（岩土工程专业论文）降雨入渗对非饱和土边坡稳定性影响的研究.pdf

降雨入渗对非饱和土边坡稳定性影响的研究 专业：岩土工程 硕士生：王晓峰 指导教师：赵树德 教授 王铁行副教授 摘要 降雨入渗是非饱和土边坡失稳的主要诱发因素，滑坡与降雨有着密切的关系。深入研 究降雨条件下边坡失稳规律，并建立定量化的分析模型对于滑坡灾害的预防工作具有重要 的意义。本论文研究降雨入渗条件下非饱和土边坡内水分分布规律以及由此而引起的边坡 稳定性的变化。 基于对非饱和土特性的认识，进行了基质吸力的试验研究，得到了基质吸力随含水黛 和密度的变化规律，试验揭示出：基质吸力随密度的变化是明显的，含水量越低，这一趋 势越明显，在含水量相同的情况下，当砂土从疏松状态逐级变密时，吸力值经历变小、变 大、又变小的过程，文中对造成这一现象的原因作了初步分析。 基于非饱和土的土水势理论，本文推导了以体积含水率为因变量的二维非饱和土的水 分运动方程，并给出了用有限差分法来求解此偏微分方程的方法，得到了考虑降雨入渗影响 的土坡水分运动的计算程式。 在有限差分法求得土坡水分分布的基础上，提出了用条分法计算土坡在降雨入渗各个 时刻安全系数的思路：把水分分布场转化为边坡的基质吸力分布场( 强度场) 和重量场 用边坡的实际重量场和强度场来进行安全系数的计算。 最后，本文对黄土地区的某一路堑开挖边坡进行了分析计算。 1 编制了有限单元法程序，分析路堑边坡开挖后的稳定性，结果表明：开挖后坡脚处 应力有明显的集中现象，但边坡中应力水平大于1 0 的单元只有坡脚处很少的几个，此边 坡在开挖后是稳定的。 2 模拟一次降雨过程，通过确定初始条件和边界条件。用本文编制的有限差分法程序 计算了降雨及雨后共1 2 8 小时内不同时刻土坡的水分分布场，得到了坡体内水分分布随时 间变化的规律。 3 编制了条分法计算程序，根据不同时刻边坡内含水量的分布计算其安全系数，结果 表明，土坡的安全系数在整个过程中的变化规律为：先减小，达到最小值后如果未破坏， 则安全系数又会逐步增大。这是土坡中水分分布场变化的结果，文中对此作了分析说明。 关键词：非饱和土 有限单元法 基质吸力降雨入渗边坡稳定分析 有限差分法 极限平衡法 - 1 - s t u d yo fe f f e c t so fr a i ni n f i i t r a t i o no ns t a b i l i t yo fu n s a t u r a t e ds l o p e s s p e c i a l t y ： g e o t e c h n i e a le n g i n e e r i n g n a m e ： w a n gx i a o f e n g i n s t r u c t o r ：z h a os h u d e ，w a n gt i e h a n g a b s t r a c t l a n d s l i d ei sc l o s e l yr e l a t e dt or a i n f a l l a n df o ru n s a t u r a t e ds o i is l o p et h er a i ni n f i l t r a t i o ni st h em o s t i m p o r t a n to n e t h a tr e s u l t si nl a n d s l i d e i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ep r e c a u t i o no fl a n d s l i d et om a k ea d e e ps t u d yo f t h el a n d s l i d el a wu n d e rr a i n f a l la n de s t a b l i s haq u a n t i t a t i v em o d e lf o ra n a l y s i s t h ev a r i a t i o n o fw a t e rd i s t r i b u t i o ni nu n s a t u r a t e ds l o p ea n dt h es l o p es t a b i l i t yd u et or a i ni n f i l t r a t i o ni ss t u d i e di nt h i s p a d e r b a s e do nt h ek n o w l e d g eo fc h a r a c t e r i s t i co fu n s a t u r a t e ds o i l s t h el a wo fs u c t i o nc h a n g ew i t h m o i s t u r ec o n t e n ta n dd e n s i t yi sg o tf r o ms u c t i o ne x p e r i m e n t ，w h i c hr e v e a l e dt h a tt h em a t r i xs u c t i o n c h a n g e so b v i o u s l yw i t hd e n s i t ye s p e c i a l l yi nl o wm o i s t u r ec o n t e n t ，a n dw i t ht h es a m em o i s t u r ec o n t e n t ，i f t h ed e n s i t yi sg r a d u a l l ya d d e d ，t h ev a l u eo f m a t r i xs u c t i o nf i r s ti sl o w e d ，t h e na d d e da n df i n a l l yl o w e d ，t h i s p h e n o m e n o ni sp r o b e di n t oi nt h i sp a p e r o nt h eb a s i so ft h et h e o r ya b o u tw a t e rp o t e n t i a li ns o i l s ，ap a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o no fw a t e r m o v e m e n ti nu n s a t u r a t e ds o i l si sd e r i v e d w h i c hc h o s ev o l u m e t r i cw a t e rc o n t e n ta st h ec o n t r o lv a r i a b l e t h en u m e r i c a ls o l u t i o no ft h ee q u a t i o nu s i n gf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o di sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r a n dt h e m o d a l i t yt oc a l c u l a t ew a t e rm o v e m e n ti ns l o p ec o n s i d e r i n gr a i ni n f i l t r a t i o n t h ef i e l do fw a t e rd i s t r i b u t i o ni so b t a i n e db yf i n i t ed i f i e r e n c em e t h o d t h e ni ti st r a n s f o r m e di n t o w e i g h tf i e l da n ds t r e n g t hf i e l do rt h ef i e l do fs u c t i o nd i s t r i b u t i o n t h es a f e t yf a c t o ro fs l o p ed u r i n gt h e i n f i l t r a t i o nt i m ei sc a l c u l a t e db ys l i c em e t h o da c c o r d i n gt ot h ea c t u a lw e i g hf i e l da n ds t r e n g t hf i e l d f i n a l l y , a ne x a m p l ei sg i v e na n da n a l y z e di nd e t a i l 1 t h ep r o g r a mo f f i n i t ee l e m e n tm e t h o di sc o m p l i e dt oa n a l y s i st h es a f e t yo f as l o p ea r e re x c a v a t i o n ， t h er e s u l to b t a i n e df r o mt h ep r o g r a ms h o wt h a ts t r e s sc o n c e n t r a t i o no c c u r r e do n l ya tt h es p o tn e a rt os l o p f o o t ，a n dt h e r ea r eo n l ya f e we l e m e n t sw h o s es t r e s sl e v e lh a se x c e e d e d1 0i ns l o p ，t h a ti st os a yt h es l o p e i ss a f ea f t e re x c a v a t i o n 2 f o ra g i v e nr a i n ，t h ei n i t i a lc o n d i t i o na n db o u n d a r yc o n d i t i o ni sd e t e r m i n e d ，t h e nt h ed i s t r i b u t i o no f w a t e ri nt h es l o p ea td i f f e r e n c em o m e n t si sg o tf r o mt h er e s u l tb yt h ef d mp r o g r a mc a l c u l a t i o n ，a n d v a r i a t i o nl a wo f w a t e rd i s t r i b u t i o nd u r i n gt h ew h o l ec o u r s ei sa i s oo b t a i n e d 3 t h es l i c em e t h o dp r o g r a mi sc o m p l i e dt oc a l c u l a t et h es a f e t yf a c t o ro ft h es l o p ea td i f f e r e n c e m o m e n t sa c c o r d i n gt ow a t e rd i s t r i b u t i o ni nt h es l o p e ，a n dt h ec h a n g er e g u l a r i t yo f s a f e t yf a c t o r sd u r i n gt h e w h o l ep e r i o di sa l s oo b t a i n e d t h er e s u l tr e v e a l e dt h a tt h es a f e t yf a c t o ro f t h es l o p ed e c r e a s e sd u r i n gal o n g p e r i o d ，a n dr e a c h e st h el o w e s tv a l u ea tc e r t a i nm o m e n t , t h e ni n c r e a s e sg r a d u a l l y t h i sp h e n o m e n o ni sd u e t ot h ev a r i a t i o no f w a t e rd i s t r i b u t i o ni ns l o p e ，a n di sg i v e ns o m ee x p l a n a t i o ni nt h i sp a p e n k e yw o r d s ：u n s a t u r a t e ds o i l m a t r i xs u c t i o nr a i ni n f i l t r a t i o n s l o ps t a b i l i t ya n a l y s i s f i n i t ee l e m e n tm e t h o d f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o dl i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d 一2 一 声麓 本人郑重声明我所望交的论文是我个人在导师指导下 进行酶研究工彳乍及取褥辩磷巍成暴。尽我爨知，除了文中特 别蕊以标注和致谢的避方外，论文中不惫含其缝人已经发表 或撰写过的研究成粜，迫不包含本人或麓他人在箕它革位己 串请学谴葳戈其它爆途搜雳过豹戚栗。与羲一鬻工作麴阍志 对本研究所做熬所有贡献均跫在论文中终了明确麴说明并 表示了致谢。 孛请学位论文与资瓣菪有不实之炎，本人承担韵褶关 责任。 论文作者签名：羔甓肇 爱麓：趣善麟z 7 美予论文使需授权豹说冁 本人完全了解蘧安建筑科技大学有关保辫、锼煺学位论 文酌规定，即：学校有权保留送交论文懿复印件，允许论文 被查瓣器借阕；学校可以公布论文翡全韶或郝分岗容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守就靓定) 论文作者签名；至甍蹲导师签名：黼器簸：傍。彬 涟：请将此页附在论文酋页。 盯土中的正压力 c 土的内聚力 c 有效内聚力 “。 非饱和土中的孔隙气压力 土体中总土水势 i t , 。土中水的重力势 以或口土体的体积含水率 k ( e )渗透系数( 导水率) 函数 厶 土中的水流通量密度 d ( o ) 非饱和土中水的扩散率 乓 边坡稳定性系数 e 考虑力矩平衡的安全系数 。“。) 非饱和土的基质吸力 扛) 应变列阵 【d 】弹性矩正 p 。单元节点位移列阵 医】。单元刚度矩阵 e切线弹性模量 e ，起始切线弹性模量 矾第一主应力 ( q c r 3 ) ，破坏应力 s 土体的应力水平 只大气压力 主要符号表 盯 土巾的有效正厩力 驴土的内摩擦角 有效内摩擦角 “。 土中的孔隙水压力 矿， 非饱和土中的基质势 s 非饱和土中的基质吸力 以 饱和体积含水率 船饱和渗透系数 c ( e 1 土体的比水容量 r ( t ) 降雨强度 f ，土体抗剪强度 f ，考虑力平衡的安全性系数 c 0 6基质吸力对应的内摩擦角 p ) 应力列阵 【比】 弹塑性矩阵 p ) 整体节点位移列阵 k 】总刚矩阵 y 切线泊松比 v ，起始切线泊松比 仃，第三主应力 ( a l c r 3 ) 。极限应力 r ，土体破坏比 o t 土体的抗拉强度 ；：；一= = 一；= 一= = ：= ：一：；：；璺童型! 塞璧鳖篓罂：些：；：一；：一：；= = = ：；。尘三塞 第一肇绪论 第一节概述 我国趄一个多山、多高原的国家。在这些地区进行一】：程建设，边坡稳定问蹶极为重要。边 坡失稳( 滑坡) 是最严重的岛然在灾害之，不论是自然边坡鹩滑动、胡堤，还是久类一：稃活 动形成的边坡的失稳，都对经济建设和人民生命财产造成巨大损失。据统计，我国的滑坡等地 质灾害主要分布在2 4 个省、市、自治区，其中以朗j i | 、湖北、j 1 谖、云南、甘肃等省滑坡的发 生频率较高，从总体上来看，以西南、西北地区为生【1 1 。在黄土商原地区，质边坡，4 布在黄 士糠、黄土丘陵和黄土梁边，在陡坡地段滑坡活动比较活跃，有许多滑坡事故频繁发生。给入 民的生命积财产安全带来极大威胁。例如1 9 8 3 年3 月7 日发生在甘肃省东乡族癌治县灏勒山黄 土滑坡- 滑俸宽7 0 0 - 1 0 0 0 m ，体积约为4 1 0 7 m 3 ，摧毁了三个村庄。造成二百多入死亡，2 2 人 羹魏，毁螺耩热2 0 0 k m 2 ，淹没甄瘗痰痒豹重大撰失。攥不完全统 十，仅在跌嚣荚审地区， 1 9 8 3 1 9 9 3 年发生黄土滑坡、崩塌灾害近2 0 0 处。造成直接经济损失达亿元以上，而目前关中 地区有滚动迹鬈的澹壤1 0 0 0 余娃，它将严藿威耱广大久琵生命辫产豹安金，影嚷这一地嚣熬强 民经济建设【4 】p l 。因此有必要对土质边坡的稳定性问题进行深入的研究。大量土质边坡滑动的 事铡表稠，滑坡大都在雨季发生。例如1 9 8 2 车匿j | | 盼万县云阳等地善降犬雨，降雨麓 6 0 0 7 0 0 r a m ，结果诱发了全地区大小数万处滑坡。前面提到的甘肃洒勒山黄土滑坡，大气降街 和冰雪融水的入渗是其主要的触发因素，1 9 7 9 年该地区降雨比往年高3 4 1 ，其中7 9 胃三个 月的降雨量达5 0 9 m m ，较历年同期建6 2 ，1 ，在这一年的9 ，1 0 月份在灏勒山山顶出现了裂缝。 1 9 8 2 年1 0 1 2 月降雪最是历年降雪量的7 倍，到来年春季雷融化。融水下渗引起坡体内的一系 弼交诧，最终搜 孽浮坡发生渤。这些漪皱熬诞明大气簿甭是大多数滑坡豹主要健发舜索，降掰 通过一系列复杂的影响，导致滑坡产生。降雨入渗，使土体湿润，容重增加。抗剪强度降低， 对予透教豹稳定产生极不稳驰影睫。掰戳缓骞必要深入研究降雨黠主壤稳定性的彩稍。部分避 代滑坡与降雨的关系统计见表1 1 。 在我国分布较为广泛的黄士属于非饱和土。土中气辐的存在，导致士中产生负静藐踩疆力， 从丽可以显著的影响黄的工程性质。我国黄土分布集中的地区处于干早半干旱带内。这一地 医的在黄土边坡中，地下水位一般较深，边坡中的体中其有负的孔隙篷力，即基质吸力。蕊 璜吸力的存在加大了土颗粒闻的压力，使土的抗剪强度增大，这对保持土坡的稳定起着重要的 作用。椴多高陵边坡正是因此才处于暂时的稳定状态。然而在非饱和土中的基质吸力很容易受 外褰环境交他的影晌，其中影响最大豹是含农量的变纯。褥降掰可使缓中的岔水量增大，特 别是夏秋季节，有时一次较大的降雨或长时间的遘阴雨就有可能使土城内的基质吸力减小甚趸 消失，这对透皱静稳定性较必不j ，宥可能因魏露发生失稳破坏。 目前，我国正在西部地区进行大规模的开发和建设。由于这一地区的地质条件复杂，多高 原、山脉，而且淘壑广布。程许多大型工程和基磷设施的建设中，必然会遇到许多实际边瑗鹩 稳定性问题。受气候条件的影响，这一地区的边坡土体也常常处于非饱和的稳定状态，降雨对 边坡的稳定性有着很大的影响。因此，对非饱和士边坡在降雨条件的稳定性有必要进行深入的 筵l 燹 研究，以揭示边坡失稳的机理，减少滑坡造成的损失，为这一地区的基本建没服务。 表1 1部分近代滑坡与降雨的关系统计表 时间地点降水情况 滑坡情况及损火 1 9 3 5 0 7 1 3 新滩柳林连续7 日暴雨体积1 5 1 0 5m 4 2 0 余户民虏推入江中 1 9 5 5 0 8 1 8 宝鸡卧龙寺大雨之后2 x 1 0 7 m 3 土体下滑 1 9 5 6 ，1 9 6 1 ，宝成线小楚1 9 6 1 年降雨超过1 9 5 6降雨超过前次滑动时的降雨量时边坡再次滑动 1 9 8 1 年坝年。1 9 8 1 年又遇大暴雨 1 9 6 3 0 8宝天线k 1 3 5 8连续降雨2 7 天1 9 6 30 8 1 9 6 5 1 1 2 2 云南禄功暴雨体积2 5 1 0 7 m 3 ，转为泥石流，死4 4 4 人，堵塞河道成湖 1 9 8 1 年夏四门l连续暴雨，河水猛涨全省6 万余处，直接损失3 万元 1 9 8 l宝成线百年不遇特大暴雨沿线出现数十处滑坡 1 9 8 l0 8 2 6 甘肃徽县连降8 天雨大宝顶滑坡6 8 1 0 1m 1 1 9 8 2 0 72 8 四川鸡扒子特大暴雨体积1 3 1 0 61 1 1 3 ，堵塞长江航道 1 9 8 3 0 8 1 0 汉江黄龙滩连续降雨5 2 天出现大量滑坡，出现涌浪，减少库容 1 9 8 4 0 7 2 9 四川雅安日降雨量超过3 0 0 m m引发大量滑坡、崩塌 1 9 8 50 6 1 2新滩滑前有连续中至小雨体积2 1 0 7m 3 1 9 8 9 0 7 四川华莹山7 0 0 年一遇的暴雨崩塌、滑坡与泥石流并发，死2 5 9 人，直接损失1 2 亿 1 9 9 0 0 8 0 7 云南保山大雨位于汶山乡小河村，死1 0 人 1 9 9 0 0 8 1 1天水暴雨锻压机厂后坡2 1 0 5 m 3 ，埋6 个车间，死7 人 1 9 9 0 9 甘肃持续大雨分布于陇南、甘南、天水 1 9 9 1 0 9 2 3昭通连降暴雨顺层高速滑坡，体积1 8 1 0 。m ，死2 1 6 人 第二节研究现状 降雨是滑坡的主要促发因素，滑坡与降雨的密切关系是早已为人们所知的事实。降雨通过 以下方式诱发滑坡：第一，对边坡土体，降雨入渗起加载作川，即十体的含水量增加，容重变 人，从而使滑移面的剪应力增大。第二，降雨改变边坡的力学性能，导致士体的内聚力。f 降， 抗剪能力降低”。总之，降雨主要是通过增加土体自重和促使滑坡体抗剪强度降低等方面来影 响土坡的稳定性，所以研究的重点是土坡的重量场和强度场在降雨过程中的变化，只要求得了 边坡实际的重量场和强度场分布，就可以利用较为成熟的方法来分析土坡的稳定性，进而得出 降雨入渗对土坡稳定性的影响规律。国内外许多学者都在这一方面进行了研究，取得了一些重 要的研究成果。他们的研究成果主要如下。 l u m b ( 1 9 6 2 ) 通过对香港地区的降雨和滑坡关系的研究，提出了一种简单的一维垂直入渗 模型用于计算湿润锋面的推进及入渗停止后含水量的再分布过程。他根据抗剪强度与饱和度的 经验关系式，并假定破坏面平行于坡面，来研究地质条件和降雨特征对斜坡稳定性的影响。考 虑的具体应影响因素包括土的入渗能力、土的初始饱和度、降雨强度与降雨持时曲线、暴雨前 降雨量、间歇性降雨以及坡面的防渗情况等。l u m b 的研究结果认为：香港斜坡的稳定性由土 第2 页 的入渗能力来决定，某次特定暴雨对斜坡稳定性的影响不仅取决于该次暴雨过程属于多少年一 遇的水平，还取决于该次暴雨前的降雨量。但是l u m b 在研究中没有考虑水平入渗分量的影响， 而且假定土体的导水率k 和扩散度d 均为常量，这些假定与实际情况差别较大。首先降雨时十 坡中的渗流为二维或三维的，不能简单的川一维垂直入渗米模拟，再者边坡十体一般为1 卜饱平 土，其水分运动特性( k 和d ) 在降雨入渗过程中变化很大，必须在研究中予以考虑。 f r e d l u n d ( 1 9 8 7 ) 十分重视负孔隙压力对土坡稳定性的影响，并在研究中把正负孔隙压力 都包括进去。他进行了暴雨入渗下的陡坡的瞬态渗流场和稳定性分析，用g a l e r k i n 有限元法模 拟稳态和瞬态渗流场，通过渗流分析可以得出暴雨开始后不同时刻孔隙压力的分布，从而分析 不同时刻土坡的稳定性。他的分析结果揭示出，负孔隙压力在土的抗剪强度的发挥中起着重要 作用，因此在暴雨期间由于负孔隙压力的减小而导致斜坡的安全系数降低，并有可能导致边坡 的失稳破坏。 s a m m o r i 和t s n b o y a n m a ( 1 9 9 1 ) 用g a l e r k i n 有限单元法模拟暂态渗流过程，并对边坡稳定 性进行了参数研究。渗流分析采用的控制方程为r i c h a r d 方程，边坡稳定分析采用简化b i s h o p 法。选择的参数包括斜坡长度、土层深度、横截面形状和土的性质等，但保持降雨强度不变。 他们的分析结果表明：对斜坡稳定性不利的参数取值组合姓较低的导水率较长的斜坡，较浅 的土层深度和凹形的斜坡表面。 a l o n s o ( 1 9 9 5 ) 等人的研究中考虑了土的类型、降雨持时、降雨强度、水分特征曲线的形 状和土的渗透性。他们的研究的结论主要有：土坡的安全系数变化所需的时间与土的渗透系数 成反比，且饱和渗透系数k w ； g 重力加速度( n 。s m 。) ； 群。水蛉绝对粘滞度( n + s ，m ) ； 口，饱和体积含水率 p 考虑不同尺寸孔隙间的相互影嫡系数； m 魄和含水率以到实测水分特缓曲线上壤小畲水率曲之间的总分段数； 计算得到的饱和含水率以到零含水率之间的段数1 , 1 = r r l 【g i ( 口r 口，) 】 ( 一* 。蓦j 段孛点黪基爱吸力馕( k p a ) 由以上分析可见，只要知道水分特征曲线和饱和渗透系数，非饱和的渗遴函数可以通过 计算求褥。谗和渗透系数一般缀易逶避实验潮褥。嚣稳帮主静承分特征赫线在嚣鳃幂l 圭的垂拜究 中占有很重要的地位，一般需进行大擞的实测工作才可得到。 第四节非饱和土的水分特征曲线 一非媳釉土的水分特 芷曲线及其研究意义 非饱和土的水分特征曲线的研究最初是壤学和土壤物理学的课题，b u c k i n g h a m 认为非 毫【 襄的渗遴势是其保持水分能力静反映，非撼和中承豹滚动积储存是幽渗透势决定的。毪第 一次给蹦了非饱和土的水分特征曲线，并认为水分特征曲线是渗透势和含水鬣的连续函数。 r i c h a r d s 簿纯了蠲薄试样溅承分特征麴线豹方法，童要畜r i c h a r d s 压力叛法纂l 离心撬串瓣渗遴 吸力盒法。c h i l d s 在第一届国际土壤学会议上提出了湿度特征曲线的概念，他认为可j = | 水分特 征曲线来估算非饱帮的渗透性。a i t c h i s o n 将水膜辩衡的睡力差和佬学势g 超的吸力势掰定义 锯1 2 页 ；= 一；= ：；：；：= ；一；：塑童些兰坠墼查兰望：圭! ：兰二；：= = ；： 丝三：薹 为基质吸力和渗透吸力，总吸力定义为二者之和”。 非饱和土的基质吸力或基质势是土体含水量的函数，土的含水量( 质量含水量w 、体积含 水率p ) 或饱和度s 与基质吸力之间的关系定义为十的水分特征曲线，卵s w c c ( s o i l w a t e r c h a r a c t e r i s t i cc u r v e ) 。该曲线反映了在非饱和状态f 士中水的能态与十中水数颦之间的芙系。 士体在饱和肘，士中的基质势l - o 或基质吸力s = o 。如对土簏加一定吸力，十中井无水流 出。当吸力增加直到超过某一临界值时，土中的大孔隙开始排水，土体含水量减少，称为 进气吸力。当吸力进一步提高，土中较多的相对大孔隙不能抗拒施加的吸力。其所保持水分排 出来，土中含水量进一步减少。这一过程可以一直进行下去，因此土的含水量随基质吸力的提 高( 随士中基质势的降低) 而减少，这一点可以在许多实测的非饱和土的水分特征曲线上有明 显的反映。土中的含水量p 与或s 之间的关系曲线称为土的水分特征曲线。 水分特征曲线在非饱和土土力学中扮演着重要角色，试验研究表明非饱和土的水分特征曲 线与其士性之间有定的关系。根据水分特征曲线可以确定非饱和土的强度、体虑变和导水系 数，甚至还可以确定地下水面以上的水分分布。在非饱和土中的水分运动问题中，许多运动参 数都可由水分特征曲线求得。鉴于此，有人把非饱和士的水分特征曲线比成饱和十十力学中的 p l o 驴压缩曲线b “，可见水分特征曲线在非饱和土研究中的重要性。 二水分特征曲线的经验表达式 一般把水分特征曲线拟和成特定的曲线，国内外学者先后提出了大量的经验公式，其中有 代表性的几种如下1 2 6 1 ： s ：口目一6 s = a e 一6 9 s ：! 坚二鱼 吼 ( e x p o n e n t i a l ) ( p o w e r ) 嚣2 i l i 薪a s ) g 只f + ( 一 ”r 器= ( 旦s ) 1皖一只l ( v i s s e r ，1 9 6 6 ) ( v a ng e n u c h t e n 19 8 0 ) ( b r o o k s & c o r e y , 19 6 4 1 ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 上面各式中，良为饱和含水率，蚋残留含水率，s ，为土体进气时的基质吸力，其它字母为拟和 公式中的经验常数。由实测得到的非饱和土的含水率和基质吸力值，朋数学的方法可以很方便 的求出以上各式中的经验常数。 三影响非饱和土的水分特征曲线的因素 土的水分特征曲线只能实测得到，通过大量的试验得出了各类土的水分特征曲线，从中得 出了一些规律性的结论，影响土的水分特征曲线的主要因素如下： ( 一) 土性的影响： 由于土的类型不同，其水分特征曲线差别较大。同一含水量的粘性士和砂士，粘性士的基 质吸力值远大于砂土的基质吸力。也就是说，如果在同一吸力下，粘性十的含水量比砂土的含 第1 3 页 水量大。例如在吸力s = l o o c m 时，某粘性土的含水量为4 9 ，而某砂土的含水量则仅为8 。 故土壤中的粘粒含量越多，在同一吸力条件下其含水量也越高。这是由于在粘质土中，细孔隙 多，而且粘粒的表面能高，能吸附较多的水分。而砂土则刚刚相反。另外，粘性土的水分特征 曲线的斜率比较均匀，变化平缓。而砂土的特征曲线的斜率变化比较大，特别是在低含水量段 内斜率的变化很大。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) 对水分特 征曲线也有很大的影响。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，反映在水分特征曲线上，则为残余含水量较大，曲 线的斜率也较平缓。 ( 二) 土体结构的影响 土体结构，包括孔隙大小、级配和组成结构等。孔隙结构影响土水作用的面积和收缩膜的 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。对同一种土，土在压实后孔隙度减少。特别是团粒体之间的大孔隙减少，因而土 饱和含水量有明显降低。士在压实后，由于一部分大孔隙变成中等大小的孔隙，中等大d ：f h 隙 在压实后有所增加，而对基质吸力有较大影响的d , ：f l 隙在压实后受影响较小，因而特征曲线在 压实前后这一段近于相同。但是，由于土性的差异，体结构对水分特征曲线的影响规律也不 尽相同。关于土体结构特别是密度对水分特征曲线的影响，将通过本章的第五节的试验来进行 具体的分析说明。 ( 三) 温度的影响 温度影响着水的粘滞性和表面张力。当温度上升，水的粘滞性和表面张力下降，土壤基质 势升高( 吸力下降) ；当温度下降，则反之。因此在测定土壤水分特征曲线时，为减少温度的干 扰，应尽量在温度变化不大的条件下测定。 ( 四) 水分变化过程的影响 对同一种土，在恒温条件下，土的水分特征曲线并不是单一的曲线。或者说，吸力与含水 量的关系不是单值函数。许多实验资料表明，土在吸湿过程中( 由干一湿) 和在脱湿过程中( 由 湿一干) 测得的水分特征曲线是不同的。这种现象称为滞后现象。滞后现象产生的主要原因有： ( 1 ) 瓶径效应或所谓的墨水瓶效应，土体中的大小孔隙是连在一起的，形成如墨水瓶那样口小 肚子大的形状，吸水增湿过程是较粗的孔径起控制作用：而在脱湿过程中，只有当施加吸力s 大 于细孔所对应的毛管力时，粗孔隙保持的水分才能被排出。显然细孔径的s 值比粗孔径的大。 ( 2 ) 水土表面的接触角在吸湿和脱湿过程中不同，一般脱水过程的水土接触角比吸水过程的接 触角小，而接触角越小相应的吸力越大。士的水分的滞后现象说明，土容易于吸收水分，而不 易于失去水分，因而土是天然的保持水分的介质。 由于土水分特征曲线的滞后现象，使我们对土中水分的研究更加复杂。但在一般我们已经 知道了土体的水分变化过程，例如降雨入渗时主要是吸水过程，依吸湿曲线为主；而雨后的一 般伴随着较长时间的干燥过程，则依脱湿曲线为主。在实际应用中依据情况具体选择特定的水 分特征曲线进行分析。 第1 4 页 西安建筑科技大学硕士论文第二章 下面一节将通过实验研究密度对非饱和土的基质吸力( 或水分特征曲线) 的影响。 第五节密度对基质吸力影响的试验研究 前已述及影响非饱和土基质吸力的因素很多，如含水量、土的矿物成分、干密度、初始含 水量、温度、水分变化过程等，但是由于问题的复杂性，很难全面的考虑多种因素的共同作用， 只能研究其中一种或几种因素的作用，这一节通过试验来研究密度和含水量对基质吸力影响。 一概述 土的水特征曲线反映了基质吸力随含水量的变化，为了确定基质吸力随含水量的变化关系 式。国内外许多学者如v i s s e rw c ，b r o o k sr h 。c o r c ya t ，v a ng e n u c h t e nm t h 等先后进 行了研究，提出了多个有代表性的经验公式( 见本章第三节) ，这些公式拟合各自实验土样测试 结果效果很好，但仅考虑含水量对基质吸力的影响，未能考虑土体密度的影响，这不论从理论 上还是从应用方面都是不完善的。含水量变化对基质吸力的影响非常显著，已经得出了一些规 律性的结论。但是密度变化对基质吸力也有很大影响，这在土体的水、热、力三场耦合等计算 中是应该予以充分考虑的。土体密度变化会引起基质吸力变化从而影响水分迁移进程，应该根 据含水量和密度动态的确定基质吸力进行计算，因此，进行同时考虑含水量和密度对基质吸力 影响的研究是很有必要的，本试验选取灞桥砂土进行实验和理论分析，就这一问题进行了研究。 二基质吸力的测试 1 试验仪器及测试方法 试验采用采用南京士壤仪器厂生产的张力计进行基质吸力的测试。如图2 1 ，它主要由一个 陶土管和一个真空表组成，陶土管是仪器的感应部件，具有许多细小 的孔隙，陶土管被水浸润后，在孔隙中形成一层水膜，当浸润后的张 力计插入土体时，陶土管水膜便同土体中的孔隙水连接起来，使仪器 内部的水产生负压，此时真空表的读数即为基质吸力。为了使仪器能 够达到最大的灵敏度，使用之前把仪器内部特别是真空表内的空气清 除干净，并在使用过程中定期检查集气管中的空气容量，保证其不超 过集气管容积的一半。 在试验前。陶土管必须浸在水中，防止由于蒸发而造成的陶土管 的欠饱和，并记下真空表的读数作为零位校正读数。将准备好的张力 计放入试验土样中，等真空