吸收水和保留水的能力可以通过其水的滞 留曲线(土水特征曲线Soil Water Characteristic Curve - SWCC)来定量分析。土水特征曲线定义了 非饱和土的吸力(基质吸力) ( )和重力含 水量 ( ),或体积含水量 ( ),或饱 和度 S( ),之间的关系。 土水特征曲线可以描述为当含水量随吸力的变化而 变化时,对土的持水能力的一种度量。 一、水土特征曲线 非饱和土中水的滞留特性 通过土水特征曲线和常规的饱和土参数,可 用理论和经验的关系是来模拟和预测非饱和 土的参数,如: 渗透系数和抗剪强度 这一过程对工程实践者很有吸引力,因为严 格的非饱和土室内试验是很困难、很耗时的 ,而且费用也高。 一、水土特征曲线 非饱和土中水的滞留特性 一般都是利用一个在有限的吸力范围内(通常 是0到1500kPa)的土水特征曲线来模拟非饱和土性 状的。图5-1是一条典型的土水特征曲线,从图中可 看出,当吸力从0变换到1000000kPa时,土就由饱和 状态状逐渐变为干燥状态。 典型的土水 特征曲线和 土的减饱和 过程 一、水土特征曲线 非饱和土中水的滞留特性 如果试验的吸力范围较 小(即0-1500kPa),土水 特征曲线可在普通的坐标上 标绘。而当吸力范围很大时 ,则常采用半对数坐标绘制 曲线。 (1) 进气值 进气值 (air entry value),又称气泡压力 ,理论上讲 ,它是指引起土体内部最大孔隙中,产生减饱和所必须的水 、气压力差(即‘进气’)。通过将土水特征曲线中斜率恒定 的部分延长并与饱和度100%时的吸力轴相交,可以得到对应 的吸力值,这就被称作进气值。进气值可以认为是土水特征 曲线上的一个突变点,当吸力达到了进气值后,含水量就会 随着吸力的增加而大幅度下降,意味着土中孔隙进气(即减 饱和)的开始。 1、主要特性 非饱和土中水的滞留特性 (2)残余饱和度 残余饱和度 (residual saturation)可以认为是当液相开始变得不连续时 的饱和度。当减饱和到这个值后,土样中的水会越来越难于通过吸力的 增大而排出,也就是吸力对减饱和的作用大幅下降了,而此后只有通过 蒸发才能有效排水。 传统意义上,土水特征曲线被定义在0到1500kPa的吸力范围内。吸力 1500kPa具有重要意义,称为“残余吸力”。对应于很多植物的枯萎点。然 而该随意确定的吸力值并不能准确对应于实际的残余饱和度。 定义残余饱和度是很重要的。 有一种作图方法可以确定残余饱和 度。该方法类似于在一个变形~时 间对数关系表上寻找100%的固结点 。作法是先将曲线中部的直线段延 长,再从1000000kPa沿曲线作另一 条延长线,则残余饱和度可定义为 上述两条延长线的交点所对应的饱 和度。 1、主要特性 非饱和土中水的滞留特性 (3)可区分的阶段 通过前文提到的进气值以及 残余饱和度,土的减饱和过 程由此可分为三个阶段: v 边界效应段 v 过渡段 v 非饱和残余段。 同时,也说明了土水特征曲线不同阶段土中含水量的变化趋 势。在边界效应阶段,几乎所有土中的孔隙都充满水。在过 渡阶段土会在进气值时减饱和。此阶段中,随着吸力增大, 水呈液相流动,且土随吸力增加而迅速变干。空隙和孔隙中 水的连通性随着吸力值的增大而持续降低,最后吸力的大幅 度提高导致饱和度的变小速率趋缓。 1、主要特性 非饱和土中水的滞留特性 (4)高吸力值 基于有限吸力范围(0-1500kPa)上的土水特征曲线模型,并不适用 于预测低含水量、高吸力时非饱和土的渗流参数。例如: v 在预测垃圾填埋覆土层的作用时,需要估计实际的蒸发量。这些预测 都需要描绘吸力超过3000kPa时的土水特征曲线。 1、主要特性 基质吸力主要支配着深度超过1米或远低于地表的非饱和土的工程性 状;而地表的蒸发现象则由总吸力控制。总吸力则是基质吸力和溶质吸 力的和。由于溶质吸力仅仅是部分微弱取决于含水量的变化,而基质吸 力却随着含水量的降低呈指数形式的增加,所以在高吸力时,可以认为 总吸力就等于基质吸力。 因为在高吸力范围时,控制总吸力十分方便,所以描绘完整的土水 特征曲线才变得可行起来。巧合的是,对于所有不同种类的土来说,对 应零含水量的总吸力基本上是一致的。经过对各类土的试验和热力学研 究的证实,已确定这个值约为1000000kPa。这样,在预测非饱和土参数 时使用完整吸力范围上(即0-1000000kPa)的土水特征曲线来就显得很 有必要了。 非饱和土中水的滞留特性 土水特征曲线是存在滞后性的,也就是说,对于一个特定的含水量,干 燥段的吸力要高于浸湿段的吸力。 鉴于量测浸湿曲线实验的复杂性,一般若不作特别说明,所研究的土水 特征曲线都是指干燥曲线。 1、主要特性 非饱和土土力学-绪论 滞后性原因主要有三: ①土中孔隙尺寸大小的差异,大孔隙 较易进水和脱水,小孔隙则反之,因 此脱水过程中小孔隙内残留的水使含 水量要高于吸水时的含水量; ②在不同大小的孔隙与相互连通的孔 隙喉道之间的尺寸差别(即“瓶颈效 应”),也会导致脱水时含水量高、 吸水时含水量低的结果; ③另外脱水与吸水过程也决定着水— 气分界面接触角的大小,脱水时小、 吸水时大,接触角大小的不同就决定 了水的滞留特性的不同,这种现象被 称为水珠效应。 1、主要特性 瓶颈效应 水珠效应 非饱和土中水的滞留特性 四种加拿大土的典型土水特征曲线 2、几种土的典型土水特征曲线 非饱和土中水的滞留特性 四种加拿大土典型土的特征参数 v 大多数土的土水特征的主要特性(如进气值和残余饱和度)比较明显 。 v 粗粒土如砂砾或砂土都有较大的连通孔隙,当吸力增大时饱和度呈现 出较快的变化趋势,即土水特征曲线较陡。颗粒变细时,干燥速率将会 趋缓。 v 对应于某一特定吸力值,土中细颗粒的含量越高,土的储水能力越大 。土颗粒越细,进气值也越高。 v 残余饱和度也会随着颗粒的变细而增大。作图法确定残余饱和度可以 适用于大多数的土,除了颗粒很细的塑性土,如膨胀土和淤泥土(如 Regina粘土),它们都在没有显现出明显拐点的情况下持续的减饱和。 2、几种土的典型土水特征曲线 非饱和土中水的滞留特性 土水特征曲线分脱湿和吸湿两种,依据它们所确定的水分运 动参数就有两种形式,在分析水分运动时要区分这两种情况 : v 雨水入渗的水分运动应根据吸湿曲线计算 v 蒸发则应采用脱湿曲线 典型土水特征曲线 v 土水特征曲线一般呈现 “S”形。 v 体积含水量随基质吸力 的增加而递减。 v 体积含水量随基质吸力 的增加而递减的趋势中间 变化较大,而两端的变化 相对较小。 2、几种土的典型土水特征曲线 非饱和土中水的滞留特性 影响土水特征曲线的因素主要有土的矿物成分矿物成分、孔孔 隙结构隙结构、土体的收缩性土体的收缩性、土的应力历史土的应力历史和温度温度等。 其中土的矿物成分矿物成分和孔隙结构孔隙结构是基本因素,其它因 素往往是通过影响这两个基本因素而起作用的。 二、影响土水特征曲线的因素 非饱和土土力学-绪论 ((1 1)土的矿物成分)土的矿物成分,包括土颗粒的矿物成分以及孔隙中可溶 盐成分。其影响反映在土体对水分的亲和程度上,对于具有 较强亲水性的矿物组成的土体,它表现出的吸力也必然较大 ,反映在土水特征曲线上,则为残余含水量较大,曲线的斜 率也变得平缓。 二、影响土水特征曲线的因素 矿物名称接触角/(°)矿物名称接触角/(°) 硫78黄铁矿30 滑 石64方解石20 闪锌矿46石 英0~4 莹 石41云 母约0 非饱和土中水的滞留特性 ((2 2)孔隙结构)孔隙结构,包括孔隙大小、级配和组成结构等。孔隙结 构影响土水作用面积和收缩膜的形状,而后者决定吸力的大 小。土体的孔隙尺寸小,进气值高,持水性强,则土水特征 曲线平缓。孔隙结构通常和粒径、级配以及土骨架结构相关 ,一般说来粒径较小、级配良好的土体,其孔径较小。此外 ,影响孔隙结构的其它一些因素也间接影响着土水特征曲线 的形状,如干密度、初始含水量、应力路径和应力状态等。 二、影响土水特征曲线的因素 非饱和土土力学-绪论 ((3 3)土体的收缩性)土体的收缩性, 土体在干湿循环过程中 所产生的收缩或膨胀必 然会引起孔隙结构的变 化,进而影响土体的持 水能力,改变土水特征 曲线的形状。 二、影响土水特征曲线的因素 非饱和土中水的滞留特性 例如:例如: - - 吸力等于吸力等于10kPa10kPa时,砂时,砂 土几乎干燥,而粘质细土几乎干燥,而粘质细 砂和粘土仍处于近饱和砂和粘土仍处于近饱和 状态;状态; - - 吸力等于吸力等于40kPa40kPa时,粘时,粘 质细砂脱水程度明显,质细砂脱水程度明显, 而粘土的饱和度还很高而粘土的饱和度还很高 ;; - - 吸力等于吸力等于1000kPa1000kPa时,时, 粘质细砂几乎达干燥状粘质细砂几乎达干燥状 态,而粘土的体积含水态,而粘土的体积含水 量仍等于量仍等于0.280.28。。 二、影响土水特征曲线的因素 非饱和土中水的滞留特性 土水特征曲线通常以吸力为横坐标,含水量为纵坐标。土水特征曲线通常以吸力为横坐标,含水量为纵坐标。 也常见采用体积含水量或饱和度为纵坐标的表达方法。由土也常见采用体积含水量或饱和度为纵坐标的表达方法。由土 的基本体积-质量关系,饱和度的基本体积-质量关系,饱和度S S与含水量与含水量w w的关系为:的关系为: 式中:式中:GsGs为土的比重,为土的比重,e e为孔隙比;体积含水量为孔隙比;体积含水量 定义为水定义为水 的体积的体积VwVw与土的总体积与土的总体积V V之比,与含水量的关系为:之比,与含水量的关系为: 膨胀土体积受吸力变化的影响较显著。对此类土,用重力含膨胀土体积受吸力变化的影响较显著。对此类土,用重力含 水量表达其土水特征曲线比较准确。如采用体积含水量或饱水量表达其土水特征曲线比较准确。如采用体积含水量或饱 和度表达,应考虑体积变化的影响。和度表达,应考虑体积变化的影响。 三、体积变化与土水特征曲线的表达 非饱和土中水的滞留特性 由于各类土性质的不同,用来描述土水特征曲线的公式由于各类土性质的不同,用来描述土水特征曲线的公式 也很多。通常研究者会根据实际关注的土水特征曲线的吸力也很多。通常研究者会根据实际关注的土水特征曲线的吸力 范围,运用比较普通的公式来拟合。这里介绍的几个著名公范围,运用比较普通的公式来拟合。这里介绍的几个著名公 式都是适用于整个吸力范围上的土水特征曲线。式都是适用于整个吸力范围上的土水特征曲线。 LeongLeong和和RahardjoRahardjo((19971997)认为大多数公式都可由以下这个总)认为大多数公式都可由以下这个总 的公式推得:的公式推得: 在土壤科学界中,在土壤科学界中,BrooksBrooks和和CoreyCorey((19641964)及)及van Genuchtenvan Genuchten ((19801980)的公式最受欢迎。)的公式最受欢迎。BrooksBrooks和和CoreyCorey((19641964)的公式如)的公式如 下:下: 三、体积变化与土水特征曲线的表达 非饱和土中水的滞留特性 van Genuchtenvan Genuchten((19801980)的公式见下:)的公式见下: 在岩土工程界,在岩土工程界,FredlundFredlund和和XingXing((19941994)提出了以下这个最)提出了以下这个最 著名的土水特征曲线的公式:著名的土水特征曲线的公式: 其中: e——自然数,2.71828; a——大约为土的进气值; n——控制土水特征曲线中拐点处 斜率的参数; m——与残余含水量相关的参数; ——修正函数,定义为: 三、体积变化与土水特征曲线的表达 非饱和土中水的滞留特性 三、体积变化与土水特征曲线的表达 非饱和土中水的滞留特性 结合含水量测量和吸力测试技术可获得土水特征曲线,按方结合含水量测量和吸力测试技术可获得土水特征曲线,按方 式可分为,式可分为, (1) (1) 直接测量法:压力板吸力仪,张力计;直接测量法:压力板吸力仪,张力计; (2) (2) 间接测量法:热传导吸力探头,热偶湿度计,石膏间接测量法:热传导吸力探头,热偶湿度计,石膏( (或玻或玻 璃纤维璃纤维) )电阻计,滤纸法。电阻计,滤纸法。 砂土中吸力的形成主要由于毛细作用,土水特征曲线由土的砂土中吸力的形成主要由于毛细作用,土水特征曲线由土的 孔隙尺寸及分布决定。细粒粘性土的情况则复杂得多,除孔孔隙尺寸及分布决定。细粒粘性土的情况则复杂得多,除孔 隙特征外,土的矿物成分、颗粒排列方式等因素会影响结合隙特征外,土的矿物成分、颗粒排列方式等因素会影响结合 水与吸附水膜的形成,这部分水在高吸力作用下发生变化,水与吸附水膜的形成,这部分水在高吸力作用下发生变化, 并导致土体微观结构的改变。膨胀性土的饱和过程也造成土并导致土体微观结构的改变。膨胀性土的饱和过程也造成土 体微观结构的改变。因此,细粒粘性土的土水特征曲线与孔体微观结构的改变。因此,细粒粘性土的土水特征曲线与孔 隙仪测得的压力-饱和度曲线有时并无显著的相关性。隙仪测得的压力-饱和度曲线有时并无显著的相关性。 四、确定土水特征曲线方法 非饱和土中水的滞留特性 例如:例如: 通常在实验室内通常在实验室内用压力板仪测定土样的土水特征曲线用压力板仪测定土样的土水特征曲线。根据轴平移原理。根据轴平移原理 ,可使孔隙水压力保持定值(通常为大气压),而对试样施加高的气压,可使孔隙水压力保持定值(通常为大气压),而对试样施加高的气压 力,以得到所需的吸力值。压力板仪由高进气值陶瓷板实现对试样中孔力,以得到所需的吸力值。压力板仪由高进气值陶瓷板实现对试样中孔 隙水压力和孔隙气压力的分别控制。将土样放置于饱和的高进气值陶瓷隙水压力和孔隙气压力的分别控制。将土样放置于饱和的高进气值陶瓷 板上,增加气压力,导致土样排水,待平衡时称量其重量,再逐级施加板上,增加气压力,导致土样排水,待平衡时称量其重量,再逐级施加 下一级压力,得到各级吸力下相应的含水量即可得到土水特征曲线的干下一级压力,得到各级吸力下相应的含水量即可得到土水特征曲线的干 燥曲线;压力逐级减小时土样吸水,同样测量各级吸力下相应的含水量燥曲线;压力逐级减小时土样吸水,同样测量各级吸力下相应的含水量 ,即得到土水特征曲线的浸湿曲线。,即得到土水特征曲线的浸湿曲线。 采用渗析技术也可测定土样的土水特征曲线采用渗析技术也可测定土样的土水特征曲线。只要将土样包裹在半透膜。只要将土样包裹在半透膜 中置入不断搅拌的中置入不断搅拌的PEGPEG溶液中,不同浓度的溶液提供不同的渗透吸力,水溶液中,不同浓度的溶液提供不同的渗透吸力,水 可通过半透膜流动,直到土样中的吸力与溶液达到平衡。测量各级吸力可通过半透膜流动,直到土样中的吸力与溶液达到平衡。测量各级吸力 下相应的含水量,从而得到土水特征曲线。当需要测定下相应的含水量,从而得到土水特征曲线。当需要测定3000kPa3000kPa以上的高以上的高 吸力部分曲线时,可采用控制相对湿度的方法控制吸力为某确定值,平吸力部分曲线时,可采用控制相对湿度的方法控制吸力为某确定值,平 衡后测定试样的含水量。衡后测定试样的含水量。 其它方法其它方法…………. . 四、确定土水特征曲线方法 非饱和土中水的滞留特性 估计水分特征曲线的间接估计水分特征曲线的间接方法:方法: • 土壤转换函数方法 • 物理-经验方法 • 分形几何方法 其中物理-经验方法的理论基础在于不同土壤的累积粒 径分布曲线和水分特征曲线的形状相似性。 四、确定土水特征曲线方法 非饱和土中水的滞留特性 对于非饱和土,土水特征曲线的数学模型并不是唯一的 。土的类型不同,所得出的数学模型也有所不同。依据其数 学表达式的形式可分为以下4类。 1. 以对数函数的幂函数形式表达的数学模型 Fredlund等通过对土体孔径分布曲线的研究,用统计分析理 论推导出适用于全吸力范围的任何土类的土水特征曲线表达 式: 五、土水特征曲线的数学模型 非饱和土中水的滞留特性 2. 幂函数形式的数学模型 Van Genuchten通过对土水特征曲线的研究,得出非饱和土体 含水量与基质吸力之间的幂函数形式的关系式: 3. 土水特征曲线的分形模型 土水特征曲线的分形模型基于土体质量分布具有分形特征,以 及孔隙数目与孔径之间的具有分形关系的认识。依据分形孔 隙数目与孔径之间关系和Young-Laplace方程得到分形模型的 通用表达式: Dv为孔隙体积分布的分维值 五、土水特征曲线的数学模型 非饱和土中水的滞留特性 4. 对数函数形式的数学模型 包承纲等通过对非饱和土气相形态的研究和划分,认为在实 际的应用中,只有部分连通和内部连通两种气相形态需要着 重研究。对照Fredlund等的土水特征曲线,发现该曲线在进 气值和残余含水量两个特征点之间近乎为一条直线。于是建 议以对数方程来表征土水特征曲线,并将其简化为: 其中ψb为土的进气值。 五、土水特征曲线的数学模型 非饱和土中水的滞留特性 1. 预测非饱和渗透系数 六、土水特征曲线的应用 非饱和土中水的滞留特性 2. 预测抗1.45剪强度 Bishop(1959): Fredlund等(1978) Vanapalli(1994) 六、土水特征曲线的应用
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