【《非饱和土的土水特性研究文献综述》4300字】

非饱和土的土水特性研究文献综述1.1基质吸力非饱和土是由气、液和固三相物质组成的多相系统。其中水-气交界面具有一种特性，称为表面张力。表面张力的产生是由于水-气交界面上，即收缩膜内的水分子受力不平衡而导致的。如图1-1(a)所示，作用于水-气交界面上力与作用于水体内部的力是不一致的。在水体内部在各个方向的力是相等的，受力是平衡的，而在水-气交界面上水分子受到不衡力的作用，向水的内部运动。为了保持平衡，收缩膜产生张力，收缩膜产生的张力特性就称为表面张力Ts，表面张力Ts的方向与与收缩膜的表面相切，大小以给定长度的收缩膜的表面张力表示，单位为N/m。收缩膜由于表面张力的作用而被迫充当弹性膜。如果一个二维薄膜受到两边不同的压力，薄膜必须对较大的压力呈现凹曲率，并在膜内产生拉力，以达到平衡。通过考虑薄膜上的平衡，曲面的压差∆u与表面张力Ts和曲面的曲率半径Rs有关，如图1.1(b)所示，根据垂直方向上力的平衡，二维曲面的压差∆u最终表示为：(1-1)扩展到三维薄膜上如图1.1(c)的压力差∆u最终表示为：(1-2)（a）水-分交界面和水体内部的分子间作用力（b）作用于二维表面上的表面张力和压力（c）三维薄膜上的表面张力图1-1水-气交界面上的表面张力现象Fig.1-1SurfaceTensionattheWater-gasInterface在非饱和土中，收缩膜一侧受到孔隙水压力uw作用，另一侧收到孔隙气压力作用ua，孔隙气压力ua与孔隙水压力uw之差称为基质吸力，压力差∆u即可表示为：(1-3)土体中的总吸力由基质吸力和渗透吸力组成，基质吸力是作用在水-气分界面上的孔隙气压力ua与孔隙水压力uw之间的压力差。而渗透吸力受孔隙水中现有的化学物质(含盐量)的影响，在大多数岩土工程问题中通常被忽略。因此，总吸力的变化可等效为基质吸力的变化。1.2吸力量测基质吸力是定义非饱和土应力状态的一个重要变量[35]。因此，控制或测量基质吸力对评价非饱和土在变化应力条件下的物理行为是必要的[36]。在室内试验室常用吸力控制技术有：轴平移技术、渗透技术、湿度控制技术[37]。（1）轴平移技术轴平移技术是指升高非饱和土中孔隙气压力，将负孔隙水压力升高到一个便于量测的数值范围内，比如大气水压。将基质吸力从大气压与负的孔隙水压条件“平移”到正的气压与大气水压条件，正的气压便于量测和控制。轴平移技术的应用依赖于高进气值材料的独特性能[10]。高进气值材料的特征是具有相对均匀大小和分布的微小孔隙，当该材料经水饱和后，在材料孔隙中形成的气液交界面上产生过表面张力，使得位于材料两端的液相和气相之间的压力差得以维持。从物理上讲，表面张力起到了隔膜的作用，分离了液相和气相，从而使孔隙水压力和孔隙气压力分开控制，实现轴平移。高进气值意思是相对较高的气压才能冲破表面张力形成的隔膜。图1-2为一个饱和高进气值陶土板的放大截面示意图。陶土板上方为气压，下方为水压，根据杨-拉普拉斯方程有：(1-3)式中：为进气压力值；为水-气交界面上的表面张力；为高进气值陶土板最大孔径的有效半径。只要试验过程中施加的基质吸力不超过高进气值陶土板的进气值，空气和水才能通过高进气值陶土板进行分离，一旦施加的基质吸力超过陶土板的进气值，空气就会通过陶土板进入量测系统，导致测量错误。已有众多学者都是利用轴平移技术来进行非饱和土相关特性的研究，比如Ng和Pang[38]，刘奉银等[39]，陈高峰等[40]，Zhang等[41]，王晓琪等[42]利用轴平移技术进行进行非饱和土土-水特性方面的研究，梁志超等[25]，叶为民等[43]，章峻豪等[44]，王娇等[45]进行非饱和土压缩变形特性方面的研究，Patil等[21]，Sun等[46]，胡再强等[47]，Hoyos等[48]，郭楠等[49]，高登辉等[50]，张登飞等[51]，巴亚东[52]等利用轴平移技术非行饱和土剪切特性方面研究。图1-2高进气值陶土板的工作原理Fig.1-2WorkingPrincipleofHighIntakeValueCeramicDisk（2）渗透技术渗透技术是将土样和溶液用半透膜隔离开，半透膜能允许溶液中的水和离子通过，而对溶液中的大分子和土颗粒是不能通过。在渗透过程中，溶液中的气压力和土样中的气压力均保持在大气压力ua下。从水的能量角度角度分析[37]，当半透膜两边的水分交换达到平衡时，土样中的水和渗析溶液中的水能量是相等的，即两边的总吸力是相等的。因此，土样中与渗析溶液中的渗透吸力的差值与两者之间基质吸力的差值是相等的，而渗析溶液中的基质吸力等于零，所以，土样中的基质吸力就等于土样中与渗透溶中的渗透吸力的差值。渗透溶液中的渗透吸力π(1)，基质吸力s(1)分别表示为：(1-4)(1-5)土样中的渗透吸力π(2)，基质吸力s(1)分别表示为：：(1-6)(1-7)式中：表示渗透溶液中盐的渗透压力；表示渗透溶液中溶质的渗透压力；表示土试样中盐的渗透压力。当渗透作用达到平衡时，，，所以有：(1-8)图1-3渗透技术原理Fig.1-3PrinciplesofOsmoticTechnology在渗透技术中，最常用的渗透溶液为PEG溶液，该溶液的浓度决定了渗透吸力的大小。众多学者也利用渗透技术对非饱和土的相关特性进行了研究[53][59]。（3）湿度控制技术湿度控制技术试是将试样放置在一个含有某种化合物的酒精溶液的封闭的热力学环境中。依据化合物的某种物理化学性质，会在密闭的热力学环境中产生一定的相对湿度，从而使土试样和酒精溶液之间产生水分的交换。当水分交换达到平衡时，将会有一定的吸力施加在了土样上，该吸力为总吸力。湿度控制技术适用于总吸力较高的范围，吸力范围一般为4000kPa~10000kPa。众多学者也利用渗透技术对非饱和土的相关特性进行了研究，比如Likos和Lu[60]开发了一种利用相对湿度控制技术确定吸力特征曲线的自动试验系统，对系统的性能进行了评估，并对测定了四种黏土的总吸力特征曲线。陈留凤和彭华[61]基于湿度控制吸力的方法，设计了一个非饱和土量测系统，研究了干湿循环次数和基质吸力变化梯度对土水特征曲线的影响。周葆春等[62]利用轴平移和等压湿度控制法结合的方法获得了宽广吸力范围的膨胀土的土水特征滞回曲线，分析研究了孔隙比-含水率-吸力的滞回效应规律。曾浩等[63]对重塑膨胀土样利用湿度控制技术进行了一系列干燥试验，分析研究了膨胀土在干燥过程中收缩应力与吸力之间的变化规律。轴平移技术、渗透技术、湿度控制技术这三种吸力控制技术中。渗透技术和湿度控制技术优势点主要两点：一是可以保持土中孔隙水压为负，二是不需要使用高室压就可施加高吸力。湿度控制技术所施加的高吸力范围比渗透技术要高，但两者的确点都是不能连续的对土样施加吸力。因而轴平移技术在土工试验中使用更广泛一些，本文控制吸力也采用是轴平移技术。1.3土-水特征曲线模型土-水特征曲线（SWCC）是用于描述土体吸力与含水量之间的本构关系函数曲线，是非饱和土力学中的基础本构关系[10]，一般用基质吸力与饱和度、体积含水量或重量含水量之间的关系曲线来表示。关于土-水特征曲线的模型描述，已有大量的学者通过试验的、理论推导的方法进行了相关研究，一般可以将关于土-水特征曲线的模型描述方法分为经验模型法和理论模型法两种。（1）经验模型法经验模型法的基本方法是对试验测定的土水特征曲线的一系列散点数据采用适当的函数表达式进行拟合，建立基质吸力与湿度指标之间的关系。湿度指标可以用体积含水率θ，质量含水量w，或饱和度Sr来表示，以下均用体积含水量来θ表示，其中θs表示饱和体积含水率，θr表示残余体积含水率[64]。Gardner模型[65]：(1-9)式中：为与土体进气值有关的参数；为与土体减湿速率有关的参数。Brooks和Corey（BC）[66]模型：(1-10)式中：为土体进气值；为土体孔径参数。Fredlund和Xing（FX）[67]模型：(1-11)式中：为与土体进气值有关的参数；为与土体减湿速率有关的参数；为与残余含水量有关的参数vanGenuchten（VG）[68]模型：(1-12)式中：式中：为与土体进气值有关的参数；为与土体减湿速率有关的参数；为与残余含水量有关的参数。以上为几种应用比较广泛的经验模型，陈正汉等[69]，沈珠江[70]，刘艳华等[71]，王铁行等[72]，张昭等[73]，苗强强等[74]等众多学者也相继提出了土水特征曲线的经验模型表达式。（2）理论模型法还有部分学者从理论的角度出发，从研究土体土-水特性物理本质的角度来推导土水特征曲线模型的表达式。Frydman和Baker[75]基于土体表面吸附水原理来推导模型；徐永福等[76][77]，王康等[78]，陶高梁等[79]，张季如等[83]等人基于分形理论来推导模型；Aubertin等[80]，Chui等[81]，孔郁斐和宋二祥[82]，基于颗粒间的分布来推导模型；栾茂田等[84]，李顺群[85]，杨松[86]，张昭等[87]，刘星志等[88]等人基于颗粒间的液桥的力学特性来推导模型。Frydman和Baker[75]提出的模型：(1-13)式中：表示土中矿物成分的比表面积（m2/kg）。徐永福等[76]-[77]提出的模型:(1-14)式中：表示有效饱和度，；表示土的进气值；Dv表示分维数。栾茂田等[84]提出的模型：(1-15)式中：等效球形颗粒间吸附的液体的体积；颗粒在一定排列模式下的孔隙体积；表示表示等效基质吸力（kPa）；表示基质吸力的有效作用面积（m2）；表示土颗粒总表面积（m2）。参考文献谢定义,邢义川.黄土土力学[M].高等教育出版社,2016.ZárateMA.Loessrecords|SouthAmerica[J].EncyclopediaofQuaternaryScience,2013,26(6):629-641.PorterSC.Loessrecords|China[J].EncyclopediaofQuaternaryScience,2013:595-605RousseauDD,DerbyshireE,AntoineP,etal.Loessrecords|Europe[J].EncyclopediaofQuaternaryScience,2013:606-619.刘祖典.黄土力学与工程[M].陕西科学技术出版社,1997.SunJM.ProvenanceofloessmaterialandformationofloessdepositsontheChineseLoessPlateau[J].EarthandPlanetaryScienceLetters,2002,203(3):845-859.包承纲,詹良通.非饱和土性状及其与工程问题的联系[C]//全国非饱和土学术研讨会.中国土木工程学会,2005.王飞,李国玉,穆彦虎,等.干湿循环作用下压实黄土湿陷特性试验研究[J].冰川冻土,2016,38(2):416-423.陈正汉,郭楠.非饱和土与特殊土力学及工程应用研究的新进展[J].岩土力学,2019,40(1):8-61.LuN,LikosWJ.UnsaturatedSoilMechanics[M].Hobokin:JohnWiley&Sons,2004.（中译本:非饱和土力学[M].韦昌富,侯龙,简文星,译.北京:高等教育出版社,2012.）LiP,VanapalliS,LiTL.Reviewofcollapsetriggeringmechanismofcollapsiblesoilsduetowetting[J].JournalofRockMechanicsandGeotechnicalEngineering,2016,8(2):256-274,XingYC,GaoDH,JinSL,etal.Studyonmechanicalbehaviorsofunsaturatedloessintermsofmoisteninglevel[J].KSCEJournalofCivilEngineering,2019,23(3):1055-1063廖红建,李涛,彭建兵.高陡边坡滑坡体黄土的强度特性研究[J].岩土力学,2011,32(7):24-29.周杨,刘果果,白兰英,等.降雨诱发黄土边坡失稳室内试验研究[J].武汉大学学报(工学版),2016,49(6):838-843.KimD,KangSS.Engineeringpropertiesofcompactedloessesasconstructionmaterials[J].KSCEJournalofCivilEngineering,2013,17(2):335-341.TanTK.FundamentalpropertiesofloessfromnorthwesternChina[J].EngineeringGeology,1988,25(2-4):103-122.杨晶,王林浩,马富丽,等.黄土压实质量控制指标的科学性和合理性研究[J].地下空间与工程学报,2012,8(5):1021-1025.殷鹤,黄雪峰,李旭东,等.延安新区回填压实黄土压缩变形与湿陷特性[J].后勤工程学院学报,2016,32(3):26-32.LuoH,WuFQ,ChangJY,etal.MicrostructuralconstraintsongeotechnicalpropertiesofMalanloess:AcasestudyfromZhaojiaanlandslideinShaanxiprovince,China.EngineeringGeology,2018,236(26):60-69.NgCWW,SadeghiH,JafarzadehF.Compressionandshearstrengthcharacteristicsofcompactedloessathighsuctions.GeotechnicalTestingJournal,2017,54(5):690-699.PatilUD,PuppalaAJ,HoyosLR,etal.Modelingcritical-stateshearstrengthbehaviorofcompactedsiltysandviasuction-controlledtriaxialtesting.EngineeringGeology20