2.3　本章采用的吸力量测方法

本章在测量膨胀土在低吸力阶段的土体吸力均采用轴平移技术(压力板法),中～高吸力阶段的土体吸力采用滤纸法,更高吸力阶段的土体吸力采用蒸汽平衡法(饱和盐溶液法)。下面分别对压力板法、滤纸法和蒸汽平衡法测吸力做详细介绍。

2.3.1　压力板法

压力板法测土-水特征曲线即是基于轴平移技术来量测或控制基质吸力的。压力板法是测量土-水特征曲线低吸力范围常采用的方法,一般控制和量测基质吸力的范围为0～1500kPa。如图2.4所示,压力板仪由空气压力室及置于其中的高进气值陶土板组成。陶土板的进气值应该大于所需要控制的最大吸力值,陶土板的进气值有1bar、3bar、5bar、15bar等。陶土板底部连接着排水量测系统和孔隙水压测量装置。在陶土板上面的压力室内,施加所需要的气压力进行吸力控制。

如果吸力平衡过程中排水阀门关闭,试样装置在陶土板上,通过气压阀门使压力室内的气压升高,试样中的孔隙水压力也会升高,升高的值大约等于压力室内的气压值与大气压力的差值。即所谓轴平移技术,吸力平衡后的孔隙水压力值大于0,可以通过压力传感器测量,可以有效地避免“气蚀”现象的发生；如果吸力平衡过程中,保持排水状态,吸力平衡后试样的孔隙水压力为0,其所加气压值等于吸力值,此时可通过排水量测系统测量试样的排水量。

2.3.2　滤纸法

滤纸法量测土样中的吸力,最早是由Gardner(1937)[119]提出的,此后许多学者对滤纸法进行大量研究(Ophori和Maharjan,2000；王钊等,2001；Leong等,2002；Rifat和Warren,2005；叶为民等,2006；等)[120-124]。滤纸法为间接测量吸力的方法,成本低,操作过程简单,量测吸力值范围大,并且滤纸法可同时测定土样总吸力和基质吸力。

滤纸率定曲线的准确性直接影响到滤纸法测量吸力的试验结果,滤纸法的率定技术可参照标准(ASTM D 5298—94,1997)[125]执行。滤纸的率定是通过建立滤纸的含水量与吸力之间的关系来确定的,主要有两种方法：一种是利用已知渗透吸力的盐溶液与滤纸达到平衡时的含水率来加以建立；另一种则是借助压力板吸力仪、密封的容器和高精度天平等设备来确定的。同一牌子滤纸的率定曲线是相同的。国际常用的两种滤纸商标是Whatman No.42和Schleicher Schuell No.589。国内学者对其率定曲线也做了大量的研究,蒋刚等(2000)[126]应用压力膜吸力仪得到了“双圈”牌滤纸脱湿过程和脱湿-吸湿过程的率定曲线；程金茹等(2002)[127]采用饱和盐溶液的量测吸力技术,研究了“双圈”牌滤纸的率定曲线；王钊等(2003)[128]对“双圈”牌滤纸的率定曲线和率定的过程进行了分析研究,并探讨了许多对测量结果有影响的因素。本研究采用Whatman No.42圆状滤纸,直径为55mm。有许多学者测定过Whatman No.42滤纸的率定曲线(Fawcett和Collis-George,1967；Al-Khafaf和Hanks,1974；Deka,1995；ASTM D 5298—94,1997；Leong等,2002)[123,126,130-132],其中较有代表性的为Leong等(2002)[122]的率定曲线。该率定曲线起始状态为干的滤纸进行率定得到的。由于滤纸在浸湿和干燥过程中的含水量与吸力关系有若干滞回现象。量测吸力时如果采用起始为湿的滤纸,则需要用起始为湿的滤纸建立新的率定曲线。该率定曲线表明基质吸力与总吸力采用不同的率定曲线。

Leong等(2002)[122]得到Whatman No.42滤纸的率定曲线方程式如式(2.8)和式(2.9),其中基质吸力的率定公式为式(2.8)：

总吸力的率定公式为式(2.9)：

式中：s和ψ分别表示基质吸力和总吸力；wf表示滤纸的含水量。

2.3.3　蒸汽平衡法

总吸力是土中水溶液平衡的部分蒸汽压及与自由纯水平衡的部分蒸汽压之比,通过量测与土中水处于平衡的部分蒸汽压(相对于纯水处于平衡的部分蒸汽压)而确定的等值吸力。总吸力等于溶质吸力与基质吸力之和。根据热力学理论,总吸力可以用Kelvin's方程式(Sposito,1981)[129]表示如下：

式中：ψ为土中总吸力；R为理想气体常数8.31432,J/(mol·K)；vw0为水密度的倒数1/ρw,m3/kg；T为绝对温度；wv为水蒸气的克分子量18.016kg/(k·mol)；uv为孔隙水的部分蒸汽压,kPa；为同一温度下纯水(不含杂质或盐分的水)平面上方的饱和蒸汽压,k Pa；为相对湿度,即RH。如果选择20℃作为温度基准,上式可写为：

非饱和土的总吸力可以通过控制试样周围空气的相对湿度(RH)来控制。相对湿度可以通过水溶液(Esteban和Saez,1988；Oteo-Mazo等,1996；Delage等,1998；Al-Mukhtar等,1999)[109-110,134-136]或者通过饱和蒸汽控制。用溶液控制相对湿度首先是土壤相关的科学家提出的,Esteban和Saez(1988)[109]首次将此技术应用到岩土试验中。盐溶液控制吸力的方法一般用来研究高吸力范围内各种膨胀土的力学特征(Oteo-Mazo等,1995；Al-Mukhtar等,1999；Lloret等,2003)[135-137]。

图2.5简明地显示了盐溶液控制相对湿度的基本工作原理。土试样放置在密闭的容器中,密闭容器中的热动力环境由某种盐溶液控制。根据盐溶液的物理化学特性,在密闭的环境中,其不同的饱和盐溶液可以控制不同的相对湿度(RH)值。吸力平衡过程中,水蒸气在试样和饱和盐溶液之间进行交换,直至吸力达到平衡。相对湿度的控制通过不同的饱和盐溶液(Delage等,1998)[110],还可以通过相同溶液的不同浓度来控制(Oteo-Mazo等,1996)[130]。饱和盐溶液控制相对湿度的优点：盐溶液与试样进行水蒸气交换的过程中,盐溶液的得水与失水对于平衡状态中的相对湿度值影响不明显。非饱和盐溶液的得水与失水对于平衡状态中的相对湿度值影响比较明显。因此本试验中采用多种的饱和盐溶液控制相对湿度。