土中吸力
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反映土中吸水能力的一种力,它表征孔隙水自由能的状态。总吸力(ψ)由基质吸力(s)和渗透吸力(π)两部分组成。
式中,ua为孔隙气压力;uw为孔隙水压力。
基质吸力也就是毛管吸力。非饱和土中的孔隙水压力常为负值,当孔隙气压力等于大气压力时,基质吸力即等于孔隙水压力的绝对值,并可由下列毛管吸力公式计算:
式中,ρw为水的密度;g为重力加速度;hc为毛管上升高度;Ts为水的表面张力;Rs为弯液面的曲率半径。
基质吸力也可以通过弯液面上方蒸汽压力差值计算。渗透吸力是由于土中孔隙水含有溶解盐而引起的,即溶解盐越多,渗透吸力越大。渗透吸力的大小可以根据孔隙水上方蒸汽压力与纯水上方蒸汽压力的差值计算。
总吸力的量测方法有湿度计法和滤纸法两种。湿度计法量测土孔隙中气体的相对湿度,并由下式计算总吸力:
式中,R为气体常数;T为绝对温度;ωv为水蒸气的克分子量;
分别为孔隙水的蒸汽压和纯水平面上方的饱和蒸汽压; 为相对湿度。滤纸法是一种间接量测方法,即用干滤纸贴在试样表面吸水,根据收水量与吸力之间的率定曲线计算吸力。
基质吸力的量测方法有直接法和间接法两种。直接法中常用的是张力计法和轴平移法,前者直接测定负的孔隙水压力,后者用加大孔隙气压力的办法把孔隙水压力转为正值,使两者之差即吸力保持不变。由于正的孔隙压力容易测定,轴平移法在室内试验中得到广泛应用。间接量测法用热传导传感器,并根据热传导量与含水率之间的关系通过率定曲线计算出吸力。
基质吸力对非饱和土的抗剪强度和胀缩变形特性有重要的影响,已成为土力学中的一个新的研究领域。其研究途径有两种:第一种途径仿照饱和土的有效应力原理,把非饱和土的有效应力公式写为
式中,χ为经验常数;σ-ua又称净应力。另一途径则把σ-ua和s作为两个独立的变量,并称为双变量理论。