CN115808362B - 一种基于土水特性曲线的非饱和土动力测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于土水特性曲线的非饱和土动力测试方法，包括以下步骤：步骤S1，取样多组环刀土作为土试样，获取土试样的吸力和含水率；步骤S2，得出土试样的吸力‑含水率关系点，通过数学方法对含水率和吸力数据进行曲线拟合绘制土水特性曲线；步骤S3，配置与步骤S1土试样初始含水率相同的多组土样，将土样安装在三轴实验系统开展动力学实验，步骤S4，得到土样的基质吸力值；步骤S5，根据非饱和土计算理论计算土样内部孔隙气压力。解决了动三轴试验系统不能测得非饱和土的孔隙气压力问题，用传统的动三轴仪器就可以开展非饱和土的动力特性试验，大大缩短了试验时间，降低了试验成本。
Description
技术领域
本发明属于非饱和土实验技术领域，具体涉及一种基于土水特性曲线的非饱和土动力测试方法。
背景技术
自然界中大部分都是非饱和土，近年来，非饱和土的动力特性的研究越来越重要。对非饱和土动力特性的研究中，室内试验是常用的一种方法，动三轴试验是一种获得土体的动剪切强度、模量和阻力比的重要方法，但是传统的动三轴试验系统使用与饱和土。针对非饱和土的动力特性试验，目前国内外主要的办法是在常规的动三轴系统上增加一些硬件和软件，比如增加气压控制器或者内压力室，但是这些方法在操作过程中都要通过非饱和土吸力控制来达到水气平衡，整个过程操作复杂，非常耗时。因此怎样较便捷的获得非饱和土动力特性，提高实验仪器的利用率，更促进非饱和土动力学在工程时间中的应用。
目前，非饱和土动力特性测试存在以下问题 ：
1、大多数非饱和土制样过程复杂，一次试验只能得到一个非饱和土试样，实验通过非饱和土吸力控制来达到水气平衡，整个吸力平衡过程操作复杂，试验操作复杂且耗时长。
2、现有动三轴系统不能测得孔隙气压力，主要的办法是在常规的动三轴系统上增加气压控制器或者内压力室，价格上比常规的动三轴系统贵大概四分之一，每个试样实验需要的时间大概3-6个月不等，仪器的利用率相对较低。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中的不足，本发明设计了一种基于土水特性曲线的非饱和土动力测试方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于土水特性曲线的非饱和土动力测试方法，包括以下步骤：
步骤S1，取样多组环刀土作为土试样，获取土试样的吸力和含水率；
步骤S2，得出土试样的吸力-含水率关系点，通过数学方法对含水率和吸力数据进行曲线拟合绘制土水特性曲线；
步骤S3，配置与步骤S1土试样初始含水率相同的多组土样，将土样安装在三轴实验系统开展动力学实验，监测试验过程中土样的孔隙水压力、围压控制器进水量、反压控制器排水量；
步骤S4，获取动力学实验过程中每个时刻的含水率，将每个时刻的含水率代入土水特性曲线，得到土样的基质吸力值；
步骤S5，根据非饱和土计算理论计算土样内部孔隙气压力。
作为优选，步骤S1中，取9组环刀土作为土试样，并将各组土试样配置为不同的含水率。
作为优选，采用滤纸法获得土试样的吸力和含水率。
作为优选，滤纸法包括：
滤纸包裹环刀土试样10-15天，使滤纸与土试样的吸力达到平衡；
测量土试样和滤纸的含水率，根据滤纸的含水率及滤纸法率定公式计算土样吸力。
作为优选，步骤S3中，
土样含水率可以通过水的质量计算，其中，三轴实验系统的反压控制器的排水量为土样含水量的增加量，三轴实验系统的围压控制器的进水量为土样排出的水量，土样中水的质量为初始土样水质量+反压控制器排水量-围压控制器进水量。
作为优选，步骤S4中，每个时刻的含水率为土样中水的质量比试样土粒质量。
作为优选，步骤S5中，根据非饱和土计算理论，基质吸力为土样内部孔隙气压力与孔隙水压力的差值，由步骤S3中的孔隙水压力，以及步骤S4中的基质吸力值计算土样内部孔隙气压力。
作为优选，基于土水特性曲线得到吸力和含水率之间的数学表达式，代入每个时刻的含水率获取土样的基质吸力值。
作为优选，步骤S3中，配置9组土样，土样的尺寸为39mm*78mm。
有益效果：解决了动三轴试验系统不能测得非饱和土的孔隙气压力问题，用传统的动三轴仪器就可以开展非饱和土的动力特性试验，大大缩短了试验时间，降低了试验成本。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明所提供具体实施例中土水特性曲线图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提出一种能够加快非饱和土动力特性测试的试验方法，可以缩短试验时间，降低试验的复杂程度，从而提高非饱和土动力特性试验效率。
如图1所示，一种基于土水特性曲线的非饱和土动力测试方法，包括以下步骤：步骤S1，通过取样环刀取样多组环刀土，以此作为土试样，获取土试样的吸力和含水率； 步骤S2，得出土试样的吸力-含水率关系点，通过数学方法对含水率和吸力数据进行曲线拟合绘制土水特性曲线；步骤S3，取同一批土，并配置为与步骤S1土试样初始含水率相同的多组土样进行动力学实验，具体地，将土样安装在三轴实验系统开展动力学实验，监测试验过程中土样的孔隙水压力、围压控制器进水量、反压控制器排水量；在动三轴试验过程中，因为动三轴试验属于饱和三轴试验，所以试验过程无法动态监测气压变化。步骤S4，获取动力学实验过程中每个时刻的含水率，含水率，将每个时刻的含水率代入步骤S2中所得到的土水特性曲线，得到土样的基质吸力值；步骤S5，根据非饱和土计算理论计算土样内部孔隙气压力。至此，可以通过土水特性曲线和动三轴试验系统相结合，从而获得基质吸力，孔隙气压力，解决了动三轴试验系统不能测得非饱和土的孔隙气压力和基质吸力的问题，用传统的动三轴仪器就可以开展非饱和土的动力特性试验，大大缩短了试验时间，降低了试验成本。
在一可选实施中，步骤S1中，取9组环刀土作为土试样，配置干密度，干密度指的是土的孔隙中完全没有水时的密度，即固体颗粒的质量与土的总体积之比值，最大干密度一般常在1.4~1.7 g/cm3。并将各组土试样配置为不同的含水率，初始含水率，指土样水的质量， ms指土样固体颗粒的质量。
在本实施中，采用滤纸法获得土试样的吸力和含水率，滤纸法试验是获取土水特征曲线简单、安全、成本低，因此得到广泛的使用，滤纸法的具体步骤包括：
开展滤纸法试验，滤纸包裹环刀土试样10-15天，使滤纸与土试样的吸力达到平衡；
测量土试样和滤纸的含水率，根据滤纸的含水率及滤纸法率定公式计算土样吸力。具体土样含水率和滤纸的含水率，再由滤纸的含水率及滤纸法率定公式计算土样的吸力，滤纸吸力即为土体吸力。
在本实施中，以国产“双圈”牌 No.203型标准滤纸为例，其率定公式如下：
。
在一可选实施中，步骤S3中，试验过程中，试样土粒质量不变，土样含水率的变化可以通过水质量变化计算， 其中，三轴实验系统的反压控制器的排水量为土样含水量的增加量，三轴实验系统的围压控制器的进水量为土样排出的水量，土样中水的质量为初始土样水质量+反压控制器排水量-围压控制器进水量，试样中水的质量，围压控制器进水量、反压控制器排水量，初始土样试样中水的初始质量为。
在一可选实施中，步骤S4中，每个时刻的含水率为土样中水的质量比试样土粒质量，具体试验过程中试样的每个时刻的含水率，根据步骤2得到的土的土水特性曲线，将土含水率带入土水特性曲线，即得到基质吸力值。在本实施中，基于图1所示土水特性曲线（SWCC）得到吸力和含水率之间的数学表达式，图1中y轴为含水率，其单位为％；x轴为基质吸力值，其单位为kpa，在拟合曲线代入每个时刻的含水率获取土样的基质吸力值。
以下通过表1对9组土试样的实验数据进行记录：
建立吸力和含水率间的数学表达式，其中，含水率，根据土水特性曲线所得的基质吸力值-土样含水率的关系为：，以此代入土含水率即得到基质吸力值。
在一可选实施中，步骤S5中，根据非饱和土计算理论，基质吸力为土样内部孔隙气压力与孔隙水压力的差值，即，由步骤S3中的孔隙水压力，以及步骤S4中的基质吸力值计算土样内部孔隙气压力。
在一可选实施中，步骤S3中，配置9组土样，按照相同的方法配置相同初始含水率的土样，即进行动三轴实验的9组土样含水率与进行滤纸法实验的9组土试样含水率一致，以此保证实验结果的准确性，土样的尺寸为39mm*78mm，试样初始含水率，将试样安装在动三轴实验系统，开展土的动力学试验。动三轴试验能实时监测实验过程中的孔隙水压力，围压控制器进水量，反压控制器排水量。
在以上实施例中，含水率为；土样的孔隙水压力为；围压控制器进水量为；反压控制器排水量为；气压为；基质吸力值为；土样水的质量为； 土样固体颗粒的质量为ms；滤纸的含水率为。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于土水特性曲线的非饱和土动力测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，取样多组环刀土作为土试样，获取土试样的吸力和含水率；
步骤S2，得出土试样的吸力-含水率关系点，通过数学方法对含水率和吸力数据进行曲线拟合绘制土水特性曲线；
步骤S3，配置与步骤S1土试样初始含水率相同的多组土样，将土样安装在三轴实验系统开展动力学实验，监测试验过程中土样的孔隙水压力、围压控制器进水量、反压控制器排水量；
步骤S4，获取动力学实验过程中每个时刻的含水率，将每个时刻的含水率代入土水特性曲线，得到土样的基质吸力值；
步骤S5，根据非饱和土计算理论计算土样内部孔隙气压力；
步骤S3中，土样含水率通过水的质量计算，其中，三轴实验系统的反压控制器的排水量为土样含水量的增加量，三轴实验系统的围压控制器的进水量为土样排出的水量，土样中水的质量为初始土样水质量+反压控制器排水量-围压控制器进水量。
2.根据权利要求1所述的基于土水特性曲线的非饱和土动力测试方法，其特征在于，步骤S1中，取9组环刀土作为土试样，并将各组土试样配置为不同的含水率。
3.根据权利要求2所述的基于土水特性曲线的非饱和土动力测试方法，其特征在于，采用滤纸法获得土试样的吸力和含水率。
4.根据权利要求3所述的基于土水特性曲线的非饱和土动力测试方法，其特征在于，滤纸法包括：
滤纸包裹环刀土试样10-15天，使滤纸与土试样的吸力达到平衡；
测量土试样和滤纸的含水率，根据滤纸的含水率及滤纸法率定公式计算土样吸力。
5.根据权利要求1所述的基于土水特性曲线的非饱和土动力测试方法，其特征在于，步骤S4中，每个时刻的含水率为土样中水的质量比试样土粒质量。
6.根据权利要求1所述的基于土水特性曲线的非饱和土动力测试方法，其特征在于，步骤S5中，根据非饱和土计算理论，基质吸力为土样内部孔隙气压力与孔隙水压力的差值，由步骤S3中的孔隙水压力，以及步骤S4中的基质吸力值计算土样内部孔隙气压力。
7.根据权利要求1所述的基于土水特性曲线的非饱和土动力测试方法，其特征在于，基于土水特性曲线得到吸力和含水率之间的数学表达式，代入每个时刻的含水率获取土样的基质吸力值。
8.根据权利要求2所述的基于土水特性曲线的非饱和土动力测试方法，其特征在于，步骤S3中，配置9组土样，土样的尺寸为39mm*78mm。
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