高等土力学-非饱和土

吸力及土中水形态外表张力和毛细现象基质吸力一、非饱和土水的形态和基质吸力§2.2土的相及其性质水的固态、液态和气态水可以三种形态存在

固态：冰

液态：水

气态：水蒸气水的状态取决于压力和温度条件吸力及土中水形态相对湿度RH(%)：水蒸气分压力〔kPa〕同一温度下，水蒸气饱和压力〔kPa〕水蒸气及蒸汽压力吸力及土中水形态土中水液态固态气态结合水毛细水重力水不同形态的水对于土，特别是粘土和粉土的物理力学性质有重要影响吸力及土中水形态生活在水面收缩膜顶面的昆虫水蜘蛛

液体1液体2表面张力

外表张力：由于收缩膜内的水分子受力不平衡而产生收缩膜——外表张力和毛细现象收缩膜内压>外压充满气体的气球固-液-气体系及湿润角在固-液-气三相系统中，液体保持液滴形状，并存在接触角〔湿润角〕接触角的大小反映了液体和固体外表作用力的相对强弱。接触角越小，液体对固体外表的湿润性越强液体气体固体液体气体固体

外表张力和毛细现象亲水性憎水性接触角对固-液-气交界面的几何形状以及相应的物理性质具有重要的影响在毛细管中，湿润类型的接触角〔如：水〕将引起液面上升；非湿润类型的接触角〔如：水银〕将引起液面下降毛管中水气的界面效应水银

l空气固体

w空气固体水外表张力和毛细现象毛管中接触角的可能取值范围

Rr接触角

性质交界面R出现的情况=0理想的润湿表面r大部分土体在干燥过程中0

<90

部分润湿的表面r/cos大部分土体在浸湿过程中呈现出一定的接触角=90中性表面

气-水交界面无压力变化90

<180

部分排斥性表面-r/cos将出现毛细水下降现象，水压高于气压。当土体遭受极其高温（如森林大火）、含有特定有机孔隙液体、富含有机物时将出现此类现象=180理想的排斥表面-r水压高于气压，该现象在非饱和土中较罕见外表张力和毛细现象毛细管

hc毛管中水上升的高度T2r上升高度

r2hc

w=2

rTcos

毛细升高与孔径成反比黏土粉土砂土砾石外表张力和毛细现象毛细力与孔隙半径不同曲率半径下毛细管中的水-气分界面外表张力和毛细现象β张力T交界面两侧的压力差ββu+uuTu+u张力TTuR基质吸力u+u张力TTuRR1R2圆柱面球面椭球面土体颗粒间的孔隙结构和气-水交界面几何形状非常复杂r1r2T球状砂粒间的气-水交界面曲率半径r1的球状交界面凹向水相，使水相压力降低曲率半径r2的圆柱状交界面凸向水相，使水相压力增加水-气交界面两侧压力差为：大多数情况下，基质吸力值是正值，这是因为在非饱和条件下，一般r1小于r2非饱和土中，水-气交界面两侧的压力差称为基质吸力基质吸力

w水hkrkrkpwA=-hk

wz水压pW+-空气TTGA对A点：水压力：pwA=-hk

w气压力：paA=0气、水压力差:基质吸力=毛细力基质吸力与毛细力基质吸力总吸力及其组成〔Aitchison,1965〕总吸力为土中水的自由能，基质吸力为土中水自由能的毛细局部，渗透吸力为土中水自由能的溶质局部，是由于土中水溶液中盐分浓度不同引起的。结论：一般基质吸力占总吸力的主要局部。基质吸力基质吸力与水饱和度土水特征曲线及特性土体典型剖面的吸力分布非饱和土土水特征曲线

非饱和土的土水特征曲线土颗粒缝隙处的弯液面r弯液面在非饱和土中，孔隙中含有水和气，此时水多集中于颗粒间的缝隙处，称毛细角边水。由于毛细张力的作用，会形成如下图的弯液面，使毛细角边水产生负压力，颗粒那么受正压力。这是稍湿的砂土颗粒间存在假凝聚力的原因基质吸力与水饱和度基质吸力与水饱和度空气水固体颗粒湿润流体相和固体外表附着力最大，通常首先占据小孔隙非饱和土中水为湿润流体相，通常首先占据小孔隙饱和度较小时，孔隙水主要存在小孔隙处，基质吸力大；随着饱和度增加，水相孔隙增大，基质吸力变小基质吸力与水饱和度h1h2h3含水量减小增大毛细力=基质吸力增大减小基质吸力与水饱和度基质吸力与水饱和度在均匀砂的开口管试验中，砂装在一端浸没水中的玻璃管内在毛细区内砂的含水量不同，而且相应于浸润过程和相应于脱水过程的含水量不同不同粗细砂土中的毛细水分布基质吸力与水饱和度土水特征曲线基质吸力与土的饱和度或含水量有关，它们之间的关系曲线称土水特征曲线它反映了土体孔隙系统的持水能力。土水特性不仅取决于流体的特性，而且还与土的结构构成，吸水、脱水过程也有关0.010.1110100100010000基质吸力pc[kPa]6050403020100含水量w[%]粘土粉土砂脱水吸水土水特征曲线及特性00,20,40,60,81,0SWSrSm=1,0典型土水特征曲线(pa-pw)(pa-pw)b脱水过程(pa-pw)b——进气压力：在该压力下，空气开始进入饱和试样的最大孔隙。随着基质吸力的增高，土体试样中相对较小的孔隙也依次脱水。Sr——剩余水饱和度：在该饱和度下，增加基质吸力并不引起饱和度的显著变化基质吸力与水饱和度脱水吸水SW00,20,40,60,81,0可置换的空隙剩余水饱和度最大气饱和度剩余气饱和度最大水饱和度不可置换的孔隙(pa-pw)典型土水特征曲线剩余气饱和度Sw：当基质吸力减小到为零时的含气量，说明存在不可置换的孔隙。滞后效应：脱水和吸水过程得到的土水特征曲线是不同的，对应同一基质吸力，两条曲线上对应不同的饱和度土水特征曲线及特性土水特征曲线的滞后效应产生滞后效应的原因是土中毛细水具有：瓶颈效应

雨滴效应

封闭效应h<hcrm1>rchcdcdcdc脱水脱水吸水rcrc§4.6非饱和土土水特征曲线–土水特征曲线及特性大孔隙土水特征曲线的滞后效应产生滞后效应的原因是土中毛细水具有：瓶颈效应

雨滴效应

封闭效应h<hcrm2>rchcdcdc脱水吸水rc

2>

1

2

1§4.6非饱和土土水特征曲线–土水特征曲线及特性土水特征曲线的滞后效应产生滞后效应的原因是土中毛细水具有：瓶颈效应

雨滴效应

封闭效应土柱吸水试验土中情况复杂，不能形成完全“毛细饱和”，一局部空气会被封闭在孔隙中§4.6非饱和土土水特征曲线–土水特征曲线及特性毛细上升与孔隙的持水特征当吸力到达进气水头时，气体开始置换土中孔隙水。由地下水位延伸到该处的饱和带常被称为毛细湿润带在进气水头高度以上，土体含水量将随着高度的增加而降低，最小直径的毛细管水将上升到最大高度hc吸力水头较大时，土体的含水量非常少，主要以颗粒吸附水或不连续的弯液状“悬着”水的形式存在。该含水量也常称之为剩余含水量r孔隙水在毛细吸力作用下上升到高于地下水位的某一高度土水特征曲线及特性含水量W

(ua-uw)当量直径dd1d2

(ua-uw)2

(ua-uw)1W2W1假设将土壤中的孔隙设想为各种孔径的圆形毛管，那么吸力和毛管直径d的关系可简单地表示为：根据吸力由此式计算所得的孔径d称为当量孔径土体孔隙的当量直径土水特征曲线及特性孔隙水压力典型剖面土体典型剖面的吸力分布气封闭水开敞水封闭气开敞双开敞减小饱和度增加土粒水气非饱和土的水气形态2.4.2非饱和土的水气形态当土中含水量很小时，孔隙中的气体连通，孔隙水吸附在土颗粒局部和外表，被气体所隔离封闭，可不考虑水的流动，称为水封闭状态。气封闭水封闭双开敞非饱和土的水气形态2.4.2非饱和土的水气形态当气和水都连通，均可能发生流动，称为双开敞体系。相应饱和度对于粘土约为50％－90％；对于砂土30％－80％，这种情况是研究非饱和土渗透性的主要课题。一般需分别考虑空气的流动和水的流动。