基質(zhì)吸力--趙紀(jì)飛課件

1、吳成龍吳成龍淺談基質(zhì)吸力淺談基質(zhì)吸力壁虎壁虎王子王子知識回顧知識回顧基質(zhì)吸力的描述基質(zhì)吸力的描述基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系定性研究基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系定性研究基質(zhì)吸力計算公式的推導(dǎo)基質(zhì)吸力計算公式的推導(dǎo)內(nèi)容摘要內(nèi)容摘要壁虎壁虎王子王子知識回顧知識回顧n 前次，揚驥為大家講解了裂隙土的定義裂隙土的定義：裂隙粘土，膨脹土，脹縮土的統(tǒng)稱。其實，膨脹土和脹縮土的說法都是運用了裂隙土最顯著的特性就是遇水膨脹，失水干縮。裂隙對土的影響裂隙對土的影響：裂隙影響土體強度，壓縮性，滲透性，導(dǎo)致其工程性質(zhì)不好，對邊坡穩(wěn)定構(gòu)成威脅，也會影響地基承載力。裂隙的觀測裂隙的觀測，裂隙開裂依據(jù)以及開裂深度的定

2、量分析。其間涉及到基質(zhì)吸力其間涉及到基質(zhì)吸力。壁虎壁虎王子王子知識回顧知識回顧- -土中水土中水n 土中水即土的液相，土中水除了一部分以結(jié)晶水的形式緊緊吸附于固體顆粒的晶體內(nèi)格外，還存在吸著水和自由水兩大類。工程上對土中水的分類，如下表所示。水的類型水的類型主要作用力主要作用力吸著水物理化學(xué)力自由水毛細(xì)管水表面張力及重力重力水重力壁虎壁虎王子王子知識回顧知識回顧- -毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象壁虎壁虎王子王子知識回顧知識回顧- -表面張力表面張力壁虎壁虎王子王子知識回顧知識回顧- -摩爾，摩爾質(zhì)量，摩爾體積，摩爾氣體常數(shù)摩爾，摩爾質(zhì)量，摩爾體積，摩爾氣體常數(shù)n 摩爾，是國際單位制7個基本單位之一。摩爾是

3、用來衡量物質(zhì)微觀粒子多少的物理量。符號為n，單位為摩爾（簡稱為摩，符號為mol）。每1摩爾任何物質(zhì)含有阿伏加德羅常數(shù)（約6.021023）個微粒。1摩爾物質(zhì)所占的體積 Vm，稱為摩爾體積。1摩爾物質(zhì)的質(zhì)量稱為該物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，用符號Mm表示。摩爾氣體常數(shù)，符號R。是一個在物態(tài)方程式中連系各個熱力學(xué)函數(shù)的物理常數(shù)。壁虎壁虎王子王子知識回顧知識回顧- -熱力學(xué)溫度熱力學(xué)溫度和和蒸氣壓蒸氣壓n 熱力學(xué)溫度，符號T，單位K。熱力學(xué)溫度T與人們慣用的攝氏溫度t的關(guān)系是：T（K）=273.15+t()。n 一定外界條件下，液體中的液態(tài)分子會蒸發(fā)為氣態(tài)分子，同時氣態(tài)分子也會撞擊液面回歸液態(tài)。一定時間后，即可

4、達(dá)到平衡。平衡時，氣態(tài)分子含量達(dá)到最大值，這些氣態(tài)分子對液體產(chǎn)生的壓強稱為飽和蒸氣壓，簡稱蒸氣壓。凹液面的液體，它的蒸氣壓小于平液面的正常蒸氣壓。壁虎壁虎王子王子知識回顧知識回顧基質(zhì)吸力的描述基質(zhì)吸力的描述基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系定性研究基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系定性研究基質(zhì)吸力計算公式的推導(dǎo)基質(zhì)吸力計算公式的推導(dǎo)內(nèi)容摘要內(nèi)容摘要壁虎壁虎王子王子基質(zhì)吸力的描述基質(zhì)吸力的描述n 基質(zhì)吸力隨土中含水量增加而降低，因而是不穩(wěn)定的。膨脹土和黃土隨溫度的增加而強度顯著降低，非飽和土基坑雨季容易發(fā)生事故，花崗巖殘積土邊坡暴雨容易發(fā)生淺層滑坡，都和基質(zhì)吸力的降低有關(guān)?？傊盐蘸没|(zhì)吸力是非飽和土

5、研究的重要環(huán)節(jié)。n 不同學(xué)者對基質(zhì)吸力下的定義不同，但基本上都認(rèn)為 n ，以下是我對基質(zhì)吸力的理解。壁虎壁虎王子王子基質(zhì)吸力的描述基質(zhì)吸力的描述- -基質(zhì)吸力可以看作是土基質(zhì)對水的吸持潛能基質(zhì)吸力可以看作是土基質(zhì)對水的吸持潛能n 基質(zhì)，是指細(xì)小的土顆粒?；|(zhì)吸力可以看作是土基質(zhì)對水的吸持潛能。土基質(zhì)吸持水分的機理十分復(fù)雜，但可概括為吸附作用和毛細(xì)作用。單純使用毛細(xì)模型來解釋和表達(dá)基質(zhì)吸力具有一定的局限性，但是由于毛細(xì)作用的機理比較清楚，數(shù)學(xué)處理也比較便利，所以在非飽和土力學(xué)的定量研究中常常還是將基質(zhì)吸力作用等同于毛細(xì)效應(yīng)。壁虎壁虎王子王子基質(zhì)吸力的描述基質(zhì)吸力的描述- -土基質(zhì)對水的吸持潛能與

6、土體的含水率有關(guān)土基質(zhì)對水的吸持潛能與土體的含水率有關(guān)n 土基質(zhì)對水的吸持潛能與土體的含水率有關(guān)。由于飽和土體所有孔隙都已經(jīng)被水占據(jù)，因此沒有吸水的能力了，所以，我們認(rèn)為飽和土的基質(zhì)吸力等于0。而非飽和土的孔隙并沒有被全部占據(jù)，所以具有吸水的潛能，基質(zhì)吸力大于0。壁虎壁虎王子王子基質(zhì)吸力的描述基質(zhì)吸力的描述- -基質(zhì)吸力的大小主要是針對彎液面處的壓力差而言的基質(zhì)吸力的大小主要是針對彎液面處的壓力差而言的n 基質(zhì)吸力的大小主要是針對彎液面處的壓力差而言的。彎液面又稱水-氣界面，收縮膜（非飽和土研究中的第四相）。與大氣接觸的水平面處的水壓為0。而與大氣接觸的彎液面的水壓相對氣壓是負(fù)值。這說明彎液面

7、處存在壓力差。壁虎壁虎王子王子基質(zhì)吸力的描述基質(zhì)吸力的描述- -基質(zhì)吸力的大小主要是針對彎液面處的壓力差而言的基質(zhì)吸力的大小主要是針對彎液面處的壓力差而言的任意區(qū)域任意區(qū)域表面張力合力表面張力合力= 0p內(nèi)內(nèi)= p外外平面平面 p外外p內(nèi)內(nèi)凹液面受到指向液體凹液面受到指向液體外部的合力外部的合力 pp內(nèi)內(nèi) p外外凹凹面面 p內(nèi)內(nèi) pp外外 p附加壓力附加壓力 p p內(nèi)內(nèi) = p外外 + p 壁虎壁虎王子王子基質(zhì)吸力的描述基質(zhì)吸力的描述- -非飽和土體的基質(zhì)吸力大小與土體的深度呈現(xiàn)一定的關(guān)系非飽和土體的基質(zhì)吸力大小與土體的深度呈現(xiàn)一定的關(guān)系理想化的基質(zhì)吸力分布理想化的基質(zhì)吸力分布 處于地下水位以

8、上的非飽和土體的基質(zhì)吸力大小與土體的深度呈現(xiàn)一定的關(guān)系。假定土壤地表基質(zhì)吸力為So , 地下水位處基質(zhì)吸力為0, 基質(zhì)吸力從地表至地下水位處線性減小。壁虎壁虎王子王子基質(zhì)吸力的描述基質(zhì)吸力的描述- -土水特征曲線土水特征曲線基質(zhì)吸力與土的含水率有關(guān)基質(zhì)吸力與土的含水率有關(guān) 基質(zhì)吸力與土的含水率基質(zhì)吸力與土的含水率有關(guān)，它與含水率之間的關(guān)有關(guān)，它與含水率之間的關(guān)系曲線稱為土水特征曲線。系曲線稱為土水特征曲線。 由圖可見，同一土體隨著含水率的降低，基質(zhì)吸力升高。同一土體基質(zhì)吸力隨含水率變化還與脫水、吸水過程相關(guān)。不同土體在同一含水率下的基質(zhì)吸力大小不相等，至于為什么？下面有推導(dǎo)。壁虎壁虎王子王子基

9、質(zhì)吸力的描述基質(zhì)吸力的描述- -基質(zhì)吸力的大小基質(zhì)吸力的大小n 基質(zhì)吸力的大小，一般不采用 去計算，而是通過室內(nèi)測量或者現(xiàn)場測量去量測，測定的方法一般有張力計法，濾紙法，熱電阻法，壓力陶瓷板法，這里不做說明。值得一提的是，低飽和度時，負(fù)孔隙水壓力可達(dá)到很高的負(fù)值，約為7000kpa，由此也可見基質(zhì)吸力對土的應(yīng)力狀態(tài)有著重大的影響。壁虎壁虎王子王子基質(zhì)吸力的描述基質(zhì)吸力的描述- -基質(zhì)吸力如何產(chǎn)生土體裂隙基質(zhì)吸力如何產(chǎn)生土體裂隙土顆粒單元體土顆粒單元體 假定土體為均質(zhì)各向同性彈性體, 使用適當(dāng)?shù)膽?yīng)力狀態(tài)變量, 非飽和土的本構(gòu)關(guān)系可由飽和土的本構(gòu)方程延伸而得:HuuEuEuwyzxx)2(壁虎壁虎

10、王子王子基質(zhì)吸力的描述基質(zhì)吸力的描述- -總結(jié)總結(jié)n 綜合考慮以上幾點，可以看出，基質(zhì)吸力的本質(zhì)可以看成是由于水液面存在表面張力而發(fā)生的毛細(xì)效應(yīng)?；|(zhì)吸力的大小始終考慮的是水氣界面的效應(yīng)。土體含水率降低時，孔隙中氣體增多，毛細(xì)管增多，毛細(xì)效應(yīng)增強，基質(zhì)吸力增大。基質(zhì)吸力的增大導(dǎo)致水平應(yīng)力的減小。土體最終在干濕循環(huán)，水分蒸發(fā)下產(chǎn)生裂隙。壁虎壁虎王子王子知識回顧知識回顧基質(zhì)吸力的描述基質(zhì)吸力的描述基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系定性研究基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系定性研究基質(zhì)吸力計算公式的推導(dǎo)基質(zhì)吸力計算公式的推導(dǎo)內(nèi)容摘要內(nèi)容摘要壁虎壁虎王子王子基質(zhì)吸力計算公式的推導(dǎo)基質(zhì)吸力計算公式的推導(dǎo)n 下面

11、利用關(guān)于彎曲表面內(nèi)外壓差的YoungLaplace 公式和關(guān)于彎曲表面蒸氣壓變化的Kelvin 公式來推導(dǎo)基質(zhì)吸力計算公式。YoungLaplace 公式與Kelvin 公式是物理化學(xué)中的兩個基本公式，下面直接引用，只作簡要說明。YoungLaplace 公式表述了曲面內(nèi)外壓差與表面張力及表面曲率之間的關(guān)系。即彎曲表面兩邊的壓差等于表面張力與表面曲率參數(shù)的積。對于任意曲面，一般而言，需要2 個曲率半徑來描述。設(shè)R1和R2 為2 個正交方向的曲率半徑，則曲面的曲率參數(shù)為 YoungLaplace 的一般形式為 式中，p為彎曲表面兩邊的壓差； 為表面張力；R1，R2為兩正交方向的曲率半徑。對于曲率

12、半徑為r 的球面，則YoungLaplace公式簡化為壁虎壁虎王子王子基質(zhì)吸力計算公式的推導(dǎo)基質(zhì)吸力計算公式的推導(dǎo)n 式中： r 為球狀彎液面的曲率半徑。 n Kelvin 公式是根據(jù)熱力學(xué)原理推導(dǎo)出的，表述一定溫度下彎液面的蒸氣壓變化與彎液面的曲率、表面能及液體摩爾體積的關(guān)系，可得 R R為摩爾氣體常數(shù)，T 為絕對溫度，P 為T溫度下彎液面的蒸氣壓，p0為T溫度下平液面的蒸氣壓，V 為液體摩爾體積。n 將Kelvin 公式代入到簡化的球狀彎液面YoungLaplace 公式后，可以得到 式中， 為彎液面蒸氣的相對濕度，記為Hr。當(dāng)彎液面凸向液體一側(cè)時，Hr1，這是非飽和土中毛細(xì)作用的情形。在

13、此種情形中，p為負(fù)值，這是由于毛細(xì)水具有負(fù)孔隙水壓力所至。為與前述基質(zhì)吸力的定義式一致，設(shè)s = p，則有，壁虎壁虎王子王子基質(zhì)吸力計算公式的推導(dǎo)基質(zhì)吸力計算公式的推導(dǎo) 以上我們已經(jīng)推導(dǎo)得到 V 取水的摩爾體積，為水的摩爾質(zhì)量Mm與水的密度w 之比所以公式進(jìn)一步化為n 水的摩爾質(zhì)量Mm為一物理常數(shù)，等于18.016 g/mol，摩爾氣體常數(shù)R 等于8.314Jmol1K1n 公式最終簡化為n 由公式可見，土的基質(zhì)吸力與非飽和土中水氣體系的溫度、孔隙水的密度和孔隙氣的相對濕度有關(guān)。壁虎壁虎王子王子知識回顧知識回顧基質(zhì)吸力的描述基質(zhì)吸力的描述基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系定性研究基質(zhì)吸力及其影響因

14、素之間的關(guān)系定性研究基質(zhì)吸力計算公式的推導(dǎo)基質(zhì)吸力計算公式的推導(dǎo)內(nèi)容摘要內(nèi)容摘要壁虎壁虎王子王子基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系定性研究基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系定性研究n 研究思路研究思路n 從上面的公式推導(dǎo)，我們已經(jīng)可以看出土的基質(zhì)吸力與非飽和土中水氣體系的溫度、孔隙水的密度和孔隙氣的相對濕度有關(guān)。那我們嘗試采用溫濕度計量測土樣附近空氣的溫度和相對濕度，然后查閱有關(guān)手冊獲取相應(yīng)溫度下水的密度值，最后利用公式來計算土的基質(zhì)吸力，從而研究基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系。壁虎壁虎王子王子基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系定性研究基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系定性研究n 研究途徑研究途徑n 進(jìn)行室內(nèi)

15、試驗。測試的對象為重塑非飽和粘性土土樣。該試樣是按設(shè)計的水分狀態(tài)和密度狀態(tài)將散狀土料先用純水調(diào)配后經(jīng)分層壓密而成。土的水分狀態(tài)變量用含水量w 表示，土的密度狀態(tài)變量用干密度d表示。每制成1 個試樣，即將其裝入塑料杯中密封，靜置2 d，以便水分在試樣中遷移平衡，同時孔隙氣與杯中空氣的相對濕度也達(dá)到平衡，采用SHINYEI 溫濕度計量測杯中空氣的溫度與相對濕度。測試數(shù)據(jù)見下表。壁虎壁虎王子王子基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系定性研究基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系定性研究壁虎壁虎王子王子基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系定性研究基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系定性研究n 利用上表中的數(shù)據(jù)和公式 計算非飽和土

16、樣的基質(zhì)吸力，計算后的數(shù)據(jù)匯于下表。壁虎壁虎王子王子基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系定性研究基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系定性研究n 研究成果研究成果 本次試驗表明，基質(zhì)吸力在中高含水量段對密度狀態(tài)的變化不敏感，而在低含水量段對密度狀態(tài)的變化比較敏感，基質(zhì)吸力隨干密度的增大而明顯增大。干密度變化對基質(zhì)吸力的影響干密度變化對基質(zhì)吸力的影響壁虎壁虎王子王子基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系定性研究基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系定性研究n 研究成果研究成果 可見，在中高含水量段，即當(dāng)w16.34%時，基質(zhì)吸力幾乎不隨飽和度的變化而變化，僅在特征含水量w = 18.16%處，基質(zhì)吸力隨飽和度的增大而略有降低。在低含水量段，即當(dāng)w16.34%時，基質(zhì)吸力隨飽和度的增大而急劇增大。這表明基質(zhì)吸力在中高含水量段對飽和度的變化不敏感，而在低含水量段對飽和度的變化非常敏感。密度狀態(tài)相關(guān)的飽和度變化對基質(zhì)吸力的影響密度狀態(tài)相關(guān)的飽和度變化對基質(zhì)吸力的影響壁虎壁虎王子王子基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系定性研究基質(zhì)吸力及其影響因素之間的關(guān)系定性研究n 研究總結(jié)研究總結(jié)n 對基質(zhì)吸力的影響也不外乎結(jié)構(gòu)和水2 個主要因素。在高含水量段時