陈宇龙等：不同应力状态下孔隙结构特征对土~水特征曲线的影响 ·151· 应力和基质吸力虽然都能引起体积的变化，但两 为进一步研究进气值、残余基质吸力与减湿率随固结 种力的作用位置、作用面积和作用机理都不一样[20] 压力的变化规律，绘制出图8.从图中可以发现，进气 2.2应力状态对土-水特征曲线的影响 值、残余基质吸力和减湿率与固结压力的关系近似 2.2.1加载段 线性. 利用质量含水率作为含水率指标，加载段脱湿过 0.30 ◆-减湿率 4.0 25 程的质量含水率随基质吸力的变化规律如图7所示. 。一进气值 ·一残余基质吸力 从图中可以看出，不同固结压力作用下的土-水特征 0.25 3.8 20 曲线的形态基本一致，呈现典型的三阶段变化特征：边 界效应阶段、转化阶段和残余阶段.处于边界效应阶 段，土体孔隙呈现出水连续孔隙结构特征.该阶段的 0.20 3.6 基质吸力小于进气值，质量含水率未见明显的减小 进入转化阶段，质量含水率随基质吸力的增大而急剧 015 J3.4 J10 减小.土体孔隙从水连续转化为气连续，基质吸力在 100 200 300 固结压力kPa 对土体的吸持作用越来越显著.在残余阶段，基质吸 图8固结压力与进气值、残余基质吸力及减湿率的关系曲线 力非常大，孔隙状态完全到达气连续、水不连续 Fig.8 Variation of consolidation pressure with air entry values,re- 0.3 sidual suction and the slope of the oil-water characteristic curves --300 kPa --200 kPa 对于一给定土样，土体材料已然固定不变，土体的 △-100kPa 0.2 脱湿状态及对应的基质吸力只取决于土体中孔隙的尺 寸和数量，即在一定的基质吸力条件下大于该等效孔 隙尺寸的孔隙则失水：反之，小于该等效孔隙尺寸的孔 0.1 隙则持水.由此可知，土-水特征曲线在反映土体含水 率与基质吸力关系的同时，还反映了土体的孔隙结构 特征[2].固结压力对土-水特征曲线的影响是通过改 10 10 101 10P 103 变土体孔隙状况来表现的.固结压力越大，土颗粒就 基质吸力/Pa 越紧密，孔隙比越小，孔隙尺寸和数量越小，饱和含水 图7加载段脱湿过程的土-水特征曲线 率越低，且渗透性越差，表现出较好的持水能力，空气 Fig.7 Soil-water characteristic curves during drying for the loading 难以进入土体，土体排水困难，导致进气值增大.超过 stage 进气值后，较大固结压力作用下曲线斜率较平缓，土样 低固结压力条件下土样的孔隙尺寸较大，因此饱 排水较慢，导致相同基质吸力时，较大固结压力条件下 和质量含水率较高.较大的孔隙导致土样失水速率较 的含水率高于较小固结压力条件下的含水率 大，土-水特征曲线随着基质吸力增大与高固结压力 2.2.2卸载段 条件下的土-水特征曲线出现交叉，在残余阶段又与 卸载段脱湿过程的质量含水率随基质吸力的变化 高固结压力条件下的土-水特征曲线的差异被缩小， 规律如图9所示.从图中可以看出，卸载段的土-水特 03 说明固结压力对土一水特征曲线的影响在残余阶段不 卸载段 显著，在转化阶段最显著.这是由于高基质吸力段是 o一脱混湿，300kPa o-吸湿300kPa 由小孔控制，固结压力作用对小孔的影响较小，所以在 0.2 △-200kPa -100kPa 高基质吸力段，土一水特征曲线的差异变小.高固结压 力条件下土样的孔隙被压缩，孔隙尺寸减小且连通性 .1 变差，表现出更强的持水性能，土-水特征曲线更平 0.8一中 缓.在转化阶段，同一基质吸力条件下，固结压力越 大，质量含水率越大 10中 102 103 进气值中，、残余基质吸力中，与减湿率s控制着土- 基质吸力kPa 水特征曲线的形状，是土-水特征曲线的控制参数.从 图9卸载段脱湿过程的土-水特征曲线 图8可以看出，进气值和残余基质吸力随着固结压力 Fig.9 Soil-water characteristie curves during drying for the unloa- 的增大而增大，减湿率则随着固结压力的增大而减小 ding stage陈宇龙等: 不同应力状态下孔隙结构特征对土鄄鄄水特征曲线的影响 应力和基质吸力虽然都能引起体积的变化,但两 种力的作用位置、作用面积和作用机理都不一样[20] . 2郾 2 应力状态对土鄄鄄水特征曲线的影响 2郾 2郾 1 加载段 利用质量含水率作为含水率指标,加载段脱湿过 程的质量含水率随基质吸力的变化规律如图 7 所示. 从图中可以看出,不同固结压力作用下的土鄄鄄 水特征 曲线的形态基本一致,呈现典型的三阶段变化特征:边 界效应阶段、转化阶段和残余阶段. 处于边界效应阶 段,土体孔隙呈现出水连续孔隙结构特征. 该阶段的 基质吸力小于进气值,质量含水率未见明显的减小. 进入转化阶段,质量含水率随基质吸力的增大而急剧 减小. 土体孔隙从水连续转化为气连续,基质吸力在 对土体的吸持作用越来越显著. 在残余阶段,基质吸 力非常大,孔隙状态完全到达气连续、水不连续. 图 7 加载段脱湿过程的土鄄鄄水特征曲线 Fig. 7 Soil鄄鄄water characteristic curves during drying for the loading stage 低固结压力条件下土样的孔隙尺寸较大,因此饱 和质量含水率较高. 较大的孔隙导致土样失水速率较 大,土鄄鄄水特征曲线随着基质吸力增大与高固结压力 条件下的土鄄鄄 水特征曲线出现交叉,在残余阶段又与 高固结压力条件下的土鄄鄄 水特征曲线的差异被缩小, 说明固结压力对土鄄鄄水特征曲线的影响在残余阶段不 显著,在转化阶段最显著. 这是由于高基质吸力段是 由小孔控制,固结压力作用对小孔的影响较小,所以在 高基质吸力段,土鄄鄄水特征曲线的差异变小. 高固结压 力条件下土样的孔隙被压缩,孔隙尺寸减小且连通性 变差,表现出更强的持水性能,土鄄鄄 水特征曲线更平 缓. 在转化阶段,同一基质吸力条件下,固结压力越 大,质量含水率越大. 进气值 鬃a、残余基质吸力 鬃r与减湿率 s 控制着土鄄鄄 水特征曲线的形状,是土鄄鄄水特征曲线的控制参数. 从 图 8 可以看出,进气值和残余基质吸力随着固结压力 的增大而增大,减湿率则随着固结压力的增大而减小. 为进一步研究进气值、残余基质吸力与减湿率随固结 压力的变化规律,绘制出图 8. 从图中可以发现,进气 值、残余基质吸力和减湿率与固结压力的关系近似 线性. 图 8 固结压力与进气值、残余基质吸力及减湿率的关系曲线 Fig. 8 Variation of consolidation pressure with air entry values, re鄄 sidual suction and the slope of the oil鄄鄄water characteristic curves 对于一给定土样,土体材料已然固定不变,土体的 脱湿状态及对应的基质吸力只取决于土体中孔隙的尺 寸和数量,即在一定的基质吸力条件下大于该等效孔 隙尺寸的孔隙则失水;反之,小于该等效孔隙尺寸的孔 隙则持水. 由此可知,土鄄鄄水特征曲线在反映土体含水 率与基质吸力关系的同时,还反映了土体的孔隙结构 特征[24] . 固结压力对土鄄鄄水特征曲线的影响是通过改 变土体孔隙状况来表现的. 固结压力越大,土颗粒就 越紧密,孔隙比越小,孔隙尺寸和数量越小,饱和含水 率越低,且渗透性越差,表现出较好的持水能力,空气 难以进入土体,土体排水困难,导致进气值增大. 超过 进气值后,较大固结压力作用下曲线斜率较平缓,土样 排水较慢,导致相同基质吸力时,较大固结压力条件下 的含水率高于较小固结压力条件下的含水率. 2郾 2郾 2 卸载段 图 9 卸载段脱湿过程的土鄄鄄水特征曲线 Fig. 9 Soil鄄鄄 water characteristic curves during drying for the unloa鄄 ding stage 卸载段脱湿过程的质量含水率随基质吸力的变化 规律如图 9 所示. 从图中可以看出,卸载段的土鄄鄄水特 ·151·