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周葆春2011_考虑体积变化的非饱和膨胀土土水特征

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考虑体积变化的膨胀土土-水特征研究

考虑体积变化的膨胀土土-水特征研究

考虑体积变化的膨胀土土-水特征研究谭晓慧;沈梦芬;胡娜;余伟【期刊名称】《广西大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(000)004【摘要】为研究考虑体积变化的膨胀土土-水特征，分析了体积含水率与重力含水率及孔隙比的理论关系，提出了考虑膨胀土体积变化的土-水特征曲线求解方法。

以合肥膨胀土为研究对象，采用渗析法试验及滤纸法试验测定了重力含水率与基质吸力的关系，采用收缩试验测定了孔隙比与重力含水率的关系；根据本文方法，求得了考虑体积变化的合肥膨胀土土-水特征。

结果表明：由渗析法及滤纸法可以分别获取土体在低吸力段及高吸力段的土-水特征曲线；收缩曲线可以用分段函数表示；膨胀土在吸水过程中体积发生了很大变化，不考虑这种体积变化将会高估膨胀土的体积含水率，且吸力越低，这种误差越大；采用van Genuchten 模型对试验结果进行了曲线拟合，得到了试验土体考虑体积膨胀的土-水特征曲线拟合参数值：a＝40.21， n＝1.52， m＝0.09；土样的初始干密度越大，同一吸力对应的含水率也越大。

%In order to study the soil water characteristics of expansive soil taking into account of vol -ume change , the theoretical relationship between volumetric water content and gravity water content was analyzed, and a method to obtain the soil water characteristic curves (SWCC) considering vol-ume change was proposed .By taking Hefei expansive soil as a study object , the relationship be-tween gravity water content and matrix suction was measured with the osmotic method and filter pa -per method , and the relationship between void ratio and gravity watercontent was measured by the shrinkage test .The soil water characteristics of Hefei expansive soil considering volume change were obtained according to the method proposed in this paper .The results showed that SWCC in low and high suction sections could be obtained by the osmotic method and filter paper method , respectively . Volumetric shrinkage curve can be described by the piecewise function .The volume of expansive soil changed dramatically during the process of absorbing water .The volumetric water content can be overestimated if the volume change was ignored , and the error become larger in lower suction part . Fitting parameters a=40.21 , n=1.5, and m=0.09 were obtained when the SWCC with considera-tion of volumn chang was fitted with the van Genuchten model .The water content under the same suction increased with the increase of initial dry density of the soil sample .【总页数】8页(P884-891)【作者】谭晓慧;沈梦芬;胡娜;余伟【作者单位】合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥 230009;合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥 230009;合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥 230009;合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥 230009【正文语种】中文【中图分类】TU443【相关文献】1.考虑干密度和压实含水率影响的弱膨胀土土水特征曲线研究 [J], 李保华2.考虑体积变化的非饱和膨胀土土水特征 [J], 周葆春;孔令伟3.考虑体积变化修正的红黏土土水特征曲线试验研究 [J], 陈浩4.废弃秸秆灰渣改良膨胀土的体积变化特征研究 [J], 张德恒5.考虑体应变及干湿循环的黑龙江膨胀土土水特征研究 [J], 赵佳敏;张爱军;牛丽思;于宁;程旨辉;赵双权因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

非饱和膨胀土边坡稳定分析方法.pptx

非饱和膨胀土边坡稳定分析方法.pptx
➢配套的膨胀力测试方法与应用简介........
解决-吸力等效膨胀力是试样浸水饱和且保持土体体积为常量时测得的最大膨胀力
西安理工大学岩土所 李荣建
第11页/共16页
西安理工大学岩土所 李荣建
膨胀力试验仪器测试-发明专利
量测采集系统
膨胀力仪器
真空饱和系统
第12页/共16页
西安理工大学岩土所 李荣建
西安理工大学岩土所 李荣建
非饱和膨胀土边坡稳定性分析实现思路
(ua -uw)
卢肇钧的吸附强度
s mps tan
χ (ua - uw) mps
A m
λ
ps A(ws w)
w
程序验证算例
第8页/共16页
西安理工大学岩土所 李荣建
非饱和膨胀土边坡稳定性计算分析
20m 40m
30m
55m
105m
本文开发的强度折减有限元程序，引入吸力等效膨胀力，在 理论上可行且更为合理。
第4页/共16页
非饱和膨胀土边坡稳定性分析实现思路
❖ 抗剪强度以折减系数F进行折减
f c '/ F 'tan '/ F
❖ 边坡达临界破坏状态时的折减 系数F即为边坡的整体安全系数
西安理工大学岩土所 李荣建
❖ 破坏时的滑动面用最大剪应变 增量的等值线或位移增量等值 线来确定
基质吸力非均匀分布 基于Fredlund双应力变量的强度
安全系 数
1.305
1.300
工况 吸力等效膨胀力非均
1-3 匀分布
100
工况2
不考虑基质吸力
基于卢肇钧的非饱和土强度公式 强度折减有限元
1.300 1.170
80 34

滤纸法测定非饱和膨胀土土水特征曲线试验

滤纸法测定非饱和膨胀土土水特征曲线试验

滤纸法测定非饱和膨胀土土水特征曲线试验黄志全;岳康兴;李幻;李磊【摘要】针对现实中土体含水量任意变化的情况,采用滤纸法测定非饱和膨胀土任意循环路径下对应的总吸力和基质吸力,得到了任意含水率变化下的总吸力曲线和土水特征曲线.将曲线进行拟合,利用毛细滞回内变量模型进行计算,通过与试验结果对比,验证了该模型对于膨胀土的适用性.结果表明:滤纸法测得的土水特征曲线与传统方法测得的曲线大致相同.含水量任意变化下的曲线不与完整脱、吸湿曲线重合,相同含水率下,脱、吸湿开始点之间含水率差值越小,脱湿后吸湿的曲线,基质吸力越高;吸湿后脱湿的曲线,基质吸力越低.毛细滞回内变量模型适用于非饱和膨胀土,计算结果与实际值能较好吻合.【期刊名称】《南水北调与水利科技》【年(卷),期】2015(013)003【总页数】5页(P482-486)【关键词】膨胀土;基质吸力;滤纸法;土水特征曲线【作者】黄志全;岳康兴;李幻;李磊【作者单位】华北水利水电大学资源与环境学院,郑州450011;华北水利水电大学资源与环境学院,郑州450011;华北水利水电大学资源与环境学院,郑州450011;华北水利水电大学资源与环境学院,郑州450011【正文语种】中文【中图分类】TU411滑坡是自然界和工程中常见的地质灾害[1]。

大量工程实例证明，非饱和膨胀土强度的变化是导致滑坡产生的主要因素[2]，而土水特征曲线是非饱和膨胀土强度研究的基础和重点。

土水特征曲线(SWCC)是用于描述土体基质吸力与含水量之间函数关系的曲线[3]。

Vanapalli与Fredlund等[4-5]针对非饱和土强度及渗透系数与土水特征曲线的关系进行研究，发现土水特征曲线可以反映非饱和土的工程力学性质：通过土水特征曲线，可以获得土的渗透系数，抗剪强度等指标[7]。

建立土水特征曲线最重要的就是基质吸力的测量。

测量方法有：压力板法、滤纸法、轴平移技术法、张力计法、热敏传感器法、湿度计法等[8]。

非饱和膨胀土的膨胀特性试验研究

非饱和膨胀土的膨胀特性试验研究
３个过程 ， 即
（ ）等 速膨胀 阶 段 。在 此膨 胀 阶段 ， １ 随着 时 间
３ １ 膨胀 量研 究 ．
的增 长线膨 胀率迅速 增 大 ， 二者 基本 呈现线 性关 系。
试 验 结果 表 明 ， 膨胀 土 的 线膨 胀率 与 起始 含水 量有着 线性 的关 系。对膨 胀量 与起 始含水 量进行 线 性 回归 分析 ， ： 得
１ 赝 暇 ｊｋ ； ／Ｐａ
图 １ 土水 特 征 曲线
维普资讯
・
２ ４・
北 方 交 通
对于非饱和膨胀变形试验 ， 当土体的膨胀变形 量 达到总 变形量 的 ９ ％ 时 ， 为 膨胀 变 形 已基 本完 ５ 认
成 。所对 应 的时间 即认为膨 胀所需 时间 。试 验结果 如表 ２所示 。
研 究。结果表明由于不同初始含水量的膨胀土具有不 同的基质吸力值 ， 导致土样在吸湿过程 中发生不 同的膨胀 变形量。根据膨胀 变形试验结果 ， 建立了膨胀 土的膨胀量、 膨胀速率以及膨
胀 变形所 需 时 间与起始含 水 量 的相 关公式 。
关键词
１ 引 言
非饱和膨胀土 土水特征曲线 膨胀量 初始含水量
维普资讯
第３ 期
北 方 交 通
・ ３・ ２
非饱 和 膨 胀 土 的膨 胀 特 性 试 验 研 究
王恒 福
（ 连市高速 公路管理处 ， 大 大连 １６ ２ ） １０４
摘
要
针对 不 同起始 含 水量 的非饱 和膨 胀 土 ， 对其 膨 胀 量和 膨 胀 速 率进 行 了详 细 试验
大的负孔隙水压力。土体 的负孔隙水压力使它具有 不 同于饱 和土 的性状 。在 大气 影 响 和地下 水 位线 变 动下， 土体经常经受到干湿循环效应 ， 导致基质吸力 和土体结构也随着发生变化 。非饱和膨胀土在吸 Ｊ

非饱和膨胀土强度及土水特性室内试验研究

非饱和膨胀土强度及土水特性室内试验研究

非饱和膨胀土强度及土水特性室内试验研究郭震山【摘要】依托某浅埋膨胀土隧道工程,制备不同含水率的土样进行直剪试验,建立了膨胀土强度参数随含水率变化的经验公式,采用滤纸法测得膨胀土在吸湿过程中基质吸力随含水率的变化规律,并依据试验数据对土-水特征曲线按V-G模型进行拟合并确定拟合参数,结果表明:现场膨胀土属于低压缩性土,具有中等膨胀潜势,土体摩擦角随含水率的增加呈线性减小,黏聚力随含水率的增加呈二次抛物线形减小,土-水特征曲线与V-G模型拟合程度较好.%On the basis of a shallow-buried expansive soil tunnel,the direct shear test was conducted on the soil samples with different moisture content,and the empirical equations for the variation of strength parameters of expansive soil versus various moisture contents were evaluated.The variation of matric suction versus moisture contents during the moisture absorbing process was measured by filter paper method.Based on the test result,the Soil-Water Characteristic Curve(SWCC)was fitted and the parameters were determined by the V-G model.Test results show that the field expansive soil exhibits low compressive and medium expansibility.The friction angle decreased linearly,while the cohesion decreased quadratically with the increase of moisture content.The SWCC was in goodness of fit using the V-G model.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2017(043)011【总页数】4页(P100-103)【关键词】膨胀土;室内试验;强度参数;基质吸力【作者】郭震山【作者单位】山西省交通科学研究院黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室,山西太原 030006【正文语种】中文【中图分类】TU411膨胀土在我国分布广泛且种类较多[1,2]，同时膨胀土具有显著的地域差异性，不同地区膨胀土的工程特性不尽相同。

膨胀土的工程特性胀缩性超固结裂隙.

膨胀土的工程特性胀缩性超固结裂隙.

1、膨胀土的定义膨胀土是在自然地质过程中形成的一种具有多裂隙和显著胀缩特性的特殊性粘土。

膨胀土是一种对于环境变化，特别是对于湿热变化非常敏感的土，其反映是发生膨胀和收缩，产生膨胀压力。

2、膨胀土的主要物理力学特征⑴粒度组成中，通常黏粒（d＜2μm ）含量不大于30%.⑵粘土矿物成分中，伊利石和蒙脱石等亲水性矿物占主导地位。

⑶土体湿度增高时，体积膨胀并形成膨胀压力；土体干燥失水时，体积收缩并形成收缩裂缝，反复的干缩湿胀，使土中的裂隙发育，不仅破坏土体的连续性和完整性，而且也形成了地表水浸入的通道，同时水的浸入又加速了土体的软化及裂隙生成。

（裂隙性）⑷膨胀、收缩变形可随环境变化往复发生，导致土的强度衰减。

（强度衰减性）⑸多数属于液限大于50%的高液限土。

⑹超固结性：膨胀土在沉积过程中，在重力作用下逐渐堆积，土体将随着堆积物的加厚而产生固结压密。

由于自然环境的变化和地质作用的复杂性，土在自然界的沉积作用并不一定都处于持续的堆积加载过程，而是常常因地质作用而发生卸载作用。

膨胀土在反复胀缩变形过程中，由于上部荷载（土层自重）和侧向约束作用，土体在膨胀压力作用下反复压密，土体表现出较强的超固结特性。

这种超固结与通常的剥蚀作用产生的超固结机理完全不同，是膨胀土由于含水率变化引起的膨胀压力变化产生的，是膨胀土特有的性质。

3、工程建设中的膨胀土问题⑴在天然状态下，膨胀土通常强度高，压缩性低，在地面以下一定深度取样时难以发现宏观裂纹。

但一旦在大气中暴露，含水率发生变化时，很快出现大大小小的裂纹，土体结构迅速崩解，透水性不断增加，强度迅速减小直至为零。

膨胀土边坡在极缓的情况下发生滑动。

“逢堑必滑，无堤不塌”。

“晴天一把刀，雨天一团糟”、“天晴张大嘴，雨后吐黄水”是膨胀土强度特性和胀缩性规律的高度写照。

⑵膨胀土素土作为堤坝回填土时，因其干密度与含水率关系非常密切，很难压实，压实质量难以控制。

若碾压质量不好，在运行过程中，填土含水率增加时土体极易产生膨胀变形，含水率降低也会在土体中产生干缩裂隙，使土体渗透性变化，外界水分极易进入。

膨胀土路堑边坡变形特性及破坏机理研究

Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｓｉｖｅ ｓｏｉｌ’Ｓ ｉｎｆｌａｔｉｏｎ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｉｎｇ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｄｏｅｓ ｔｈｅ ｄｒｙ－ｗｅｔ ｃｙｃｌｉｃａｌｅｆｆｅｃｔ ｔｏ ｉｎｆｌａｔｅ ｔｈｅ ｅａｒｔｈ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ，ｈａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｔｓ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｃｈａｎｇｅ ｒｕｌｅ，ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｅｓ，ａｎｄ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌａｔｉｏｎ ｅａｒｔｈ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌｓ．
关键词：膨胀土；路堑边坡；变形特性；本构模型；破坏机理
Ⅱ
工程硕士学位论文
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅ ｅｘｐａｎｓｉｖｅ ｓｏｉｌ ｉｓ ｏｎｅ ｋｉｎｄ ｏｆ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｉｎｆｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｅｎｓ，ｔｈｅ ｄｅｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ｃｒａｃｋ ｓｐｅｃｉａｌ ｃｏｈｅｓｉｖｅ ｓｏｉｌ，ｉｎ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｏｆ ｃｕｔ ｐｒｏｊｅｃｔ， ａｐｐｅａｒｓ ｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ ｃｏｌｌａｐｓｅｓ ｓｌｉｐｐｅｒｙ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ，ｉｔ ｒｅｓｔｒｉｃｔｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｉｇｈｗａｙ’Ｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ｉｎ ｔｈｅ Ｍｉｄｗｅｓｔ ｏｆ Ｃｈｉｎａ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｕｎｉｆｉｅｓ ｗｅｓｔｅｒｎ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｊｅｃｔ‘‘ｔｈｅ ｅｘｐａｎｓｉｖｅ ｓｏｉｌ ｄｉｓｔｒｉｃｔ ｈｉｇｈｗａｙ ｔｏ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｒｅｓｅａｒｃｈ”，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｃｅｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒ，ｔｈｅ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｓｔｕｄｙ ｅｘｐａｎｓｉｖｅ ｓｏｉｌ ｂａｓｉｃ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｇｒａｓｐｓ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｓｉｖｅ ｓｏｉｌ ｓｌｏｐｅ ｏｆ ｃｕｔ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｃｔｉｏｎ ｃｈａｎｇｅ ｒｕｌｅ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｄｏｅｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｗｅｔ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｔｏ ｉｎｆｌａｔｅ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｂａｎｋ ｂｏｄｙ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｔｏ ａｔｔｒａｃｔ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｆｏｒｃｅ ｃｈａｎｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ａｎｄ ｔｏ ｉｎｆｌａｔｅｓ ｔｈｅ ｅａｒｔｈ ｓｉｄｅ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ．

【国家自然科学基金】_土-水特征曲线_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140730

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无限长斜坡 数值分析 控释肥 接触角 持水能力 拉丁超立方抽样法 抗剪强度指标 抗剪强度 微观结构 强度特性 弯液面 应力-应变关系 干密度 岩土体 室内试验 孔隙率 孔隙比 增湿 域模型 土石介质 土性参数 土壤质地 土壤持肥性 土壤持水性 固结变形 回归方法 吸水率 吸水剂 含水率 取样称量法 压缩曲线 压实黄土 压实砾类土 化学肥料 分形维数 内变量 公路滑坡 保水剂 侧限条件 体积密度 三轴试验 plaxis软件
科研热词 非饱和土 土水特征曲线 土-水特征曲线 基质吸力 黏聚力 膨胀土 土力学 压力板仪 高庙子膨润土 香港全风化花岗岩土坡 风化程度 预警 非饱和渗透系数 非饱和导水率 降雨入渗 释放速度 迁移动力 达西定律 边界减湿曲线 边坡稳定 轴平移技术 路基工程 负孔隙水压力 解析解 表面位移监测 自由膨胀条件 膨润土掺砂混合物 联合测试系统 缓冲/回填材料 统计学假定 细粒含量 等效毛细高度 离心试验 砂土 石灰改性 电阻率 热力学 滞回性 滞回 滞后现象 溢出水称量法 溢出水校正称量法 湿化作用 温度效应 渗透性 渗透强度 渗透函数 渗流参数 水泥-土基 水分迁移 毛细管模型 植生固沙材料

非饱和土的性状及膨胀土边坡稳定问题

【摘要】主要叙述非饱和膨胀土及其边坡稳定研究方面的新进展。

首先讨论了非饱和土研究中与土坡稳定性有关的若干重要特性,指出非饱和土的气P水形态问题是非饱和土研究的一个基本问题。

并提出随含水率由小变大,非饱和土存在四种气P水形态,不同气P水形态的土具有不尽相同的性状。

然后,对非饱和土的吸力和土水特征曲线以及不同气P水形态下的强度作了讨论,并对非饱和土的本构关系作了简要的介绍。

接着以南水北调中线膨胀土渠道工程为背景,以吸力问题为中心,对非饱和膨胀土边坡滑动的各种内在的和外界的因素进行了分析,尤其对新近研究的降雨入渗和裂隙影响的研究进行了定量的分析,改变了以往对这方面只进行定性研究的情况。

在此基础上对边坡失稳的机理和考虑裂隙及雨水入渗的稳定分析方法进行了研究。

【关键词】非饱和膨胀土;气P水形态;吸力;降雨入渗;裂隙网络;边坡稳定一、非饱和土的性状土体中含有气体使非饱和土的性质远比两相的饱和土复杂,饱和土的某些原理对非饱和土不再适用,或者需要重新论证。

弄清非饱和土的基本性状和工程性状及其主要影响因素,在此感性认识的基础上进行性质抽象和关系抽象,建立非饱和土研究的基本思路,探索在工程中考虑这些性状的本构关系和定性的、定量的分析方法,提出合理的计算公式,选择合适的特性参数试验方法(尤其是吸力的量测技术) ,确定各特性参数量值的范围,并将分析结果在实践中进行验证和修正等:这些就是非饱和土力学研究的主要任务。

鉴于本文的主题为边坡稳定,因此在叙述中与稳定性相关的内容叙述得较为详细,为节省篇幅,与稳定性关系较少的内容则叙述得较为简单。

二、膨胀土特性的研究1、膨胀土研究概况我国膨胀土研究始于20 世纪五六十年代。

首先出现的工程危害是因膨胀土地基基土胀缩而产生的房屋开裂和倒塌。

当时的研究主要集中于膨胀土的分类鉴别、试验方法和变形特性等,在膨胀量和膨胀力及其影响因素方面有不少的研究成果,这方面研究成果后来还有发展,并将膨胀力与吸力联系起来。

非饱和膨胀土持水能力试验研究

非饱和膨胀土持水能力试验研究李金玉;杨庆;栾茂田;汪承志【摘要】利用压力板仪,进行不同干密度条件下非饱和膨胀土的土水特性试验,分析膨胀土土水特征曲线的基本特征,探讨干密度对膨胀土持水能力的影响,并根据试验得到的土水特征曲线推出其两个基本特征值.结果表明,不同吸力阶段干密度对持水能力的影响程度不同,对基质吸力低于进气值的边界效应阶段影响不大,基质吸力超过进气值进入转化阶段后,干密度增大明显增强了膨胀土的持水能力;膨胀土的进气值和残余含水率都比较大,并且随着干密度的增大均增大.应用数学模型描述不同干密度膨胀土的土水特征曲线,分析了干密度对数学模型参数的影响,给出了干密度、基质吸力和饱和度的函数表达式.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2011(000)005【总页数】5页(P54-58)【关键词】膨胀土;干密度;土水特征曲线;持水能力;进气值;残余含水率【作者】李金玉;杨庆;栾茂田;汪承志【作者单位】大连理工大学土木水利学院海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连,116085;大连理工大学土木水利学院海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连,116085;大连理工大学土木水利学院海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连,116085;大连理工大学土木水利学院海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连,116085;重庆交通学院河海系,重庆,400074【正文语种】中文【中图分类】TU443非饱和土在自然界分布十分广泛，完全饱和的土在自然界是很少见的，尤其是在干旱或者半干旱地区，土坡、路基填土以及土坝都处于非饱和状态；由于受历史气候条件的影响，存在着很多具有特殊性质的土类，如膨胀土、黄土、湿陷性土、残积土等，称之为“特殊土”。

它们都具有非饱和土的基本特性，即通常情况下土中都具有吸力，这种特性在膨胀土中尤为明显和重要。

可见，对非饱和膨胀土的研究具有很高的工程应用价值[1]。

土的持水能力反映土体中孔隙水变化的难易程度，其中土-水特征曲线 (soil-water characteristic)是衡量土体持水能力的重要指标，表征了非饱和土中基质吸力随含水率变化关系[2]。

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程 中 均 经 历 了 较 大 幅 度 的 湿 胀 与 干 缩 变 形 ， 在 土 水 特 征 方 面 ， 是 典 型 的 体 积 变 形 土（deformable
soil）；而吸湿脱湿过程对石灰土的体积影响很小，可认为是体积不变土（rigid soil）。 对相同制样条件下的完全饱和试样进行的平行收缩试验获得的竖向线缩率δsi与 w 之间的关系见图
3（虽然是竖向线缩率随 w 的变化曲线，但仍可认为其能够表征土样的体积随 w 的变化规律）。由图 3 可见，饱和膨胀土的干缩过程分 3 个阶段：① 体积收缩与 w 降低成正比的阶段；②随 w 的继续减小土 体收缩速率放缓的阶段；③ w 继续降低而土体不再收缩的阶段。此外，由图 3 还可看出膨胀土初始直 线段的倾斜程度随 e0的增大而降低。需要说明的是，由于初始制样误差导致平行收缩试验开始时各 试样的 e0与 SWCC 试验的 e0有一定差异，但本文认为这个差异不影响对体变规律的反映。 3.2 不考虑体积变化的 SWCC 不考虑体积变化时，SWCC 常由重力含水率表征，用 w 表征的 SWCC 见图 4，可见：随吸力的增大，不同 e0 下的 SWCC 出现交叉与聚拢现象；e0 大的土样 w 变化幅度大， 表明其持水能力较低、进气值较小。刘艳华等［10］对 2 种初始孔隙比的南阳膨胀土、李志清等［12］对 2 种
3 试验结果分析
3.1 试验结果 土样压实后与饱和后的物性指标和体积参数分别见表 4 与表 5。表 4 中的压实度为制 样完成后的实际压实度，由于制样误差，与控制压实度有较小差异；孔隙比为压制完成后的实际孔 隙比。由表 5 可以看出，膨胀土均发生较大的湿胀变形，而石灰土的湿胀变形很小。
表 4 土样压制完成后的物性指标与体积参数
伊利 蒙-伊混 高岭 石 ＞0.075 0.075~0.005 2~5 ＜2
石 层 石 英 mm
mm
μm μm
35 5 40 20 13.2
57.3
14.5 15.0
土样类型
控制压实度/%
控制干密度 （/ g·cm-3）
控制含水率/%
100
1.86
17.0
95
1.77
17.0
膨胀土
90
1.67
17.0
85
1.58
17.0
80
1.49
17.0
石灰土
95
1.62
21.0
2.2 试样制备 试样制备过程为：首先测定风干含水率，根据控制含水率计算加水量，取过 2mm 筛 的风干土 2kg，平铺在不吸水的盘内，用喷雾器喷洒预计的水量，静置 30min，装入密封袋中，置于保 湿缸内湿润一昼夜；根据控制干密度计算各土样所需湿土质量，将相应质量的湿土倒入预先装好环刀 的压样器内，拂平土样表面，以静压力将土压入环刀内。石灰土样系根据质量百分比在风干土样中掺 入 3％的消石灰粉末再加相应水量的方法制备；制备完成后，参照文献［18］的标准养生方法，养生 28d 后备用。各土样制备完成后，用游标卡尺量测土样高度（量测 4 次，取均值）以获得试样体积。 2.3 试样饱和 Zhan 等［14］的非饱和膨胀土 SWCC 试验的试样饱和过程是恒体积过程，而本文 SWCC 试验的初始状态为膨胀潜势完全释放后的饱和状态。为在 SWCC 试验前获得充分饱和状态的膨胀土 试样，并监测其湿胀变形，首先进行无荷载膨胀率试验，即将试样置于杠杆式固结仪的固结容器中 浸水饱和至体积不变为止。相对于真空饱和法而言，该方法的好处是避免了重叠式饱和器对试样湿 胀过程的约束，能够让试样自由膨胀至稳定状态，从而为 SWCC 试验提供充分饱和的试样。无荷载 膨胀率试验的试验方法参照行业标准［19］执行，试样的稳定标准为隔 24h 百分表读数不变。 2.4 SWCC 试验 SWCC 试验是在陶土板进气值为 15bar 的压力板仪上进行的，该压力板仪由 Soilm⁃ oisture Equipment 公司生产，SWCC 试验方案如下：
98.1 95.8 91.5 89.1 83.2 96.6
孔隙比
0.491 0.527 0.599 0.641 0.758 0.646
土样 类型
膨胀土
石灰土
饱和前 孔隙比
0.491 0.527 0.599 0.641 0.758 0.646
膨胀高度 /mm
3.73 3.18 3.54 3.69 2.24 0.06
收稿日期：2011-03-04 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51009118）；中国博士后科学基金资助项目（20100470058）；河南省基础与前沿技术研究
计划项目（082300410180）；河南省高等学校青年骨干教师资助计划项目（2008083） 作者简介：周葆春（1978-），男，河南信阳人，博士，副教授，主要从事土体力学性质与本构模型研究。
后，膨胀土均发生较大的干缩变形，试样均与环刀脱开，但没有开裂。表 7 为收缩试验完成后的重力
含水率与孔隙比，收缩试验完成后的土样见图 1（c），可见试样均没有开裂。这里认为试样没有开裂
的原因有二，一是试样为重塑土样，二是 SWCC 试验在压力板仪中进行，脱湿过程比较缓慢均匀。
图 2 为整个试验过程中各试样的孔隙比变化，可见初始孔隙比不同的各膨胀土样在吸湿与脱湿过
表 5 土样饱和后的物性指标与体积参数
土样 类型
膨胀土
石灰土
高度 /mm
20.41 19.88 19.60 19.22 19.17 19.74
直径 /mm
61.8 61.8 61.8 61.8 61.8 61.8
含水率 /%
16.75 16.64 17.36 16.24 17.45 19.79
压实度 /%
针对后一问题，Huang 等［4］、Masin［5］分别基于 Brooks-Corey 模型，Gallipoli 等［6］、Tarantino［7］分别基 于 van Genuchten 模型，Mbonimpa 等［8］基于 MK 模型，Salager 等［9］基于 Fredlund-Xing 模型提出了各自 的体积变形土 SWCC 模型，但其大多基于非膨胀性土的试验结果，对膨胀土的适用性尚待探讨。刘 艳华等［10］、吴礼舟等［11］、李志清等［12］、龚壁卫等［13］、Zhan 等［14］、孔令伟等［15］、周葆春等［16］从不同角 度研究了膨胀土的土水特征，但较少关注体积变化对非饱和膨胀土 SWCC 的影响规律。
（各量测 4 次，取均值），获得各试样的体积。 （3）收缩试验。SWCC 试验结束后，将试样置于收缩仪中，进行收缩试验［19］，其稳定标准为隔
24h 百分表读数不变，此时认为土样体积不再发生变化；收缩试验结束后，用游标卡尺量测试样的直 径与高度（各量测 4 次，取均值），获得各试样的体积，同时量测试样质量。最后，将试样置于 105℃ 温度下烘干，获得干土质量。 2.5 平行收缩试验 对体积变形土而言，用普通压力板仪只能获得 w-s 关系，若要获得脱湿过程中 用吸力表征的体积含水率或饱和度变化，前提是清楚脱湿过程中土样的体变规律，为此，需要对相 同制样条件下的完全饱和试样进行平行收缩试验以明确脱湿过程中膨胀土的体变规律。因此，根据 制样控制指标（表 3）另制备一组土样，开展自由膨胀率试验使其充分饱和，再对试样进行收缩试验， 以把握脱湿过程中的体变规律。
水利
2011 年 10 月
SHUILI
文章编号：0559-9350（2011）10-1152-09
学报
XUEBAO
第 42 卷 第 10 期
考虑体积变化的非饱和膨胀土土水特征
周葆春 1，2，孔令伟 1
（1. 中国科学院 武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071； 2. 信阳师范学院 土木工程学院，河南 信阳 464000）
表 1 试验用土的物性参数［17］
表 3 制样控制指标
天然含 水率/%
天然密度/ （g·cm-3）
土粒 比重
天然干密 度（/ g·cm-3）
液限/%
塑限/%
自由膨 胀率/%
21.1~22.3 2.03 2.72 1.68
42.1 20.9 42
表 2 矿物成分与颗粒组成［17］
矿物组成/%
颗粒组成/%
摘要：为探讨吸力作用下膨胀土体变特征对土水特征的影响规律，开展了一系列完整的脱湿阶段试验，获得了 5
种不同初始孔隙比的荆门压实膨胀土各级吸力下的重力含水率与体积变化。试验结果表明：不同初始孔隙比下的
重力含水率-吸力曲线有交叉与聚拢现象；体积含水率-吸力曲线的交叉现象更为显著；而饱和度-吸力曲线未出
现交叉，相同吸力下初始孔隙比大的土样具有更低的饱和度，体现出土水特征与体变特征的耦合效应。基于试验
（1）陶土板饱和。首先将陶土板放入真空缸内抽气饱和，真空表达到 1 个大气负压力后，继续抽 气 3h，然后注水，待陶土板完全淹没于水中后关闭进水阀，再停止抽气，然后开进气阀，静置 8h， 借大气压力使陶土板饱和。真空饱和完成后，将陶土板置于压力板仪中，参照文献［20］建议的加压 饱和法，在陶土板表面加足量的蒸馏水，然后加气压力至 1 000kPa，重复该过程直至排水管中气泡 溢出现象消失为止，从而使陶土板充分饱和。
E-mail：zhoubcxynu@
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变化的用饱和度表征的 SWCC 方程，这 3 个方程能够很好再现任意初始孔隙比条件下膨胀土干缩过程 中重力含水率、孔隙比与饱和度随吸力的变化规律。
2 试验方案
2.1 试验土样 试验用土取自湖北荆门，为弱膨胀土，呈黄褐色、硬塑状态，含黑色铁锰结核，局 部有白色填充物，其物理性质指标、矿物成分与颗粒组成见表 1 与表 2。重型击实试验表明［17］，该膨 胀土的最优含水率为 15.5%，最大干密度为 1.86g/cm3。试验采用直径 61.8mm、高度 20mm 的环刀试 样；为探讨不同初始孔隙比条件下膨胀土的土水特征，其控制压实度分别为 100%、95%、90%、 85%、80%。此外，为与膨胀土进行对比，采用掺灰比为 3%的石灰改良膨胀土进行平行试验，该石 灰土重型击实试验的最优含水率为 19.0%，最大干密度为 1.71g/cm3，试样制备的控制压实度为 95％。膨胀土与石灰土样均采用压样法制备，制样控制指标见表 3。