非饱和土力学
同济大学地下建筑与工程系
2006年10月
第一章绪论
非饱和土分布十分广泛，与工程实践紧密联系的地表土几乎都是非饱和土。干旱与半干旱地区，由于蒸发量大于降水量，地下水位较深，这些地区的表层土是严格意义上的非饱和土；土坝、铁路和公路路基填土，机场跑道的压实填土都是处于非饱和状态，亦即非饱和土；即使是港口平台、管道等离岸工程中所遇到的土，往往是含生物气的海相沉积土，其孔隙中含有以大气泡（气泡直径远大于土粒直径）形式存在于孔隙中的生物气；另外，在地下水面附近的高饱和土体，其孔隙水中溶解了部分以小气泡（气泡直径与土粒粒径相当）形式存在于孔隙中的气体，土体卸载以后（取样或开挖等），溶解于孔隙水中的气体逸出，以气泡形式存在于孔隙水中，这两种含气泡的土也应属于非饱和土。可见，非饱和土才是工程实践中经常遇到的土，饱和土是非饱和土的特例，真正意义上的饱和土在工程实践中很少见到。
土力学发展至今，已形成了一套完善、独立的理论体系。然而，迄今为止的土力学主要是把其研究对象——土，视为两相体，即认为土是由土粒和孔隙水组成。严格的讲，迄今为止的土力学只能称之为饱和土力学。然而，实际工程中遇到的土多是以三相状态(土粒、孔隙水、孔隙气)存在。经典的饱和土力学原理与概念并不完全符台其实际性状。有人甚至认为在土中水一气的结合面上还存在第4相一水气结合膜。土中气相的存在，使得土体性质复杂、性状多变。将土作为饱和土对大多数工程来讲是一种合理的简化，但是，随着研究的逐渐深入，人们已经注意到，对于某些特殊区域或特殊性质的土，这种简化将造成研究理论的失误。如在膨胀土地基基础的设计中。如果单纯按照膨胀土的现有强度进行设计，则有可能将强度参数估计过高，不安全；如果按其最低强度进行设计，又将造成浪费。因此，合理地提出膨胀土在不同状态下的强度参数是工程的客观需要。此外，膨胀土等非饱和土的变形性能也随饱和度而变化。这些问题都是饱和土力学难以解决的。由此观之，按多相(非饱和)状态下研究土体的工程力学性质是土力学发展的趋势。
一、非饱和土的四相性
一般说来，根据饱和度和饱和介质，土可分为四类：
①两相饱和土：包括土颗粒和充满所有孔隙的水；
②三相饱和土：包括土颗粒、水和以封闭气泡形式存在的空气；
③三相非饱和土：包括土颗粒、水和连通的空气；
④四相非饱和土：包括土颗粒、水、空气和结合水膜。
非饱和土力学研究的主要对象为非饱和土，就是由土粒（固相）、孔隙水（液相）、孔隙气（气相）和液-气交界面构成的四相体系（Fredlund, 1993）。我们常说的非饱和土就是四相非饱和土，其中的结合水膜将是影响这类土体性态的关键因素。非饱和土的气-液相交界面的性质既不同于水，也不同于气体，是一个独立的相，该相在表面化学里被称为收缩膜，是非饱和土中的第四相。非饱和土的孔隙水和孔隙气的形态与非饱和土的含水量（饱和度）密切相关，因此可以根据非饱和土的孔隙气和孔隙水的形态将非饱和土分为不同的类型。俞基培和陈愈炯用高柱法试验、渗透试验和击实试验研究了非饱和击实粘土的孔隙气和孔隙水的形态，将非饱和土分为三类：水封闭型、双开敞型和气闭型。Barden（1965）将非饱和土分为五种类型，各类土之间的饱和界限分别为：①S<50%；②50%≤S<90%；③S=90%，w=w opt （w opt为最优含水量）；④90%
四种类型：气相完全连通、气相部分连通、气相内部连通和气相完全封闭，并研究了不同类型非饱和土的固结性态。他曾经在1978年采用土壤的毛细压力试验(吸力与含水量关系试验)和气渗性试验研究了土壤在不同状态下的毛细水压力情况。他认为，非饱和土在负孔隙水压力作甩下的气相状态可以分为上述4种形态。当孔隙中的气相以完全连通方式存在时，气渗性与含水量无关，土体有效应力表达式为σ’ =(σ-u a)；随着含水量的增大，孔隙中的气体体积逐渐减少．并形成半封闭或封闭的气泡，孔隙气体以部分连通或内部连通状态存在。此时，土壤的负孔隙承压力(土中吸力)逐渐喊小，土体有效应力表达式中应当分别考虑孔隙气压力和孔隙承压力的影响；当土壤中的含水量很高以后，气相完全为液体所包围，体积微小，并只能随液体一起流动，可视为一种挟气水的二相体系。此时，土体基本达到饱和状态，土壤的气渗性极小，负孔隙承压力基本为零，土体有效应力表达式与饱和土相同。由此，他认为非饱和土的关键问题就在于土中气体对土体性质的影响，而且这种影响是通过负孔隙承压力产生的。也即非饱和土力学中所谓的土中吸力(suction)。
图1-1 非饱和土中固、液、气三相介质示意图
二、岩土工程中的非饱和土问题
自然界中的地基土体是由土颗粒和颗粒间的孔隙组成的。在干旱和半干旱地区，许多易于引发工程事故的问题土，如湿陷性黄土和膨胀土等均为典型的非饱和土。工程中所遇到的土体大多数以非饱和土形态存在，即土颗粒孔隙中既含有液体，又含有气体。除土颗粒本身的性质外，孔隙中水、气的含量不同，也将导致土体的性质各异。对于上述工程问题，均可采用非饱和土理论和试验进行研究。研究表明，经典土力学理论的不完善是没有反映土中吸力的存在。由于土中吸力的影响，使得下述岩土工程问题更加复杂。
(1) 路堤及土坝等工程填筑中的孔隙压力。堤坝等工程在建造过程中孔隙压力的消散过程不能用经典土力学理论来说明。堤坝的变形由于孔隙气体的存在而发生变化，若仍由饱和土力学理论来指导施工．势必影响填筑质量或施工进度。堤坝运行后，水位变动会使孔隙承、气的比例发生变化．从而使土体的固结、强度和渗流等情况都与饱和土力学理论所阐明的不同。
(2) 边坡稳定。天然边坡的稳定状态随时问、气候条件等因素发生变化．对常规的边坡稳定分析方法提出疑问。对长时问降雨后出现的滑坡的机理分析以及预测预报等均应当考虑土体含水量变化的影响。
(3) 深基坑等竖直挖方中的支护措施设计。深基坑支护设计及稳定分析应当考虑地下水位的变动影响。由于开挖使得地下水位降低，基坑土体在一定范围内成为非饱和土．短期内使土的抗剪强度增加，但随着时间的增长，土中吸力又会使非饱和区域孔隙水压力上升，强度衰减，最终导致基坑失稳。此外，孔隙水压力的变化也会引起基坑周围建筑物的不均匀沉陷，分析这种沉陷过程也需要用到非饱和土的固结理论。
(4) 挡土墙和桩顶地粱上的侧向土压力计算。常规主动、被动土压力计算公式中，土的抗剪强度是按饱和土考虑的，这与实际工程中墙后土体通常处于非饱和状态是不相符的。此外。还应当考虑墙后土体浸湿作用所产生的附加侧向土压力。
(5) 膨胀土及黄土的变形分析及强度参数。膨胀土与黄土均是易受水份影响的土类。膨胀土的胀缩变形，内因是土体的矿物成分和天然结构，外因别是降雨、气候或地下水的共同作用。膨胀土的胀缩性、裂隙性和超固结特性，实质上均与土体内部孔隙变化及水、气比有关。膨胀土水份变化由孔隙气、水相互作用所控制。研究膨胀土、黄土等非饱和土的变形及强度问题。必须探讨孔隙气、水的影响．如果简单地将其视为饱和土，必然导致理论分析上的重大失误。这方面较典型的问题之一是：膨胀土的抗剪强度是变动的，干、湿强度相差极大，设计值怎样取定。有待研究。
三、非饱和土力学发展状况
传统土力学理论是解决饱和土问题的，试验方法针对饱和土，所得出的规律也主要适用于饱和土。工程中遇到的大量非饱和土问题是近似地用饱和土的方法处理的。但有些土在饱和前后力学性质有很大变化，如膨胀土浸水后体积膨胀，黄土浸水后体积收缩，它们的强度在浸水后都降低，用饱和土的方法难以反映由非饱和到饱和所引起的力学性质的变化。于是非饱和理论提出来了，引入吸力解释了许多现象，揭示了一些规律。以Fredlund理论为代表，形成了较完整的非饱和土理论体系。我国学者在非饱和土理论方面也做了大量的研究，取得显著成就。但非饱和土理论毕竟较年轻，许多规律有待进一步揭示，成为新的研究热点是无疑的。
目前在岩土工程界里能够应用于实际工程中的基本理论还主要是饱和土力学理论。造成这种状况有以下几种原因。首先，大部分实验土力学较发达的国家的气候一般较温和，土壤一般接近于饱和状态。其二，在大多数情况下，土力学在工程中的应用关系到土的抗剪强度，然而众所周知，土在饱和状态下的抗剪强度最低，如果工程设计基于饱和土强度，那么我们就位于安全的一面。第三，饱和土属于二相材料，相比三相的非饱和土，我们了解各种水土相互作用现象的困难要少很多。最后，非饱和土的研究通常需要特殊昂贵的设备，这就束缚了非饱和土实验技术的发展。直到二十世纪七十年代，国内外土力学研究的重点开始转向非饱和土，且非饱和土力学研究逐渐发展成为当前岩土工程学科的前沿课题，世界某些国家像法国、西班牙、加拿大、美国等才加大了这方面的投资，使非饱和土力学达到了现在的水平与规模。
在上海地区，虽然天然土体通常为处于饱和状态的软土，但表层粘土却常年处于变化着的非饱和状态。另外，一些与工程建设紧密相关的软土也常因一些工程措施的采用（如堆土、井点降水和地基加固等）处于一种人工非饱和状态。这时软土的力学性状与其处于饱和状态时有着很大的差异，可将其称为工程非饱和态软土。对于与非饱和土有关的工程问题，过去人们常借助传统土力学的有效应力原理进行研究，不可避免地存在诸多缺陷，可将有关非饱和土原理引入对上海地区表层土和工程非饱和态软土的再认识研究，为解决当前上海软土地区工程建设中存在的非饱和土问题提供新思路。诸如：浅基础工程、基坑工程、地基处理、高路堤稳定性和表层土隔绝污染等。
第二章 非饱和土中吸力
水对非饱和土的性态起着主要作用。水与气共同占据土的孔隙空间，根据它们的体积含量，土的孔隙大小及土的物理化学特性，水气状态是相对变化的。要么水占主导地位，气不能自由移动，要么气占据大部分孔隙，水被固定在土颗粒之间，或者二者都可同时移动。水除了与气作用通过弯液面效应产生毛细管张力之外，它还与土中的矿物质发生相互作用；这种物理化学相互作用在粘土中尤为突出。此外，溶于水中的盐离子浓度决定了渗透吸力的大小，水在这种吸力的作用下会产生迁移现象。
一、吸力的定义
土中吸力从岩土工程角度上的定义早在1965年就已做出了。按照热动力学原理，吸力是一种与饱和土中水头相似的水的潜在能。这种定义类似于在电场中的电能：在同高度条件下，把一定体积的自由水放到非饱和土中只需要利用土的吸附能力，按照能量原理，能量是沿着递减的方向传播的，这说明土中的吸力是负压力，吸力的大小等于“在等温、等高和大气压条件下，为从远离土的自由状态运输到土孔隙中的极少量水所做的单位水体积的功”。
从热力学角度对土中吸力及其组成下定义，土中吸力（土中水的自由能）与孔隙水的部分蒸气压之间的热动力学关系为：
???
??????=00ln v v v w u u RT ωνψ (2-1) 式中ψ为土中总吸力，R 为理想气体常数8.31432J/(mol.K)，0w ν为水密度的倒数w ρ1(m 3/kg)，T 为绝对温度，v ω为水蒸气的克分子量18.016(kg/kmol)，v u 孔隙水的部分蒸气压(kPa)，0v u 为同一温度下纯水（不含杂质或盐份的水）平面上方的饱和蒸气压(kPa)，0v v u u 为相对湿度即RH （relative humidity）。如当20°C 时，式可写为：
???????=0ln 135020v v u u ψ (2-2)
由吸力的定义可知，吸力为相对湿度的函数，而相对湿度是水蒸气的部分压力与饱和水蒸气的压力比，它用百分比%表示。同一种土，如果把它放到二种不同的环境，比如一种为干燥环境（40%的相对湿度，相当于经历一天的干燥日晒结果），另一种为湿润环境（95%的相对湿度，相当于阴雨时的大气条件），我们一直等到土中含水量达到稳定为止，所得到的土的状态会完全不同。
在同湿度下，土的塑性越高，它的含水量越大，也就是说这种土的塑性反映了土对水的吸附能力：在72%的相对湿度条件下，Jossigny 粉土在平衡状态的含水量是4%，饱和度是16.9%，而同样条件下一种高塑性土（FoCa 粘土，WL=112%，IP=62）的含水量是18%，饱和度是88%。
通常水头用水柱高度来表达，对于吸力，我们可以用压力的量纲22L
T M 或水柱高度（L）。
用水柱高度在农业研究中较为常见：吸力的大小用pF 表达。pF 值等于用厘米表达的水柱高度的常用对数。
例：100cm 水柱=10kPa，因此，pF2=lg100=10kPa，以此类推，pF3对应100kPa 的吸力，pF4对应1000kPa 的吸力 表2-1 吸力与相对湿度的关系
吸力（MPa）
相对湿度（％） 0
100 10-2
99.9993 10-1
99.927 1
99.277 70
60 126
40
221
20 316
10
土中吸力反映土中水的自由能状态，它有两个组成部分：基质吸力和渗透吸力。它们分别定义为：基质吸力为土中水自由能的毛细部分——是通过量测与土中水处于平衡的部分蒸气压（相对于溶液（具有与水中相同成分）处于平衡的部分蒸气压）而确定的等值吸力。渗透吸力为土中水自由能的溶质部分——通过量测与溶液（具有土中水相同成分）处于平衡的部分蒸气压（相对于与自由纯水处于平衡的部分蒸气压）而确定的等值吸力。总吸力为土中水的自由能——是通过量测与土中水处于平衡的部分蒸气压（相对于与纯水处于平衡的部分蒸气压）而确定的等值吸力。 图2-1 基质吸力、渗透吸力与总吸力
由图2-1可见，基质吸力)(w a u u ?等于)(1v v u u ?；渗透吸力π等于)(01v v u u ?；总吸力ψ则为)(0v v u u ?。其中v u 为土中水弯液面上的部分蒸气压，1v u 为土中水平表面上的
部分蒸气压，0v u 纯水表面上的部分蒸气压。
由上述定义可以看出，总吸力相当于土中水的自由能，而基质吸力和渗透吸力是自由能的组成部分。当非饱和土中水中矿物浓度对吸力影响不大时，即渗透吸力可以忽略时，土中基质吸力即为总吸力。本书中所指吸力主要为非饱和土的基质吸力。
在岩土工程中，有时我们也把吸力叫做负压力，这种叫法的缺点是，吸力被当作压力概念考虑，与吸附力作用下水分的有序排列现象不相吻合。当然对于只有毛细孔张力的砂土来说，负压力称法不是较恰当的，这种叫法的优点是明了而且物理意义强。有时我们也通称吸力为毛细孔张力，这种称谓很明显不适合细颗粒土情况。
二、虹吸现象与基质吸力
毛细管现象产生于水、气交接面，因为在交接面上水分子受力不同于在水中，它们受到合力不平衡的一些相互作用力的作用。在水中，水分子受到同性质压力的作用，而在两流体交接面，水分子受到性质不同的力的作用：与水有关的力和与气有关的力。在交接面上的水分子因此受到两种作用，一是被水体积吸引，二是沿着水面方向被拉伸。是这种拉伸力使产生了表面张力σs 。
一般认为非饱和土中基质吸力的产生源于水气分界面的表面张力。在非饱和土中，表面张力使得孔隙水与孔隙气分界面具有弹性薄膜的性状，这种性状与气球性状相似。当受到土颗粒的吸附作用及孔隙气压力和水压力在分界面两侧产生压力差时，使得交界面弯曲并在膜内产生张力，以维持平衡。从而非饱和土体中孔隙气压力可以大于孔隙水压力，从而产生基质吸力。
设作用于二维薄膜上的压力分别为u 和(u+Δu)，薄膜的曲率半径为R s ，表面张力为T s 。考虑分界面上作用力的平衡可以得到：
ββsin 2sin 2s s uR T Δ= (2-3)
式中2R s sin β为投影在水平面上的薄膜长度。上式还可改写为Δu=T s /R s 。对于鞍形的翘曲表面（三维薄膜），类似地有：
????????+=Δ21
11R R T u s (2-4) 式中R 1和R 2为翘曲薄膜在正交平面上的曲率半径。如曲率半径各向等值(R 1=R 2=R s )，则式可写为Δu=2T s /R s 。在非饱和土中，水气分界面上压力差源于孔隙气压和孔隙水压，而为基质吸力。从而由前式得：
s s w a R T u u 2)(=? (2-5)
上式被称为Kelvin 毛细模型方程。
虹吸现象是水影响非饱和土各种性态的重要因素，通常可用水与空气界面上的表面张力现象来解释。虹吸现象引发毛细管水压，其数值可按下式确定：
r
u u s w a θσcos 2=? u a 和u w 分别为气压和水压；σs 为水的表面张力；θ为水浸湿毛细管壁的角度； r 为毛细管直径。由上式可计算得到，毛细管中水的上升高度h 为：
r
h w s γθσcos 2=
其中γw为水的重度。
膜将最先被冲破，然后依次为b点和c点。当利用轴平移技术时，随着孔隙水压力增高，由于孔隙气与大气相通，气压不变，而吸力较小。水气交界面如同一个“活塞”，吸力增大时，则活塞向孔隙水压方向移动，吸力减小时，则活塞向孔隙气压方向移动。考虑相互接触的两球形土粒间的水气交界面，由于孔隙直径D a>D b>D c，对相同的吸力变化量，含水量变化值Δw a>Δw b >Δw c。在吸力增大的开始时，土体中水份最先从较大的孔隙中排出，相当于模型中水气交界面处于图中a点，此时含水量变化率较大。随吸力增大，土体中孔隙水逐渐排出，相应地模型中水气交界面从a点移动到b点，含水量变化率减小。直到当吸力增大到一定程度后，土体大孔隙中的水份被完全排出，水份处于较小的孔隙中，此时模型中水气交界面处于c点，交界面的曲率半径能够达到较大而不被压力差所击穿，由于孔隙直径较小，从而同样吸力变化情况下含水量的变化幅度较小。
根据上述分析，孔隙的大小于分布对吸力的影响起了决定性的作用，利用体积含水量与吸力建立联系较重量含水量更能反映其基本规律，从而也更合适。例如，水土特征曲线的转折点与土的平均有效孔隙直径相对应。
非饱和土中吸力的传递是通过孔隙水来传递的。当孔隙大小发生变化时，孔隙水的分布也发生变化以保证吸力的平衡。但当吸力超过一定范围时，孔隙水可能为孔隙气所分隔，无法传递吸力，此时利用轴平移技术控制吸力不可能达到预期效果。因此土样所处的水气状态是“完全连通”、“部分连通”、“内部连通”还是“完全封闭”状态对试验结果极为重要。
四、水和粘性土之间的物理和化学作用
膨胀土主要是由强亲水性粘土矿物蒙脱石和伊利石组成的，是一种具有膨胀结构、多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性的高塑性粘性土。作为一种特殊的非饱和土，非饱和膨胀土中吸力的特点具有一般非饱和土中吸力的特点。这样非饱和膨胀土中吸力同样符合前述的传递机理。即孔隙水为吸力传递的媒介，孔隙大小与分布决定了吸力传递与作用。同时，由于水分的迁移，土体的胀缩变形将会影响非饱和膨胀土的孔隙大小及分布情况从而对其吸力构成影响。因此，非饱和膨胀土中吸力的变化规律更为复杂。
由于膨胀土具有遇水膨胀失水收缩的特征，随着水份的迁移，土体会发生胀缩变形，其
孔隙大小及分布情况也随之发生变化，特别是膨胀土在失水收缩变形时会造成土体中裂隙的发育发展，从而对土体中吸力状态及吸力作用效果产生较为复杂的影响。这样，非饱和膨胀土中的孔隙大小与分布随土体中含水量和吸力而变化，吸力作用对含水量的影响规律较为单一的孔隙状态条件下的情况更为复杂。处于较高含水量清凉下，一般膨胀土较高的膨胀土体，在含水量变化时，其土体体积变化较大，土体中孔隙变化也较明显，从而单位吸力作用下含水量的变化量较大；而较小膨胀性的膨胀土的含水量随吸力变化也就较小。处于较低含水量状态时，土体收缩变形趋于稳定，土体孔隙受含水量变化影响很小，此时，其含水量随吸力变化的情况基本不受其膨胀性大小的影响。上述特点反映在水土特征曲线上表现为，较大膨胀性的土体，在高含水量区域曲线较陡，反之则较平缓。同时，低含水量区域土体曲线相差不大。
考虑非饱和膨胀土中吸力的变化应当反映土体应力变形及含水量变化时的胀缩变形对土体性状的影响，也就是土体孔隙大小与分布的影响，建立非饱和膨胀土的渗流固结耦合方程能够真正较系统低反映非饱和膨胀土的应力变形规律，从而具有重要的理论意义。对此已有一些学者进行了很有意义的研究工作，取得了一些成果，但由于问题的复杂性，该课题的研究尚较多的停留在理论阶段。
第三章吸力的量测与控制
吸力是非饱和土力学理论体系的基础和核心概念，是非饱和土区别于饱和土的根本所在，它在解释岩土工程问题中非饱和土的力学性状方面具有重要意义。根据非饱和土力学理论，非饱和土的渗流分析、抗剪强度、体变和沉降计算都和基质吸力有关。因此，正确测量和预测基质吸力随外界条件的变化对判别非饱和土的工程性态，以及研究非饱和土的性质具有十分重要的意义。
吸力可在所有地下水位以上的土中产生，包括地面、斜坡、填土以及土工建筑物。碾压粘土中，基质吸力传递稳定力，使得内部颗粒紧密接触。水渗入碾压粘土时，减弱了毛细水的联系，促使内部颗粒联结处剪力丧失。因此吸力可作为检验路堤碾压质量的一个指标。现场取样中也有吸力，通过与原状土中吸力的比较可判断取样扰动的程度。另外，气候变化时预测路基回弹模量变化，地下水位变动对单桩行为的影响都与基质吸力变化有关。因此吸力测量和分析是非饱和土力学的关键。它不仅需要研制和改进测量仪器，还需要在室内和现场测量中不断积累经验。一些吸力测量的仪器和操作方法已制定成相关标准，例如，张力计和滤纸法测量吸力都已列入ASTM。文中试图较全面地总结吸力测量仪器和测量方法的进展、分析水土特征曲线的影响因素，并对吸力在工程中的应用作初步讨论。
然而，吸力是一个很难量测的物理变量，而且土中基质吸力的变化范围很大，可以从零达到几百MPa，要用可靠的手段较准确地测量这么大范围的吸力值目前仍很困难，往往需要同时用几种量测方法。关于非饱和土的吸力量测至今仍主要停留在研究阶段，更好地解决这一向题尚需更多努力。不同的吸力量测方法列于表，其中实验室内较为常用的为滤纸法、张力计法和轴平移法；现场测试中常采用滤纸法、张力计法和热传导传感器法等。除张力计法和轴平移法通过直接量测孔隙水压（轴平移法还需要控制孔隙气压）来测定土体中吸力外，其余各法均采用间接方法进行吸力量测。土体中吸力传递与作用机理在这张力计法和轴平移法中可得到直接体现。
表 3-1 吸力量测方法比较
量测方法量测的吸力量测范围
(kPa)
特点
湿热电偶法（湿度）总吸力 100-8000
要求恒温环境，间接量测方
法
滤纸法总吸力全范围当与土体接触良好时，可量
测基质吸力
张力计法量测负孔隙压力或基质
吸力(当孔隙气压为大
气压时)
0-90
存在气蚀和通过陶土头的
空气扩散问题
张力板法（轴平移）基质吸力 0-1500
量测范围取决于陶土板进
气值
热传导传感
器法基质吸力 0-1500
间接量测方法，受环境影响
较大，平衡时间较长
挤液法渗透吸力全范围需同时使用张力计或量测
导电率
一、湿度计法
用热电偶湿度计可量测土中的相对湿度从而获得总吸力.岩土工程常用的湿度计—Peltier湿度计(又叫Spanner湿度计)的是利用Seeback效应和Peltier效应，并通过湿度、温差、电压输出三者之间的联系，由电压输出值反映空气湿度。湿度法的原理是测量非饱和土中孔隙水周围的相对湿度，然后通过开尔文定律把湿度换算成吸力。相对湿度是通过测定露点温度来完成的。空气越干燥，露点越低。湿度计主要包括两种基本类型：湿环型和Peltier 型。两者的工作原理均为测出无蒸发面（即干球）和有蒸发面（湿球）之间的温差，这两个面的温差与相对湿度直接相关。湿环型与Peltier型湿度计的差别在于，增加蒸发量而加湿蒸发接点的方式不同。Peltier型湿度计在岩土工程中最为常用，工作原理为Seeback效应和Peltier效应。
常用的热传导相对湿度计的原理是：开始温度传感器的探头通过Peltier效应被降低到低于露点温度，这时探头上由于凝结出现小水珠，水珠然后随时间蒸发，从而引起探头上温
图3-2 CR-7型湿度计
使用湿度计的主要量测过程：
1．量测前，湿度计与周围大气之间必须达到等温平衡，电压读数为零；
2．15秒后，微电流（5mA）从湿度计线路的镍铜线流向镍铬线15秒，由于Peltier效应，沿此方向的电流将使量测接点冷却，随着量测接点的温度凝结、凝固过程中，量测接点的温度保持在相对的露点温度；
3．15秒冷却完成后，Peltier电流终止；
4．冷却一旦停止，量测接点凝结水便开支向大气蒸发，接点温度降到露点以下，微电
压表纪录电动势（为量测接点与基准接点的温差的函数）Seeback效应微电动势最大值为周
围大气相对湿度的函数，大气愈干，输出微电压愈大；
5．一旦达到最大值，微电压读数便迅速下降，输出下降表明，量测接点迅速上升，达
到周围或基准点温度。
通过量测微电压即可得到土孔隙中的气体或土附近空气的相对湿度，继而量测土的总吸
力。测量前，应先对湿度计进行率定，作出电压一吸力曲线。测量时，将湿度计悬挂在装有
土样的封闭装置内，记录下电压输出的最大值，从率定曲线上查出对应的总吸力值。注意：
必须待密闭室内土、空气和湿度计达到等温平衡后才能进行率定或测量，环境温度必须严格
控制在±0.001 °C。其特点：
(1)优点：未引人多孔介质，不会受多孔材料储水特性的影响，从而可在较短时间内较
准确地测量高值吸力。
(2)缺点：率定、测量的设备都较复杂，对环境要求高，无法用于现场量测；无法测低
于100 kPa的吸力值，热电偶在酸性环境中易腐蚀，每次率定或使用后，一定要按厂家说明
彻底清洗；用不干净或不合格的湿度计测出的结果很难分析。
(3)应用：可在实验室条件下，将湿度计作为测量高吸力的标准元件，在高吸力范围率
定其它吸力量测设备或校核新型吸力量测设备的量测结果等。
湿度法较复杂，而且不适用于低吸力值（高湿度），因此在土力学中应用不太广泛（Edil
等1981，Verbrugge 1978，Zerhouni 1995）。但近年来由于核废料贮存科研的需要，高吸力变
成了“热点问题”，湿度测量法应用开始广泛起来。一般的湿度计的测量范围在1-7MPa（95%
的相对湿度）之间。湿度若低于95%，气体环境中的水分子数量变得太稀少，无法达到凝
结状态。这一上限可被使用镜式湿度计大大推远。利用这种湿度计，水凝结在一面温度控制
玻璃镜上实现，凝结的发生是由电子控制系统探测，此系统发射出一束光到镜子上面，然后
通过分析折射光束来确定凝结是否发生。这种湿度计测的吸力值可达几十兆帕。
表3-2 NaCl溶液的渗透吸力（kPa）
摩尔浓度0oC 7.5oC 15oC 25oC 35oC
0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
0.2 836 860 884 915 946
0.5 2070 2136 2200 2281 2362
0.7 2901 2998 3091 3210 3328
1.0 4169 4318 4459 4640 4815
1.5 6359 6606 6837 7134 7411
1.7 7260 7550 7820 8170 8490
1.8 7730 8035 8330 8700 9040
1.9 8190 8530 8840 9240 9600
2.0 8670 9025 9360 9780 10160
表3-3 KCl溶液的渗透吸力（kPa）
摩尔浓度0oC 10oC 15oC 20oC 25oC 30oC 35oC
0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
0.1 421 436 444 452 459 467 474
0.2 827 859 874 890 905 920 935
0.3 1229 1277 1300 1324 1347 1370 1392
0.4 1628 1693 1724 1757 1788 1819 1849
0.5 2025 2108 2148 2190 2230 2268 2306
0.6 2420 2523 2572 2623 2672 2719 2765
0.7 2814 2938 2996 3057 3116 3171 3226
0.8 3208 3353 3421 3492 3561 3625 3688
0.9 3601 3769 3846 3928 4007 4080 4153
1.0 3993 4185 4272 4366 4455 4538 4620
二、张力板和张力计法
张力计技术是最简单且应用最广泛的吸力测量技术。总的来说张力计原理类似压力传感
器原理，只不过前者量测的是张力性质的水的负压，而后者是正压。为了测量水张力，我们
需要使用前面提到的陶瓷板，其作用是在饱和状态下保证液态水在土与水槽之间的连续性，
应注意的是，陶瓷板的饱和质量与张力计的正常使用密切相关。饱和质量越高，吸力测量值
就会越大。水张力通过陶瓷板传到压力计水槽，造成管中水柱降低，降低高度即是土中吸力
值。如果我们用一压力传感器代替土中U形压力计，与测正压力的情况相反，传感器贴应
变片的金属膜在吸力的作用朝另一方向弯曲，实地测量中经常使用的张力计带有一显示盘，
从上面可以直接读出土中吸力值。
张力计法量测土中的负孔隙水压力。张力计由高进气值陶瓷头与压力量测装置组成。两
者用一小管连接。小管通常用塑料做成，它的导热性低而且不腐蚀。管和陶瓷头用除去空气
的水充满。将陶瓷头插入预先挖好的孔中直到与土良好接触。当土和量测系统之间达到平衡
时，张力计中的水将同孔隙水具有相同的负压。因为张力计中的水可能出现气蚀现象，使得
张力计能够测定的孔隙水压力限度约为负90kPa。当吸力达到90 kPa以上时，张力计连接管
中将出现气泡，大大影响测量精度。当孔隙气压力等于大气压时，测得的负孔隙水压力在数
值上与基质吸力相等。当孔隙气压力大于大气压时，张力计的读数同周围孔隙气压力相加就
等于土的基质吸力。因土中可溶盐能够自由通过陶瓷头，张力计法不能量测土中的渗透吸力。
使用要求：①量测系统中一旦出现空气就会使封闭系统的孔隙水压力量测错，确保张
力计管中始终无空气至关重要。使用前，必须确保陶瓷头无堵塞、无裂缝，然后尽可能地除
去张力计中的空气，并将张力计的陶瓷头和塑料管用去除空气的水饱和。②在地面记录到的压力表读数必须根据张力计管中的水柱高度进行位头修正。
应用：无论野外还是室内，在量测-85kPa范圈的基质吸力时，可优先考虑使用张力计，还可利用张力计对其它某些吸力量测设备在-85kPa范围进行率定。
技术优势:①不受外界环境限制，而且体型小、易携带，室内、野外量测都适用。②正、负孔隙水压力都能侧，且反应较迅速。在要获得现场吸力剖面的野外量测中，如遇下雨，吸力剖面将迅速变化，此时这种迅速反应的特性就显得特别重要.③直接测量，无须事先率定。不但人工测读方便，还可用数据采集系统自动读数，便于野外无人测量。
局限性：①张力计的陶瓷头必须与土接触良好，以确保土中水与张力计管中水连续，但这一点(尤其是在野外时)不易确定。②陶瓷头较脆弱、易开裂，一旦开裂便不能再用。
③测量范围会受“气蚀”现象的限制：当孔隙水压力接近负一个大气压时，水会气化，使量测系统中进气而无法正确读数。可见，用张力计量测到的负孔隙水压力的绝对值不会超过一个标准大气压。④量测范围还会受陶瓷头的进气值的限制：要保证陶瓷头的进气值必须大于待侧的基质吸力，否则空气将穿过陶瓷板进入盘测系统。
张力计测的吸力值由于汽化现象一般限制在80kPa以下，Ridey和Burland（1993）把此限制用他们设计的仪器推到1500kPa。其主要原理是把水槽厚度减小到毫米水平，这样可以减小形成非净核而致汽化的概率，这一贡献的主要意义在于它弥补了传统张力计（0-80kPa）和湿度计（>1MPa）的测量范围缺陷。
英国帝国理工大学发明了一种快速高量程张力计，非常适用于测定非饱和土中基质吸力，能极大地简化吸力量测技术，缩短试验周期，是目前国际上广泛使用和先进的直接量测吸力设备。1993年英国Ridley和Burland成功研制出帝国理工学院张力计，可测量高达1．8 MPa的吸力，即吸力探头中的水可以承受近1．7 MPa的张力而不产生气蚀。该张力计在陶瓷头和高精度压力传感器之间的缝隙中仅装有3 nm3脱气水。水体积减小加快了反应时间(更重要的是抑制了气泡的产生)，只需几分钟就可直接测量高达1500 kPa的吸力。只要张力计充分浸润，产生气蚀的应力可与陶瓷头的进气值相近，作为预防，测吸力前施加4OOO kPa 的预压力。测量时用饱和薄泥浆敷在陶瓷头上，与土体良好接触。但该张力计不适合长期测量，且钻孔后应立即测量；
英国Leicester市Druck公司生产的微型探头PDCR81仅重3 g，直径为6．5 mm，达到平衡和对孔隙水压力变化的反应都比传统张力计更快。但是PDCR81探头必须被充分饱和，否则，将比传统张力计产生更大的测量错误。Meilani等人改换高进气陶瓷板，使其与压力传感器之间的水膜仅厚0．41mm，用于测量三轴试样的负孔隙水压力(见图1)。试验表明，测量400 kPa吸力延续了15 h，测量200kPa吸力延续了155 h。
Becker等人为了研究受周期荷载作用的非饱和土的特性，将张力计量测技术和轴平移技术结合起来(ATM—tensiometer technique)，对三轴实验装置进行改进，轴向荷载由油压系统控制，径向荷载由水压系统产生，使张力计的量测范围达到85～285kPa。且对孔隙水压力的变化反应很快。
美国学者曾用化学技术来改进张力计。用微型孔压传感器PDCR81测试用不同粘度的饱和液体时的反应，发现在测量低于-100 kPa的吸力时，选用高粘度的饱和液体(脱气水中掺入一定重量比的甘油)，湿度平衡和维持平衡时间都将延长。这对于某些情况下，希望达到湿度平衡和维持平衡的时间更长时十分有意义。
巴西圣保罗大学Marinho也强调化学技术可以减少小气泡(通常隐藏在容器壁上的裂隙中)，降低浸润装置所需的预压力，但需考虑渗透影响。由于渗透效应，张力计读数不稳定，逐渐减小。1997年他和Pinto成功研制出HCT张力计(high—capacity tensiometer)，能测600 kPa的吸力，解决了张力计的气蚀问题。仪器用反复加压卸压lO次饱和，最大预压正应力
达3.5MPa。他在试验中发现：多孔陶瓷头与土样间涂上一些泥浆既可以减小张力计中水的扩散，也可增加装置的进气值，且泥浆的含水量对张力计的反应时间影响很大，含水量越大，则反应时间越长。
三、新热传导探头
1997年加拿大Saskatchewan大学研制成功一种新热传导探头，它是由特制陶瓷探头和改进的电子仪器组成的。陶瓷探头耐久性能得到了很大提高。在电子设计方面，温敏元件采用超高集成电路，其输出信号经调频技术处理后非常清晰稳定。稳流设计采用200 mA定值电流，补偿因导线长度不同和环境温度变化的电阻差异，从而得到精确且能再现的读数。该探头测量范围5～1500 kPa，精确率大于95％，适合所有土质和长期埋设，还可以测土的温度，但不能在冰冻环境测土的吸力。
四、时域反射计
时域反射计(TDR)是由陶瓷传感器与短探杆组合做成的，用压力板仪率定。它用驻波技术测土的介电参数，介电参数又与体积含水量紧密关联，因此可测含水量。测量过程如下：给探测器加上电压脉冲，传至探杆端部再返回，记下时间差t。首先用公式k a=(ct／21)2(其
中，k 为介电常数；c为光速；f为杆长)计算出k a，然后运用Topp方程(1980)：θ=-0.053+0．0292k –5.5×10-4 k a2 +4.3×10-6 k a3，得到θ (体积含水量)，最后由探头的率定曲线推测出基质吸力。介电常数k a除了主要随土体的含水量变化外，还受土体比重、温度、含盐量、矿物成分等参数的影响，其中以土的粒径大小和容重对率定曲线k a～θ影响最大。
使用TDR测量湿度最简单也是最准确的方法，是所谓“时域反射测量”（Time Domain Reflectrometry，简称TDR），测量结果立时可得，并较为准确（无破坏性）。TDR方法的基本原理，是在土样中的各个测量针之间，测量某一电磁脉冲的传播时间。这个传播时间取决于待测媒介物的湿度。本套仪器非常适用于测定非饱和土含水量或饱和度，能极大地简化吸力量测技术，缩短试验周期，是目前国际上广泛使用和先进的间接量测吸力设备。
五、电容式吸力仪
电容式吸力仪的工作原理是：在陶瓷探头与周围土湿度平衡后，利用陶瓷头的土水特征曲线，根据陶瓷头的含水量就可以查得土的基质吸力。因为纯水与多孔陶瓷的介电常数相差甚大，探头的介电常数可直接反映含水量大小，所以可用电容标定含水量，电容再转换为电压信号输出，最后通过压力板仪率定吸力仪的“基质吸力一电压输出”关系曲线。现场测量时，只需测出探头的输出电压就可确定土的基质吸力。
该仪器适合测量200 kPa以下吸力，可连续读数，灵敏度高且陶瓷头细微破损对读数影响不大，但需考虑溶于孔隙水中的电解质对传感器输出值的影响。
六、粒基传感器
多孔块(Porous block)测基质吸力的原理是含水量(吸力)和电阻的对应关系。在多孔块中植入两个同心电极，测电阻即可求得吸力。多孔块一般用石膏制成，具有价格低和易操作的优点，但石膏吸水饱和后会软化。粒基传感器用粉粒基质代替石膏，这就避免了软化的问题，且孔隙分布均匀。
由美国加州Irrometer公司生产的Watermark粒基传感器可测0～200 kPa范围的基质吸力。
七、轴平移技术
轴平移技术来源于首先由土壤学家们提出的气压法（Richards 1941）。其原理为：一个密封容器的底部装一陶瓷板，其上置土试样。为保证陶瓷板的饱和状态，它被放在一受大气压力的水容器里。像前面所提到的那样，由于陶瓷板的孔极小，必须加到其进气值它才能变成非饱和。应用Jurin定理我们会很容易地得出，对于进气值为500kPa的陶瓷板，其最大孔应是0.29μm。我们也可以用半透膜来代替陶瓷板，在这种情况下，只需要把半透膜放在常用透水石上面。在下一节里我们会看到这种半透膜是渗透法控制吸力的最基本的材料，只不过这里把它当作陶瓷板使用。由于半透膜的孔极小，直径在5nm左右，所以其进气值很高。用它可获得很高的吸力值。这对各种粘性土是很有用的。无论是用陶瓷板还是用半透膜，重要的是要保证土样与它们的接触效果，以便使土样与它们进行正常的水交换。按此原理，我们不难看出，土中的水压力应等于水容器中的水压力，即大气压，也就是说土中水压力可按常规取零值（u w=0）。
轴平移技术就是基于气压法而形成的用以解决“气蚀”间题的一种实用方法，是室内量测和控制高基质吸力的基本技术。简单的说，该技术就是将负孔隙水压力的基准从标准大气压向上平移到压力室的最终压力，以使量测系统中的水压力不会出现很高的负值，最终避免
了气蚀问题。轴平移技术的基本条件是：
在基质吸力量测过程中保持没有水的流动。压力板仪相当于采用轴平移技术后的一种改进张力计：将非饱和土土样放入压力室，饱和的高进气值陶瓷针头一端插入土中，另一端由充满蒸馏水的连接管连到压力室外的零型压力量测系统上。针头一插入非饱和土，量测系统中的水便进入张拉状态，应迅速封闭压力室，增加压力室内的气压，遏制量测系统中的水受到进一步张拉，直到作为零指示器的水银塞保持不动，达到平衡。此时室内的空气压力与测得的孔隙水压力的差值即土的基质吸力。
应用：轴平移技术适用于室内实验，且最适于具有连续气相的土.一般说来，该技术的精确程度较高，装置也并不复杂。压力板仪可作为其它吸力量测设备的率定装置，还可用于实验室测定土一水特征曲线及抗剪强度参数等。
存在间翅：① 采用轴平移技术进行长期试脸时，很难保证水压力量测系统中始终没有气泡：由于土样和高进气值陶瓷板的透水系数都较低，平衡时间往往会较长。在此期间孔隙空气可能会通过高进气值陶瓷板中的水而扩散，并以气泡状态出现在陶瓷板下，使所测的基质吸力偏低。② 陶瓷板的进气值与板的最大孔径成反比，而渗透系数却随板孔径的变大而变大。陶瓷板的进气值和渗透系数之间有此强彼弱的矛盾。
气压是通过一加压阀加到密封容器里的，由于所加气压大于水压，我们人为地施加了一正吸力值：
w a u u s ?=
实验时，几厘米大的土样在气压（吸力）的作用下与外界交换水，几天后达到平衡。之后压力被卸掉，试样被用最快的速度从容器中取出，以便测定其对应吸力下的含水量。
轴平移法被岩土工程学家应用到了常规土工试验设备上，像固结仪、三轴剪切仪、直剪仪等。最大吸力控制值通常是1.5MPa 。由于施加的是气压，考虑到气的高压缩性，气的缩存能量是相当大的，因此为安全起见，非饱和土试验仪器都是尺寸很大的金属制造的。在西班牙最近为适应核废料处理中应用的膨胀粘土物理研究的需要，用轴平移法吸力被加到了几十个MPa ，这当然又把仪器的安全尺寸提到了一个新的高度（Vilan 1995）。
八、渗析法
渗析法最初在生物学里被用来进行血液净化，这种方法需同时使用半透膜和聚乙二醇水溶液。聚乙二醇的分子很大，由碳氢（C 2H 4）链组成。其摩尔质量可从1000到20000。
鉴于半透膜的孔小而聚乙二醇的分子很大，只有溶液中的水分子可穿过半透膜。当一土样被置在半透膜上，在膜的另一面流动着聚乙二醇溶液时，渗透吸力就会作用在土上。溶液浓度越高，吸力就越大。Delage 等 1998，Williams 和Shaykewich 1969给出了至今不同作者得到的吸力与浓度的关系曲线。其中聚乙二醇的摩尔质量包括1500，4000，6000和20000。很明显，吸力浓度关系与摩尔质量无关，只不过大的摩尔重量只能用来获得较低的吸力，而小的摩尔质量吸力的范围较宽，从零到12MPa 。值得提出的是，小摩尔质量意味着分子尺寸小，用其控制吸力就需要用孔隙更小的半透膜。由于孔隙小就等于渗透系数小，这样平衡周期就长。因此在渗析法的使用中，重要的是根据土中吸力的大小合理选择聚乙二醇和半透膜的种类。当吸力小于6.25MPa （5.2
211c s = （8）
对吸力包括在6.25和12MPa 段，关系曲线是线性的。
渗析法可应用于水的滞留曲线确定中。将一土样用半透膜裹起，然后被悬浮于某一浓度
的聚乙烯溶液里。盛放溶液的容器搁置在电磁振荡器上以便保证溶液的均匀性。在土样周围置有几道橡皮筋以保证渗透膜与土样的接触质量。在渗透吸力的作用下，土与溶液发生水的交换。如果土中吸力大于溶液所加吸力，水从溶液里进到土中；相反如果土中吸力低于所加吸力，土丢失水份到溶液里去。很明显，为了使交换水份不影响溶液的浓度，我们必须保证溶液的体积相对很大。对于常规土工实验通常所用的试样尺寸，溶液的体积一般要在1升以上。溶液的浓度控制是通过使用手持式糖度折射仪来完成的。图3-3所示为使用渗析法控制土样中吸力的示意图。
用此方法达到平衡状态一般需4-5天时间，当平衡达到后，土样被从半透膜中取出，通过称重来确定它的含水量。
渗析法的最大优点是土中吸力不是通过人工气压产生的，土中气压一直等于大气压，水压是真正地为负值。这种状态因此与大自然的实际状况相符。此外，从安全角度上讲，跟轴平移法相反，12MPa的吸力可以在不采取任何安全措施的条件下达到。
图3-3 采用渗析技术控制土样中的吸力
九、滤纸法
滤纸法是一种简便适用的测试方法（Gardner 1956，Fleureau和Taibi 1995,Mitchell 1993，Chandler和Gutierrez 1986）。任何实验室只要具备精度在1/10000g的电子天平都可以应用此法。常用的滤纸是Whatman 42号，其滞留曲线（吸力-含水量曲线）已预先确定（Parcevaux 1980，Fawcett和Collis-George 1967）。使用中，试样从中间切开，然后放进三层定量分析滤纸和两张保护滤纸。然后把土、纸一起用蜡封好以防水蒸发，吸力平衡后（至少24小时），从中取出测量过滤纸，然后用称重的方法确定滤纸的含水量，这样通过滞留曲线定出吸力值，此吸力值也就是土中的吸力值。试验结果表明二条滞留曲线相应于不同的路径。Parcevaux 的曲线是脱水路径，而Fawcett和Colli-George的曲线是润湿路径。因此如果使用Parcevaux 的曲线，滤纸在使用前应先润湿。
滤纸法属于测定土中吸力的“间接法”，可用于量测土中的总吸力或基质吸力。滤纸是作为传感体使用的。滤纸法是建立在滤纸能够同具有一定吸力的土达到平衡（水份流动意义上）的假设基础上。土与滤纸之间的水份或水蒸气交换可以达到平衡。当干的滤纸放在土样上，与土样直接接触时，水份便从土流入滤纸，并达到平衡。当干的滤纸悬置与土样上方（即不直接接触土），水蒸气将从土样进入滤纸，并达到平衡。量测达到平衡时滤纸的含水量。因滤纸的含水量同吸力值有一定的关系（滤纸率定曲线），从而可得到土样中吸力的量值。从理论上讲，当滤纸与土样直接接触时，滤纸的平衡含水量相当于土的基质吸力。另一方面，当滤纸与土样不直接接触时，滤纸的平衡含水量相当于土的总吸力。因此，同一率定曲线可
用于测定基质吸力与总吸力。滤纸法可用于量测很大范围的吸力值，量测通常在实验室内，用取自野外的原状或扰动土样进行。
显然利用滤纸法测量土中的吸力首先要对滤纸进行率定，而目前只有少数学者对国产滤纸的率定技术进行过研究。滤纸法的量测与率定技术可参照ASTM 标准执行。滤纸应为燃烧后无灰烬的定量分析型滤纸。国际上常用的滤纸品牌有Whatman No.42和Schleicher 或Schuell No.589。同一品牌的滤纸可认为是相同的，其含义为具有相同的率定曲线。迄今为止，这两种滤纸已经得出比较认同的吸力率定曲线，在工程上也得到了初步应用。ASTM 和Amraoui 推荐的公式：
%3.45%3.450135.0412.2log 0779.0327.5log >
当当 %8.39%8.390165.0478.2log 0882.0334.5log >
其中 s 是土样中的吸力（kPa ），w f 为滤纸的含水量（%）。
而在国内此部分工作也有一些文献报道，原武汉水利电力大学曾进行过此项工作，中国辐射防护研究院也曾对国产滤纸（杭州新华造纸厂生产的“双圈”分析滤纸）进行了吸力率定。考虑到在土壤水分特征曲线试验中，一般用M 公式进行拟合，对于试验结果，他们也用之进行了拟合。拟合公式为：
()[]
m n r s r s a ?+=??11θθθθ 式中 θ为含水量；θs 为饱和含水量；θr 为残余含水量；a 、n 、m 分别为拟合参数，其中m=1-1/n ；s 为吸力，取正值。国内学者王钊等人使用“双圈”分析滤纸得到的率定曲线为：
相应的率定曲线如图3-5所示。
图3-5 三种滤纸的率定曲线比较
滤纸法使用的设备包括：大、小金属容器，绝缘箱，天平及烘箱。通常做法是使用干滤纸使其从土样中吸收水份以达到平衡。率定曲线都是用起始状态为干的滤纸进行率定得到的。因此如果量测吸力时采用起始状态为湿的滤纸，则需要用起始状态为湿的滤纸建立新的率定曲线。滤纸先放进烘箱中烘烤若干小时。干的滤纸冷却后放入干燥器中贮存。同时将土样装入大容器。为减少平衡所需时间，土样要差不多装满容器。采用“不接触”法时，将一张干滤纸悬置于土样上方。采用接触法时将三张滤纸叠放在土样之间，与土样直接接触。接触法中，当中一张滤纸通常用于量测吸力，而外面两张滤纸主要用于保护当中那张滤纸不受
来自土的污染。滤纸和土样装入大容器后，立即用绝缘胶带将容器密封起来，然后放入绝缘箱里等待平衡，平衡过程中应尽量保持温度变化不大。滤纸中的吸力通常须要7天的时间才能达到平衡。
平衡终了时，用镊子将滤纸取出，快速放入小容器并盖紧盖子，立即称重。然后将装有滤纸的小容器打开盖子放入烘箱干燥，之后称量滤纸的干重量。根据滤纸的干重量和湿重量便可计算得到滤纸的平衡含水量。依据滤纸的平衡含水量，从率定曲线求得平衡吸力值。滤纸的平衡吸力值也就是土中吸力值。
需要指出的是，滤纸法技术要求较高，同操作者的关系很大，测定滤纸含水量时必须十分细心。天平精度应达到0.0001g。每张干滤纸约重0.52g，如含水量为30%，滤纸中的水份仅为0.16g左右。
以下是Amraoui推荐的使用滤纸法量测土中吸力的具体步骤：(1) 准备一些圆柱形的土样（h=2.0cm，Φ=5cm）；(2) 将三张干燥滤纸（WHATMAN No.42）放置于两块土样之间，中间那张滤纸用来量测土中的基质吸力，而外面两张用来保护中间滤纸免于被土样污染；(3) 另取一张滤纸悬挂于土样附近，用以量测土中的总吸力；(4) 将所有这些东西放置于一个密封良好的储罐中，大约经过十天之后，罐内的土与滤纸之间的水汽交换趋于稳定；(5) 量测滤纸的含水率并计算吸力；(6) 量取土样的含水率并绘制土样的水滞留曲线。
滤纸
国外学者对滤纸法与湿度计测量的总吸力值进行比较发现：①滤纸不接触法测量总吸力结果比较离散且比湿度计高。主要原因是在低吸力范围不接触滤纸的含水量对吸力变化反应不灵敏。而接触法测量基质吸力与C52湿度计相近。因此滤纸不接触法不适合测量低吸力；
②滤纸测基质吸力时，初始干燥的比浸湿的对含水量变化更敏感，而测量总吸力时这一点没有影响。因此测基质吸力时，应优先使用干燥滤纸；③在高含水量土样中测量时，滤纸法与湿度计对含水量的微小变化都很敏感，吸力值离散度大，须注意高含水量低吸力值的不稳定性。相比较而言，滤纸法的结果稳定收敛一些。两种方法在低含水量高吸力区域结果都稳定可靠。
王钊等研制了一种用橡皮气囊加压使滤纸与土孔壁紧密接触，经过平衡时间后，放气取出滤纸测其含水量，通过率定曲线求基质吸力的仪器。文中还比较了滤纸与土接触时，不同的接触面积比对测量结果的影响，以及现场测量的数据。
同济大学物理学复习提纲 第一章土的物理性质及其工程分类 ?学习目标： ?掌握土的物理性质和土的物理性质指标计算方法，掌握土的工程分类方法。 ?学习基本要求： ?1．了解土的成因和组成 ?2．掌握土的物理性质指标 ?3．熟练掌握无粘性土和粘性土的物理性质 ?4．了解土的结构性和击实性 ?5．掌握土的工程分类原则，土的类别与其工程特性的关系 第一节土的三相组成 ?土是由固体颗粒、水和气体三部分组成的，通常称为土的三相组成。 ?随着三相物质的质量和体积的比例不同，土的性质也将不同。 ?土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质。 一、土的固相 ?土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架最基本的物质，称为土粒。 ?对土粒应从其矿物成分、颗粒的大小和形状来描述。 （一）、土的矿物成分 土中的矿物成分可以分为原生矿物和次生矿物两大类。 （二）土的粒度成分 定量地描述土粒的大小及各种颗粒的相对含量的方法（间接的方法）： ?对于粒径大于0.075mm地土粒常用筛分析的方法； ?而对小于0.075mm的土粒则用沉降分析的方法。 粒度成分：不同粒径颗粒的相对含量。描述土的颗粒组成情况。 1、土的粒组划分（p6表格自己看着办） 粒组：大小相近的土粒合并为组，称为粒组。 2、粒度成分及其表示方法 ?土的粒度成分是指土中各种不同粒组的相对含量（以干土质量的百分比表示），它可用以描述土中不同粒径土粒的分布特征。 ?常用的粒度成分的表示方法有：表格法、累计曲线法和三角坐标法。 （1）表格法：是以列表形式直接表达各粒组的相对含量的方法。 （2）累计曲线法：是一种图示的方法，通常用半对数纸绘制，横坐标（按对数比例尺）表示某一粒径，纵坐标表示小于某一粒径的土粒的百分含量。 ?在累计曲线上，可确定两个描述土的级配的指标： 不均匀系数：；曲率系数：（描述累计曲线整体形状的指标）?d10，d30，d60分别相当于累计百分含量为10％，30％和60％的粒径； ?d10 称为有效粒径； ?d60称为限制粒径。 ?不均匀系数C u反映大小不同粒组的分布情况：
第2章土的物理性质及分类（答案在最底端） 一、简答题 1.什么是土的物理性质指标？哪些是直接测定的指标？哪些是计算指标？ 1.【答】 （1）土的各组成部分的质量和体积之间的比例关系，用土的三相比例指标表示，称为土的物理性质指标，可用于评价土的物理、力学性质。 （2）直接测定的指标：土的密度、含水量、相对密度d s；计算指标是：孔隙比e、孔隙率n、干密度d、饱和密度sat、有效密度’、饱和度S r 2.甲土的含水量大于乙土，试问甲土的饱和度是否大于乙土？ 3.什么是塑限、液限和缩限？什么是液性指数、塑性指数？ 4.塑性指数对地基土性质有何影响？ 5.什么是土的冻胀性？产生机理是什么？ 6.说明细粒土分类塑性图的优点。 7.按规范如何对建筑地基岩土进行分类？ 7. 【答】 作为建筑地基的岩土，可分为岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土。 8.甲乙两土的天然重度和含水量相同，相对密度不同，饱和度哪个大？ 9.简述用孔隙比e、相对密实度D r判别砂土密实度的优缺点。 10.简述野外判别碎石土密实度方法？ 11.什么是土的灵敏度和触变性？试述在工程中的应用。 12.说明下图2-1中各图的横纵坐标，同时标出单位。 （a）级配曲线（b）击实曲线（c）塑性图
图2-1 13.影响土压实性的主要因素什么？ 14.什么是最优含水量和最大干密度？ 15.为什么含水量<最优含水量op时，干密度d随增加而增大，>op时，d随增加而减小？ 16. 在填方压实工程中，土体是否能压实到完全饱和状态？为什么？（华南理工大学2006年攻读硕士学位研究生入学考试） 17.影响土击实效果的因素有哪些？ 18. 为什么仅用天然含水量说明不了粘性土的物理状态，而用液性指数却能说明？（长安大学2007年硕士研究生入学考试） 二、填空题 1.粘性土中含水量不同，可分别处于、、、、四种不同的状态。其界限含水量依次是、、。 2.对砂土密实度的判别一般采用以下三种方法、、。 3.土的天然密度、土粒相对密度、含水量由室内试验直接测定，其测定方法分别是、、。 4. 粘性土的不同状态的分界含水量液限、塑限、缩限分别用、、测定。 5. 土的触变性是指。 6. 土的灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后土的强度降低越。 7. 作为建筑地基的土，可分为岩石、碎石土砂土、、粘性土和人工填土。 8. 碎石土是指粒径大于mm的颗粒超过总重量50%的土。 9.土的饱和度为土中被水充满的孔隙与孔隙之比。 10. 液性指数是用来衡量粘性土的状态。 三、选择题 1．作为填土工程的土料，压实效果与不均匀系数C u的关系：( ) （A）C u大比C u小好 (B) C u小比C u大好 (C) C u与压实效果无关 2.有三个同一种类土样，它们的含水率都相同，但是饱和度S r不同，饱和度S r越大的土，其压缩性有何变化？( ) (A)压缩性越大 (B) 压缩性越小 (C) 压缩性不变
同济大学本专科课程期终考试（考查）统一命题纸 A 卷 一、 选择题：（20分） 1. 评价粘性土塑性大小的指标常用______________。（ B ） A.塑限p w B.塑性指数p I C.液性指数L I D.液限L w 2. 土中的水中，__________能够传递静水压力。（ C ） A.强结合水 B.弱结合水 C.重力水 D.弱结合水和重力水 3. 在一个较厚的高塑性粘土天然地基上，当建筑物的施工速度较快时，分析地基强弱 和稳定性的c 、?指标应当采用___________。（ A ） A.不固结不排水试验 B.固结不排水试验 C.固结排水试验 4. 衡量砂土密实度是否良好，常用__________指标判定。（ C ） A.密度 B.超固结比 C.标准贯入击数 D.孔隙比 5. 砂类土的坡角β>?（内摩擦角）时，土坡将___________（ A ） A.失稳 B.稳定 C.处于极限平衡状态 D.不一定 6. 某2cm 厚软土试样，初始孔隙比e 0=1.0，做压缩试验后孔隙比变为e =0.8，即此时 土样的高度应为_____________（ C ） A. 1.2cm B. 1.6cm C. 1.8cm D. 1.0cm 7. 土的压缩系数越_____、压缩模量越______，土的压缩性就越大。（ A ） A.高，低 B.低，高 C.高，高 D.低，低 8. 在条件相同时，方形基础下地基附加应力的影响深度较等宽的条形基础下的影响深 度________。（ A ） A.小 B.大 C.相等 D.难以确定 9. 土中某点处于剪切破坏时，剪破面与大主应力作用面间的夹角是________。（ B ） A.90o +? B.45o + 2? C. ? D.45o -2 ? 10. 动水力的量纲是__________。（ D ） A.kN B.kN/m C.kN/m 2 D.kN/m 3 二、 简答题：（22分） 1. 产生流砂现象的力学、土层条件是什么？ 答：流砂现象是流土现象的一种，其发生的力学条件为水力梯度持续增大，单位渗透力f
同济大学本专科课程期终考试（考查）统一命题纸 B 卷 2004—2005学年第一学期 课程名称：土力学 课号： 任课教师：楼晓明、梁发云、李镜培 周 健、姚笑青、钱建固 专业年级：土木工程02级 学号： 姓名： 考试（√）考查（ ） 考试（查）日期：2005年 元月12日 出考卷教师签名：楼晓明、梁发云 教学管理室主任签名：李镜培 一、选择题；（20分） （ C ）1、下面的几类土中________是由土的颗粒级配进行分类的。 A 、杂填土； B 、粉质粘土； C 、碎石土； D 、黄土。 （ C ）2、对粘性土进行分类的指标是： A 、塑限； B 、液限； C 、塑性指数； D 、液性指数。 （ B ）3、对同一种土，五个重度指标的大小顺序是： A 、γsat > γs > γ > γd > γ'； B 、γs > γsat > γ > γd > γ'； C 、γs > γsat > γd > γ > γ'； D 、γsat > γs > γd > γ > γ'。 （ B ）4、下列土层中， 最容易出现流砂现象。 A 、粗砂； B 、粉土； C 、粘土； D 、粉质粘土。 （ A ）5、下列饱和软粘土平均固结度的计算公式，哪个是错的： A 、积起始超孔隙水压力图面积 某时刻的有效应力图面- =1U ； B 、 积起始超孔隙水压力图面积某时刻的有效应力图面= U C 、 积起始超孔隙水压力图面面积某时刻超孔隙水压力图- =1U ；D 、积最终有效附加应力图面积某时刻的有效应力图面= U ； （ A ）6、室内侧限压缩试验测得的e -P 曲线愈陡，表明该土样的压缩性： A 、愈高； B 、愈低； C 、愈均匀； D 、愈不均匀。 （ B ）7、土体中被动土压力充分发挥所需位移量通常 主动土压力发挥所 需位移量。 A 、小于； B 、超过； C 、等于； D ．不一定 （ D ）8、有一10m 厚的饱和软土层，双面排水，2年后固结度为80％，若该土层是 单面排水，要达到同样固结度，则需要的时间为： A 、0.5年； B 、2年； C 、4年； D 、8年。 （ B ）9、土中某点土处于剪切破坏时，剪破面与大主应力作用面夹角为(?为内摩擦角)： A 、90 ＋φ； B 、 245φ ＋ ?； C 、245φ － ?； D 、φ。 （ A ）10、某饱和粘土土样，分别用不固结不排水、固结不排水、固结排水试验，得到 的内摩擦角指标为φu ,φcu ，φ'，三个的大小排序应为： A 、φu <φcu <φ'；
《土压力计算》 考试时间：120分钟 考试总分：100分 遵守考场纪律，维护知识尊严，杜绝违纪行为，确保考试结果公正。 1、静止土压力的墙背填土处于哪一种平衡状态？它与主动、被动土压力状态有 何不同？（ ） 2、挡土墙的位移及变形对土压力有何影响？（ ） 3、分别指出下列变化对主动土压力和被动土压力各有什么影响？（1）内摩擦 角φ变大；（2）外摩擦角δ变小；（3）填土面倾角β增大；（4）墙背倾斜 （俯斜）角α减小。（ ） 4、为什么挡土墙墙后要做好排水设施？地下水对挡土墙的稳定性有何影响？ （ ） 姓名：________________ 班级：________________ 学号：________________ --------------------密----------------------------------封 ----------------------------------------------线-------------------------
5、土压力有哪几种？影响土压力的各种因素中最主要的因素是什么？（） 6、试阐述主动、静止、被动土压力的定义和产生的条件，并比较三者的数值大小。【湖北工业大学2005年招收硕士学位研究生试题、长安大学2005、2006年硕士研究生入学考试试题（A卷）】（） 7、库仑土压力理论的基本假定是什么？【长安大学2005、2006、2007年硕 士研究生入学考试试题（A卷）】（） 8、比较朗肯土压力理论和库仑土压力理论的基本假定及适用条件。（） 9、何为重力式挡土墙？（） 10、在哪些实际工程中，会出现主动、静止或被动土压力的计算？试举例说明。【华南理工大学2006年攻读硕士学位研究生入学考试试卷】（）
一、下表所列试验数据为三个土样按不同试验方式进行试验的总应力数值，分别绘出各 试样的总应力和有效应力路经（孔压系数B 均取1.0）。 （1） 土样1试验按不固结不排水加荷； （2） 土样2试验按固结不排水加荷； （3） 土样3在1003=σkPa 作用下未完全固结，测得孔隙水压力为20kPa ，然 后进行不排水加荷。 解：
2. 计算土样各状态的p、q值 3.绘制应力路径
二、土层剖面如图所示，从地面以下4.3m 处（点2）取样作室内试验得如下结果： p c =110 kPa ，e 0=1.100，c c =0.410，c e =0.094，地面超载q=50 kPa 在黏土层中产生的附加应力分布为：在顶面点1处为40 kPa ，在底面点3处为10 kPa ，试问： （1） 黏土层是否为超固结土？ （2） 计算黏土层的压缩量。 解： 1. 超固结土判断 点2处自重应力：kPa 8.355.2)8.95.17(8.1)8.90.19(0=×?+×?=p 由于p c =110 kPa>kPa 8.350=p ，故黏土层为超固结土。 2. 黏土层压缩量计算 点2处附加应力取点1、点3平均值：kPa 252 10402=+=z σ kPa 252==Δz p σ kPa 2.748.351100c =?=?p p 0c p p p ?<Δ 因此 0216.08 .35258.35log 094.0log 00e =+×=Δ+=Δp p p c e 黏土层压缩量为： mm 5.51500010 .110216.010c =×+=+Δ=H e e s
《土力学》第八章习题集及详细解答 -第8章土压力 一、填空题 1. 挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力 称。【同济大学土力学99年试题】 2. 朗肯土压力理论的假定 是、。 3. 人们常说朗肯土压力条件是库仑土压力条件的一个特殊情况，这是因为此 时、 、三者全为零。 4. 库伦土压力理论的基本假定 为、、 。 5. 当墙后填土达到主动朗肯状态时，填土破裂面与水平面的夹角 为。 6. 静止土压力属于平衡状态，而主动土压力及被动土压力 属于平衡状态，它们三者大小顺序 为。 7. 地下室外墙所受到的土压力，通常可视为土压力，拱形桥桥台所受到的一般为土压力，而堤岸挡土墙所受的 是土压力。 8. 朗肯土压力理论的基本出发点是根据半无限土体中各点应力处 于状态，由平衡条件求解土压力。 9. 挡土墙达到主动土压力时所需的位移挡土墙达到被动土压力时所需的 位移。 10. 在相同条件下，产生主动土压力所需的墙身位移量Δa与产生被动土压力所需的墙身位 移量Δp的大小关系是________________。【三峡大学2006年研究生入学考试试题】 二、选择题 1．在影响挡土墙土压力的诸多因素中，( )是最主要的因素。 (A)挡土墙的高度(B)挡土墙的刚度
(C)挡土墙的位移方向及大小(D)挡土墙填土类型 2. 用朗肯土压力理论计算挡土墙土压力时，适用条件之一是 ( )。 (A)墙后填土干燥(B)墙背粗糙(C)墙背直立 (D)墙背倾斜 3. 当挡土墙后的填土处于被动极限平衡状态时，挡土墙( )。 (A)在外荷载作用下推挤墙背土体(B)被土压力推动而偏离墙背土体 (C)被土体限制而处于原来的位置(D)受外力限制而处于原来的位置 4. 当挡土墙后的填土处于主动极限平衡状态时，挡土墙( )。 (A)在外荷载作用下推挤墙背土体 (B)被土压力推动而偏离墙背土体 (C)被土体限制而处于原来的位置(D)受外力限制而处于原来的位置 5. 设计仅起挡土作用的重力式挡土墙时，土压力一般按( )计算。 (A)主动土压力(B)被动土压力 (C)静止土压力 (D)静水压力 6．设计地下室外墙时，土压力一般按( )计算。 (A)主动土压力(B)被动土压力 (C)静止土压力 (D)静水压力 7. 采用库伦土压力理论计算挡土墙土压力时，基本假设之一是（）。 (A)墙后填土干燥(B)填土为无粘性土(C)墙背直立 (D)墙背光滑 8. 下列指标或系数中，哪一个与库伦主动土压力系数无关？（）。 (A)(B)(C)(D) 9．当挡土墙向离开土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，作用在墙上的土压力称为 （）。 (A)主动土压力 (B)被动土压力 (C)静止土压力 10. 当挡土墙向土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，作用在墙上的土压力称为 （）。 (A)主动土压力(B)被动土压力 (C)静止土压力 11. 当挡土墙静止不动，土体处于弹性平衡状态时，土对墙的压力称为（）。 (A)主动土压力 (B)被动土压力(C)静止土压力 12．在相同条件下，三种土压力之间的大小关系是（）。
一、名词解释：（15分） 1、塑性指数（3分） 答：土处在塑性状态时含水量的变化范围可用来衡量土的可塑性大小，含水量变化范围愈大，说明土得可塑性愈好，这个范围称为土的塑性指数。 2、地基容许承载力（3分） 答：考虑一定安全储备后的地基承载力成为地基容许承载力。 3、被动土压力（3分） 答：若挡土结构在外力作用下，向填土方向移动，这时作用在墙上的土压力将由静止土压力逐渐增大，一直到土体极限平衡，并出现连续滑动面，墙后土体向上挤出隆起，这时土压力增至最大值，称之为被动土压力。 4、液性指数 答：表示天然含水量与界限含水量相对关系的指标。 二、填空（31分） 1、土是由固相、液相、气相三相物质组成。（3分） 2、常用的粒度成分的表示方法有表格法、累计曲线法、三角坐标法。（3分） 3、根据受颗粒表面静电引力作用的强弱，固体颗粒周围的水可以划分为三种类型强结合水、弱结合水和自由水。（3分） 4、根据毛系水带的形成条件和分布状况，可以分为三种，即正常毛细水带、毛细网状水带、毛细悬挂水带。（3分） 5、通过测定的前期固结压力和土层自重应力状态的比较，将天然土层划分为正常固结土、超固结土、欠固结土。（3分） 6、粘性土的抗剪强度由内摩阻力和粘聚力，其中内摩阻力包括表面摩擦力、土粒之间的咬合力，粘聚力包括原始粘聚力、固化粘聚力、毛细粘聚力。（5分） 7、根据土样剪切前固结的排水条件和剪切时的排水条件，三轴试验可分为不固结不排水剪、固结不排水剪、固结排水剪三种试验方法。（3分） 8、引起土体压缩的应力是附加应力，它随深度增加逐渐减小。（2分） 9、地基的破坏模式包括：整体剪切破坏、局部剪切破坏、刺入式剪切破坏。（3分） 10、压缩试验数据整理时，根据曲线可得到压缩系数、压缩模量两个指标，根据 曲线可得到压缩指数。（3）
土力学试卷及参考答案 一、填空题（每空1分，共10分） 1?在匸程中常用___ 标准贯入试验 ______ 试验來判别天然砂层的密实度。 2.在土层中，通过土粒传递的粒间应力称为__ 有效应力—。 3.上在侧限条件下的压缩性可以用—孔隙比__ 和_____ 应力关系曲线（或e-p曲线）—的关系曲线來表示。 4.地基的总沉降为—瞬时—沉降、固结沉降和____ 次固结___ 沉降三者之和。 5.地基沉降il?算深度下限? 一般可取地基附加应力等于自重应力的_0?2_。“ 6.土中的液态水可分为自由水和_结合水____ 两大类。 7.砂上和粘性土的中分爻分别按_颗粒的，忑小_和_塑件抬数_进行。 二、12 E 择题（每小题1分，共10 分) 1 ?建筑物基础作用于地基表而的压力，称为( A) A、基底压力 B、基底附加压力 C、基底净压力D.附加压力 2 ?在土的三相比例指标中? 直接通过试验测定的是(B) Ax G s, w■ e Bs w 9 p c、G s,p . e D./ ? w ? e 3 ?地下水位长时间下降f会使（A) A、地基中原水位以下的自重应力増|加 B .地基中原水位以上的自重应力増加 C.地基土的抗勢强度减小D、上中孔隙水乐力増大 4 ?室内压缩试验的排水条件为（ B ） A.爪面排水 B.双面排水 C.不排水D、先固结?后不排水 5?设条形基础的宽度B ?沉降虽S ,若基底讯位面积平均附加压力相同.则（ A ） A. B大S大 B. B大S小Cs B对S无影响D、无法确定 6. 土中一点发生男切破坏时，破裂血与小主应力作用方向的夹角为（B ）
A、45°+纟 2 B . C、45° D、45。+0 7 .在外荷载作用下地基中局部剪切破坏时，基础底而单位而积上所承受的荷载 为（C) A、临塑荷载 B 、临界荷载 C、极限荷载 D.以上均不是 8.在地而上修建一座梯形土坝，则坝基的压力分布形状为何种形式（B ） A.矩形 B.梯形C、马鞍形D、抛物线形 9.基底附加应力及埋深相同，但基底而积不同的两个基础，它们的沉降量有何不同（C） A.而积大的沉降量大B、而积小的沉降量大 C、两基础沉降虽:相同D.而积大的沉降量小 10.下列三个土样，液性指数均为0.25,其vv. wp如下，不属于粘性上的是（D） A、w =35%?wp =30% B、w =30%, wp =26% C、w =25%, wp =22% D^ w =35%, wp =33% 三、名词解释（每小题3分，共15分） 1 ?爪缩系数a：指在单位压力增量作用下土孔隙比的减小值。即a = _竺* 2.超固结土：指该土层历史上曾经受过大于现有覆盖土重的前期固结圧力的上。 3.相对密实度］是用于判断级配不同砂上的密实程度的指标，用天然孔隙比e与一种砂上在最松散和最密 实的孔隙比的相对大小来描述，即D= %厂纟 e max一Sin 四、简述题（每小题10分，共30分） 1.为什么把上中应力分为自重应力、附加应力、有效应力和孔隙水压力？并由此简述上固结的过程。 答：地基中某一深度处的丄体在上覆上体自重应力的作用下完成固结压缩后处于一种稳立状态?当地表修建建筑物后，结构物的重量通过基础传递到地基上体后产生一个额外的应力，称之为地基上体的附加应力。该附加应力由上体颗粒和丄体空隙中的水来共同承担，英中丄颗粒承担的部分称为有效附加应力.空隙水承担的则称为孔隙水圧力。正是由于有效附加应力的作用才导致丄体的压缩变形，结果使丄体孔隙体枳减小，孔隙中多余的水被挤压排除，孔隙水压力逐渐消散降低。因此丄体I古1结的过程就是丄体有效应力不断增大而孔隙水压力不断消散的过程，只有区分出上体的自重应力、附加应力、有效应力和孔隙水压力，才能貞. 正把握住土体固结的本质。 2.简述分层总和法计算地基沉降的步骤。 答：分层总和法计算地基沉降的步骤为： （1）.按比例绘制地基土层分布剖面图和基础剖而图： （2）、讣算地基上的自重应力，并将il?算结果按比例绘制于基础中心线的左侧： （3）、计算基础底而的接触压力； （4）.对地基上体进行分层，每层厚度不大于0?4b,同时地下水而和不同上体的界而必须是分层而： （5）、计算基础底而的附加应力，并将计算结果按比例绘制于基础中心线的右侧： （6）、确左地基丄受压层深度。一般丄体中以附加应力等于自重应力的0. 2倍处的深度为讣算深度，对于软土则为0.1倍处深度为计算深度； （7）.计算各土层的压缩量； （8）、讣算地基的最终压缩量：把地基受压层范用内各土层压缩量相加即可。 3.何谓液、塑限含水率？分别说明它们的测定方法及意义。 答：液限含水率是指粘性土呈塑态与半固态之间的分界含水率。测泄方法为：（1）搓条法：取8-10g 试样，放在毛玻璃板上用手掌滚撮，当土条撮成直径为3mm时刚好产生裂缝并开始段裂，则此时丄条的含水率即为塑性含水率。（2）液、塑性联合测泄仪：制备3份不冋稠度的试样，试样的含水率分别接近液限、塑限应两者的中间状态，用76g质量的圆锥式液限仪分别测定三个试样的圆锥下沉深度和相应的含水率，然后以含水率为横坐标，圆锥下沉深度为纵坐标，将二者之间的关系绘制于双对数坐标纸上，并将三点连成一条直线，则圆锥下沉屋为2mm 所对应的含水率即为塑限含水率。
非饱和土力学 同济大学地下建筑与工程系 2006年10月
第一章绪论 非饱和土分布十分广泛，与工程实践紧密联系的地表土几乎都是非饱和土。干旱与半干旱地区，由于蒸发量大于降水量，地下水位较深，这些地区的表层土是严格意义上的非饱和土；土坝、铁路和公路路基填土，机场跑道的压实填土都是处于非饱和状态，亦即非饱和土；即使是港口平台、管道等离岸工程中所遇到的土，往往是含生物气的海相沉积土，其孔隙中含有以大气泡（气泡直径远大于土粒直径）形式存在于孔隙中的生物气；另外，在地下水面附近的高饱和土体，其孔隙水中溶解了部分以小气泡（气泡直径与土粒粒径相当）形式存在于孔隙中的气体，土体卸载以后（取样或开挖等），溶解于孔隙水中的气体逸出，以气泡形式存在于孔隙水中，这两种含气泡的土也应属于非饱和土。可见，非饱和土才是工程实践中经常遇到的土，饱和土是非饱和土的特例，真正意义上的饱和土在工程实践中很少见到。 土力学发展至今，已形成了一套完善、独立的理论体系。然而，迄今为止的土力学主要是把其研究对象——土，视为两相体，即认为土是由土粒和孔隙水组成。严格的讲，迄今为止的土力学只能称之为饱和土力学。然而，实际工程中遇到的土多是以三相状态(土粒、孔隙水、孔隙气)存在。经典的饱和土力学原理与概念并不完全符台其实际性状。有人甚至认为在土中水一气的结合面上还存在第4相一水气结合膜。土中气相的存在，使得土体性质复杂、性状多变。将土作为饱和土对大多数工程来讲是一种合理的简化，但是，随着研究的逐渐深入，人们已经注意到，对于某些特殊区域或特殊性质的土，这种简化将造成研究理论的失误。如在膨胀土地基基础的设计中。如果单纯按照膨胀土的现有强度进行设计，则有可能将强度参数估计过高，不安全；如果按其最低强度进行设计，又将造成浪费。因此，合理地提出膨胀土在不同状态下的强度参数是工程的客观需要。此外，膨胀土等非饱和土的变形性能也随饱和度而变化。这些问题都是饱和土力学难以解决的。由此观之，按多相(非饱和)状态下研究土体的工程力学性质是土力学发展的趋势。 一、非饱和土的四相性 一般说来，根据饱和度和饱和介质，土可分为四类： ①两相饱和土：包括土颗粒和充满所有孔隙的水； ②三相饱和土：包括土颗粒、水和以封闭气泡形式存在的空气； ③三相非饱和土：包括土颗粒、水和连通的空气； ④四相非饱和土：包括土颗粒、水、空气和结合水膜。 非饱和土力学研究的主要对象为非饱和土，就是由土粒（固相）、孔隙水（液相）、孔隙气（气相）和液-气交界面构成的四相体系（Fredlund, 1993）。我们常说的非饱和土就是四相非饱和土，其中的结合水膜将是影响这类土体性态的关键因素。非饱和土的气-液相交界面的性质既不同于水，也不同于气体，是一个独立的相，该相在表面化学里被称为收缩膜，是非饱和土中的第四相。非饱和土的孔隙水和孔隙气的形态与非饱和土的含水量（饱和度）密切相关，因此可以根据非饱和土的孔隙气和孔隙水的形态将非饱和土分为不同的类型。俞基培和陈愈炯用高柱法试验、渗透试验和击实试验研究了非饱和击实粘土的孔隙气和孔隙水的形态，将非饱和土分为三类：水封闭型、双开敞型和气闭型。Barden（1965）将非饱和土分为五种类型，各类土之间的饱和界限分别为：①S<50%；②50%≤S<90%；③S=90%，w=w opt （w opt为最优含水量）；④90%