基质吸力

吴成龙浅谈基质吸力壁虎╃王子知识回顾基质吸力的描述基质吸力及其影响因素之间的关系定性研究基质吸力计算公式的推导内容摘要壁虎╃王子知识回顾前次，扬骥为大家讲解了①裂隙土的定义：裂隙粘土，膨胀土，胀缩土的统称。其实，膨胀土和胀缩土的说法都是运用了裂隙土最显著的特性就是遇水膨胀，失水干缩。②裂隙对土的影响：裂隙影响土体强度，压缩性，渗透性，导致其工程性质不好，对边坡稳定构成威胁，也会影响地基承载力。③裂隙的观测，裂隙开裂依据以及开裂深度的定量分析。其间涉及到基质吸力。壁虎╃王子知识回顾-土中水土中水即土的液相，土中水除了一部分以结晶水的形式紧紧吸附于固体颗粒的晶体内格外，还存在吸着水和自由水两大类。工程上对土中水的分类，如下表所示。水的类型主要作用力吸着水物理化学力自由水毛细管水表面张力及重力重力水重力壁虎╃王子知识回顾-毛细现象壁虎╃王子知识回顾-表面张力壁虎╃王子知识回顾-摩尔，摩尔质量，摩尔体积，摩尔气体常数摩尔，是国际单位制7个基本单位之一。摩尔是用来衡量物质微观粒子多少的物理量。符号为n，单位为摩尔（简称为摩，符号为mol）。每1摩尔任何物质含有阿伏加德罗常数（约6.02×10^23）个微粒。1摩尔物质所占的体积Vm，称为摩尔体积。1摩尔物质的质量称为该物质的摩尔质量，用符号Mm表示。摩尔气体常数，符号R。是一个在物态方程式中连系各个热力学函数的物理常数。壁虎╃王子知识回顾-热力学温度和蒸气压热力学温度，符号T，单位K。热力学温度T与人们惯用的摄氏温度t的关系是：T（K）=273.15+t(℃)。一定外界条件下，液体中的液态分子会蒸发为气态分子，同时气态分子也会撞击液面回归液态。一定时间后，即可达到平衡。平衡时，气态分子含量达到最大值，这些气态分子对液体产生的压强称为饱和蒸气压，简称蒸气压。凹液面的液体，它的蒸气压小于平液面的正常蒸气压。壁虎╃王子知识回顾基质吸力的描述基质吸力及其影响因素之间的关系定性研究基质吸力计算公式的推导内容摘要壁虎╃王子基质吸力的描述基质吸力随土中含水量增加而降低，因而是不稳定的。膨胀土和黄土随温度的增加而强度显著降低，非饱和土基坑雨季容易发生事故，花岗岩残积土边坡暴雨容易发生浅层滑坡，都和基质吸力的降低有关。总之，把握好基质吸力是非饱和土研究的重要环节。不同学者对基质吸力下的定义不同，但基本上都认为，以下是我对基质吸力的理解。壁虎╃王子基质吸力的描述-基质吸力可以看作是土基质对水的吸持潜能基质，是指细小的土颗粒。基质吸力可以看作是土基质对水的吸持潜能。土基质吸持水分的机理十分复杂，但可概括为吸附作用和毛细作用。单纯使用毛细模型来解释和表达基质吸力具有一定的局限性，但是由于毛细作用的机理比较清楚，数学处理也比较便利，所以在非饱和土力学的定量研究中常常还是将基质吸力作用等同于毛细效应。壁虎╃王子基质吸力的描述-土基质对水的吸持潜能与土体的含水率有关土基质对水的吸持潜能与土体的含水率有关。由于饱和土体所有孔隙都已经被水占据，因此没有吸水的能力了，所以，我们认为饱和土的基质吸力等于0。而非饱和土的孔隙并没有被全部占据，所以具有吸水的潜能，基质吸力大于0。壁虎╃王子基质吸力的描述-基质吸力的大小主要是针对弯液面处的压力差而言的基质吸力的大小主要是针对弯液面处的压力差而言的。弯液面又称水-气界面，收缩膜（非饱和土研究中的第四相）。与大气接触的水平面处的水压为0。而与大气接触的弯液面的水压相对气压是负值。这说明弯液面处存在压力差。壁虎╃王子基质吸力的描述-基质吸力的大小主要是针对弯液面处的压力差而言的任意区域表面张力合力=0p内=p外平面p外p内凹液面受到指向液体外部的合力pp内p外凹面p内pp外p附加压力pp内=p外+p壁虎╃王子基质吸力的描述-非饱和土体的基质吸力大小与土体的深度呈现一定的关系理想化的基质吸力分布处于地下水位以上的非饱和土体的基质吸力大小与土体的深度呈现一定的关系。假定土壤地表基质吸力为So,地下水位处基质吸力为0,基质吸力从地表至地下水位处线性减小。壁虎╃王子基质吸力的描述-土水特征曲线基质吸力与土的含水率有关基质吸力与土的含水率有关，它与含水率之间的关系曲线称为土水特征曲线。由图可见，同一土体随着含水率的降低，基质吸力升高。同一土体基质吸力随含水率变化还与脱水、吸水过程相关。不同土体在同一含水率下的基质吸力大小不相等，至于为什么？下面有推导。壁虎╃王子基质吸力的描述-基质吸力的大小基质吸力的大小，一般不采用去计算，而是通过室内测量或者现场测量去量测，测定的方法一般有张力计法，滤纸法，热电阻法，压力陶瓷板法，这里不做说明。值得一提的是，低饱和度时，负孔隙水压力可达到很高的负值，约为7000kpa，由此也可见基质吸力对土的应力状态有着重大的影响。壁虎╃王子基质吸力的描述-基质吸力如何产生土体裂隙土颗粒单元体假定土体为均质各向同性弹性体,使用适当的应力状态变量,非饱和土的本构关系可由饱和土的本构方程延伸而得:HuuEuEuwyzxx)2(壁虎╃王子基质吸力的描述-总结综合考虑以上几点，可以看出，基质吸力的本质可以看成是由于水液面存在表面张力而发生的毛细效应。基质吸力的大小始终考虑的是水气界面的效应。土体含水率降低时，孔隙中气体增多，毛细管增多，毛细效应增强，基质吸力增大。基质吸力的增大导致水平应力的减小。土体最终在干湿循环，水分蒸发下产生裂隙。壁虎╃王子知识回顾基质吸力的描述基质吸力及其影响因素之间的关系定性研究基质吸力计算公式的推导内容摘要壁虎╃王子基质吸力计算公式的推导下面利用关于弯曲表面内外压差的Young–Laplace公式和关于弯曲表面蒸气压变化的Kelvin公式来推导基质吸力计算公式。Young–Laplace公式与Kelvin公式是物理化学中的两个基本公式，下面直接引用，只作简要说明。Young–Laplace公式表述了曲面内外压差与表面张力及表面曲率之间的关系。即弯曲表面两边的压差等于表面张力与表面曲率参数的积。对于任意曲面，一般而言，需要2个曲率半径来描述。设R1和R2为2个正交方向的曲率半径，则曲面的曲率参数为Young–Laplace的一般形式为式中，Δp为弯曲表面两边的压差；γ为表面张力；R1，R2为两正交方向的曲率半径。对于曲率半径为r的球面，则Young–Laplace公式简化为壁虎╃王子基质吸力计算公式的推导式中：r为球状弯液面的曲率半径。Kelvin公式是根据热力学原理推导出的，表述一定温度下弯液面的蒸气压变化与弯液面的曲率、表面能及液体摩尔体积的关系，可得RR为摩尔气体常数，T为绝对温度，P为T温度下弯液面的蒸气压，p0为T温度下平液面的蒸气压，V为液体摩尔体积。将Kelvin公式代入到简化的球状弯液面Young–Laplace公式后，可以得到式中，为弯液面蒸气的相对湿度，记为Hr。当弯液面凸向液体一侧时，Hr＜1，这是非饱和土中毛细作用的情形。在此种情形中，Δp为负值，这是由于毛细水具有负孔隙水压力所至。为与前述基质吸力的定义式一致，设s=−Δp，则有，壁虎╃王子基质吸力计算公式的推导以上我们已经推导得到V取水的摩尔体积，为水的摩尔质量Mm与水的密度ρw之比所以公式进一步化为水的摩尔质量Mm为一物理常数，等于18.016g/mol，摩尔气体常数R等于8.314J·mol^－1·K^－1公式最终简化为由公式可见，土的基质吸力与非饱和土中水–气体系的温度、孔隙水的密度和孔隙气的相对湿度有关。壁虎╃王子知识回顾基质吸力的描述基质吸力及其影响因素之间的关系定性研究基质吸力计算公式的推导内容摘要壁虎╃王子基质吸力及其影响因素之间的关系定性研究研究思路从上面的公式推导，我们已经可以看出土的基质吸力与非饱和土中水–气体系的温度、孔隙水的密度和孔隙气的相对湿度有关。那我们尝试采用温湿度计量测土样附近空气的温度和相对湿度，然后查阅有关手册获取相应温度下水的密度值，最后利用公式来计算土的基质吸力，从而研究基质吸力及其影响因素之间的关系。壁虎╃王子基质吸力及其影响因素之间的关系定性研究研究途径进行室内试验。测试的对象为重塑非饱和粘性土土样。该试样是按设计的水分状态和密度状态将散状土料先用纯水调配后经分层压密而成。土的水分状态变量用含水量w表示，土的密度状态变量用干密度ρd表示。每制成1个试样，即将其装入塑料杯中密封，静置2d，以便水分在试样中迁移平衡，同时孔隙气与杯中空气的相对湿度也达到平衡，采用SHINYEI温湿度计量测杯中空气的温度与相对湿度。测试数据见下表。壁虎╃王子基质吸力及其影响因素之间的关系定性研究壁虎╃王子基质吸力及其影响因素之间的关系定性研究利用上表中的数据和公式计算非饱和土样的基质吸力，计算后的数据汇于下表。壁虎╃王子基质吸力及其影响因素之间的关系定性研究研究成果本次试验表明，基质吸力在中高含水量段对密度状态的变化不敏感，而在低含水量段对密度状态的变化比较敏感，基质吸力随干密度的增大而明显增大。干密度变化对基质吸力的影响壁虎╃王子基质吸力及其影响因素之间的关系定性研究研究成果可见，在中高含水量段，即当w≥16.34%时，基质吸力几乎不随饱和度的变化而变化，仅在特征含水量w=18.16%处，基质吸力随饱和度的增大而略有降低。在低含水量段，即当w＜16.34%时，基质吸力随饱和度的增大而急剧增大。这表明基质吸力在中高含水量段对饱和度的变化不敏感，而在低含水量段对饱和度的变化非常敏感。密度状态相关的饱和度变化对基质吸力的影响壁虎╃王子基质吸力及其影响因素之间的关系定性研究研究总结对基质吸力的影响也不外乎结构和水2个主要因素。在高含水量段时，水起主导作用，这时干密度的变化不起大的作用，而且当含水量较大时，在重塑过程中往往因为土的粘着性较大而促使土团粒接触形成明显的大孔隙骨架，土中粗大孔隙相对发达，导致基质吸力较低。在低含水量段时，结构影响比较明显，这就产生了饱和度越大基质吸力反而越大的“反常”现象。正如在前面推导基质吸力公式的过程中所揭示的那样，Young–Laplace公式表明孔隙的半径越小，弯液面的曲率越大，基质吸力越大。在低含水量段，随着土的干密度的增大，土的细微结构无论是在数量上、层次上以及复杂程度上都有显著的增加，故其基质吸力的明显增大并非反常。