对基于轴平移技术测试的非饱和土土水特征曲线的修正方法技术

本发明专利技术提供对基于轴平移技术测试的非饱和土土水特征曲线的修正方法，该方法包括以下步骤：选择非饱和土中孔径为0.003～0.3μm的微孔隙，将一端开口、一端封闭的所述微孔隙理想化为一端开口、一端封闭的不等径或等径毛细管模型；建立非饱和土的基质吸力与孔隙中气体体积的关系；孔隙中气体被压缩过程中，土中孔隙水将填充气体体积压缩部分，即孔隙水填充的体积等于气体体积的压缩量；建立孔隙水填充体积与基质吸力的关系，从而获得修正的含水率与基质吸力之间的关系，建立修正公式；经计算得到轴平移技术的修正土水特征曲线。有益效果是采用本方法可以提高轴平移技术在测试非饱和土土水特征曲线方面的准确性，使测试的土水特征曲线与真实结果更加接近。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于土木工程学科岩土工程测试
，具体涉及一种对基于轴平移技术测试的土水特征曲线的修正方法，主要应用于修正基于轴平移技术测试的土水特征曲线，提高试验结果得准确性。
技术介绍
在蒸发和植物蒸腾作用下，土壤中的水会不断从土中流失，从而形成非饱和土，与饱和土分布范围相比，非饱和土在地球表面的分布更为广泛。在土木工程建设中，遇到的大多数岩土工程都涉及到非饱和土问题，因此，无法使用经典饱和土力学的原理和概念进行解释。对土中水渗流和土的强度基本原理和模型应用方法认识上的不足，给工程应用带来各种各样的隐患。基于土壤物理学的相关理论，人们认识到土壤中负孔隙水压力是影响非饱和土性状的重要因素，将其定义为基质吸力，用毛细管上升实验进行解释，并采用张力计测试基质吸力的大小。但是当张力计测试系统中的水压力接近-101.3kPa时，测试系统中水会出现气蚀，使张力计失效，这种气蚀现象限制了张力计的应用范围。1956年，美国学者Hift为避免张力计在测试基质吸力过程中出现气蚀现象，提出了轴平移技术的概念，即通过提高孔隙水压力的测试基准，避免孔隙水的气蚀。至此，非饱和土相关理论可以通过控制吸力的相关实验进行研究。目前，在非饱和土的相关研究中，轴平移技术理论和基于轴平移技术的实验仪器得到了广泛应用。加拿大学者Fredlund以基质吸力作为第二状态变量，建立了非饱和土抗剪强度理论，并通过基于轴平移技术的非饱和土三轴实验验证了其合理性。国内学者陈正汉等成功研制了国产第一台基于轴平移技术的非饱和土固结仪和直剪仪，并对湿陷性黄土进行了控制吸力的压缩实验和固结排水直剪实验。林鸿州、任淑娟等应用基于轴平移技术的压力板仪测试了不同土样的土水特征曲线。总结已有学者的研究成果，主要存在以下问题：(1)对于相同土样，张力计和基于轴平移技术的土水仪测试得到的土水特征曲线并不一致，差异性范围可达10％～30％甚至更高；(2)基质吸力越大，两种测试方法得到的土水特征曲线差异性越明显；(3)这种差异性没有得到充分认识和合理解释。若忽视轴平移技术在测试土水特征曲线方面的局限性，应用轴平移技术测试土水特征曲线时，相同含水率对应的基质吸力会被人为夸大，同样，相同基质吸力对应的含水率也被人为夸大。将该方法测试的土水特征曲线应用到非饱和土强度理论，非饱和土的强度将被相应增大，土的含水率也得不到正确反映。因此，会导致学者们和工程师对实际工程非饱和土的强度和含水率产生错误判断，可能为工程事故留下隐患。非饱和土的土水特征曲线(SoilWaterCharacteristicCurve，简称SWCC)是反映土的含水率与基质吸力关系的曲线，在非饱和土力学研究和工程应用中具有重大意义。目前，常采用张力计和轴平移技术测试SWCC，张力计具有测试结果准确、难于控制基质吸力等特点，而轴平移技术可以控制吸力，但对测试结果有影响。多位学者的实验成果可知轴平移技术在测试土水特征曲线方面存在误差的事实毋庸置疑。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种客观、合理，可靠性高的对基于轴平移技术测试的土水特征曲线的修正方法，用于修正轴平移技术在非饱和土SWCC测试方面的误差。采用该方法可以修正基于轴平移技术测试的土水特征曲线，使之更加接近真实值。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是提供一种对基于轴平移技术测试的土水特征曲线的修正方法，该方法步骤如下：(1)选择非饱和土中孔径为0.003～0.3μm的微孔隙，将一端开口、一端封闭的所述微孔隙理想化为一端开口、一端封闭的不等径或等径毛细管模型；(2)依据土力学中饱和度公式和孔隙比公式推导出所述微孔隙内部气体体积的计算公式为：va=V(1-Sr)ρwds-ρdρwds---(1)]]>式中，va为孔隙气体积，Sr为土的饱和度，ds为土粒相对密度，ρw为水的密度，ρd为土样干密度，V为土样体积；(3)应用轴平移技术控制非饱和土的基质吸力时，孔隙气的绝对压力与基质吸力的关系公式为：u＝uw+us+u0(2)式中，u为孔隙气的绝对压力，uw为孔隙水压力，us为非饱和土的基质吸力，u0为标准大气压力；(4)非饱和土的基质吸力在密闭环境中控制，孔隙气的绝对压力与孔隙中气体体积的关系用理想气体方程PV＝nRT描述，即当温度恒定时，孔隙气的绝对压力升高，气体体积将减小，基于这种关系推导出非饱和土的基质吸力与气体体积压缩量之间的关系为：Δv=va(1-u0us+uw+u0)---(3)]]>式中，Δv为气体体积压缩量；(5)在非饱和土的基质吸力提升过程中，非饱和土的微孔隙中气体将被压缩，体积压缩的部分由土中孔隙水填充，推导出孔隙水填充量与基质吸力的关系为：式中，ΔV填充水为填充水体积；(6)利用轴平移技术实测土水特征曲线中的含水率减去填充水所占的含水率，推导出修正后的含水率公式为：或式中，θ实测为轴平移技术测得的体积含水率实际值，θ修正为轴平移技术修正后得到的体积含水率，w实测为轴平移技术测得的质量含水率实际值，w修正为轴平移技术修正后得到的质量含水率；以得到修正的体积含水率或质量含水率为纵坐标，基质吸力为横坐标，即得到轴平移技术的修正土水特征曲线。本专利技术的效果是采用本方法弥补了轴平移技术和张力计在土水特征曲线测试数据误差分析方面的空白，解决了轴平移技术方法在基质吸力测试和控制方面存在误差这一严重问题。在考虑环境气压力对微孔隙气体影响的基础上，建立了以基质吸力为自变量的土水特征曲线测试数据修正计算公式。利用本计算方法可以使轴平移技术测试的土水特征曲线与真实曲线接近，对轴平移技术的进一步推广应用具有重要意义。附图说明图1为本专利技术的土样1轴平移技术的实测和修正结果；图2为本专利技术的高基质吸力条件下土样2的实测SWCC及其修正曲线；图3为本专利技术的土样1轴平移技术SWCC修正前后的绝对误差；图4为本专利技术的土样1轴平移技术SWCC修正前后的相对误差。具体实施方式结合附图对本专利技术的对基于轴平移技术测试的土水特征曲线的修正方法加以说明。本专利技术的一种对基于轴平移技术测试的土水特征曲线的修正方法原理是：轴平移技术通过提高孔隙气压力以控制土样的基质吸力，在孔隙气压力增加过程中，非饱和土微孔隙中气体被压缩，体积减小，孔隙水将填充气体体积减小的部分，这部分填充水就是引起轴平移技术在测试SWCC方面产生误差的主要原因。使用轴平移技术实测SWCC对应的含水率减去填充水所占的含水率就是被测土样真实的含水率。在此基础上，可以得到轴平移技术在测试SWCC方面的修正计算公式。本专利技术的对基于轴平移技术测试的土水特征曲线的修正方法作用机理基于：一方面，在理想气体状态方程PV＝nRT基础上，可知，当温度恒定时，PV＝C(常数)，即可得P1V1＝P2V2＝C，计算出孔隙气绝对压力的改变引起孔隙气体积的压缩量；另一方面，非饱和土孔隙气体积减小，孔隙水将填充孔隙气体积减小部分，且满足流动定律。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对基于轴平移技术测试的非饱和土土水特征曲线的修正方法，该方法包括以下步骤：(1)选择非饱和土中孔径为0.003～0.3μm的微孔隙，将一端开口、一端封闭的所述微孔隙理想化为一端开口、一端封闭的不等径或等径毛细管模型；(2)依据土力学中饱和度公式和孔隙比公式推导出所述微孔隙内部气体体积的计算公式为：va=V(1-Sr)ρwds-ρdρwds---(1)]]>式中，va为孔隙气体积，Sr为土的饱和度，ds为土粒相对密度，ρw为水的密度，ρd为土样干密度，V为土样体积；(3)应用轴平移技术控制非饱和土的基质吸力时，孔隙气的绝对压力与基质吸力的关系公式为：u＝uw+us+u0             (2)式中，u为孔隙气的绝对压力，uw为孔隙水压力，us为非饱和土的基质吸力，u0为标准大气压力；(4)非饱和土的基质吸力在密闭环境中控制，孔隙气的绝对压力与孔隙中气体体积的关系用理想气体方程PV＝nRT描述，即当温度恒定时，孔隙气的绝对压力升高，气体体积将减小，基于这种关系推导出非饱和土的基质吸力与气体体积压缩量之间的关系为：Δv=va(1-u0us+uw+u0)---(3)]]>式中，Δv为气体体积压缩量；(5)在非饱和土的基质吸力提升过程中，非饱和土的微孔隙中气体将被压缩，体积压缩的部分由土中孔隙水填充，推导出孔隙水填充量与基质吸力的关系为：式中，ΔV填充水为填充水体积；(6)利用轴平移技术实测土水特征曲线中的含水率减去填充水所占的含水率，推导出修正后的含水率公式为：或式中，θ实测为轴平移技术测得的体积含水率实际值，θ修正为轴平移技术修正后得到的体积含水率，w实测为轴平移技术测得的质量含水率实际值，w修正为轴平移技术修正后得到的质量含水率；以得到修正的体积含水率或质量含水率为纵坐标，基质吸力为横坐标，即得到轴平移技术的修正土水特征曲线。...

【技术特征摘要】
1.一种对基于轴平移技术测试的非饱和土土水特征曲线的修正方法，
该方法包括以下步骤：
(1)选择非饱和土中孔径为0.003～0.3μm的微孔隙，将一端开口、一
端封闭的所述微孔隙理想化为一端开口、一端封闭的不等径或等径毛细管模
型；
(2)依据土力学中饱和度公式和孔隙比公式推导出所
述微孔隙内部气体体积的计算公式为：
va=V(1-Sr)ρwds-ρdρwds---(1)]]>式中，va为孔隙气体积，Sr为土的饱和度，ds为土粒相对密度，ρw为水的密
度，ρd为土样干密度，V为土样体积；
(3)应用轴平移技术控制非饱和土的基质吸力时，孔隙气的绝对压力
与基质吸力的关系公式为：
u＝uw+us+u0(2)
式中，u为孔隙气的绝对压力，uw为孔隙水压力，us为非饱和土的基质吸力，
u0为标准大气压力；
(4)非饱和土的基质吸力在密闭环境中控制，孔隙气的绝对压力与孔
隙中气体体积的关系用理想气体方...

【专利技术属性】
技术研发人员：李顺群，贾红晶，王英红，李琳，于珊，高凌霞，王杏杏，张彦，
申请(专利权)人：天津城建大学，
类型：发明
国别省市：天津;12