高量程张力计法在非饱和土力学试验技术中的应用

张力计法是一种直接量测土体负孔隙水压的方法，孔隙气压通常等于现场大气压力，由孔隙气压减去负孔隙水压即得到基质吸力。张力计法采用的仪器为张力计（Tensiometer）或负压计，既可用于室外土体吸力测量，也可在实验室内进行量测。

常见的有真空表型负压计和压电式负压计。图1.3为真空表型负压计的照片及示意图，它是由陶瓷头、硬塑料管、集气管、真空表计量指示器等部件组成。测量范围为0～90kPa；精度为2.5kPa；按入土深度分为3种，分别为30cm、50cm和70cm。陶瓷头与压力量测系统之间有一段硬塑料管，导热性低且耐腐蚀。通过张力计的真空表读数可以大致反应出土体的含水率状况（王钊等，2004）。

图1.3　真空表型负压计

影响张力计法测定平衡时间的主要因素有仪器灵敏度、仪器除气程度、土体湿度状况及土体脱湿-吸湿过程等。其中，仪器的灵敏度是直接影响因素，取决于陶瓷头的透水速度以及负压表的代换容量，即单位水量变化引起负压值的变化。

1.2.1.1　张力计的原理

陶瓷头是仪器的感应部件，具有许多微小孔隙，陶瓷头被水浸润饱和后，孔隙内全部充满水，在孔隙水张力的作用下，空气不能通过陶瓷头进入张力计内部，而水可在一定压力下通过陶瓷头。

当充满脱气水且密封的张力计与土体充分接触后，陶瓷头将张力计内部脱气水与土体内孔隙水连接起来。土体中吸力使得水由陶瓷头向土体迁移，即由土水势高处通过陶瓷头向水势低处流动，直至内外水势达到平衡为止。此时，张力计中的水同土中的孔隙水具有相同的负压。张力计内部水压降低，通过硬塑料管内脱气水传到上端。张力计在测试过程中处于真空状态，张力计内部水压的变化可由真空表直接读出，平衡时的读数即为土体的负孔隙水压。因土体的孔隙气压等于大气压，测得的负孔隙水压在数值上与基质吸力相等。

由于塑料管中水的重量增加了下端的水压力，当张力计竖直使用时，测头处的水压力要比真空表量测到的水压力高γwh，其中h为真空表与陶瓷头的高差。若真空表量测到的水压力为uw0，则陶瓷头处水压力为uw＝uw0＋γwh。土体孔隙中的空气通常与地面大气相通，气压可认为是零，故土体中的实际基质吸力s＝-uw＝-uw0-γwh。

由张力计测试原理可知，陶瓷头的饱和质量与张力计的正常使用密切相关。饱和质量越高，吸力测量值就会越准确。同时，张力计内部需确保处于真空状态，除陶瓷头需用脱气水充分饱和以外，硬塑料管中也需充满脱气水。另外，因土中可溶盐能够自由通过陶瓷头，溶质势为零，也就是说，张力计不能量测土中的渗透吸力。

1.2.1.2　张力计的使用方法

确保张力计管中的水始终无空气至关重要。使用前，必须确保陶瓷头无堵塞、无裂缝，然后将陶瓷头用脱气水浸润饱和，用脱气水充满硬塑料管和陶瓷头，并尽可能地除去张力计中的空气，使内部处于高真空状态。具体操作步骤如下：

（1）采用真空泵抽气法及煮沸法最大限度排除蒸馏水中溶解的空气，制备脱气蒸馏水。

（2）打开集气管盖子，将脱气蒸馏水注满张力计，直立15min，让水湿润陶瓷头，并有水从陶瓷头表面滴出。

（3）再次将张力计注满脱气水，将注水处用中间开有小孔的塞子塞紧，用手持抽气机进行抽气，真空表中会有气泡出现并逐渐聚集在集气管中。缓缓拔去塞子，让真空表指针缓慢退回零位。继续将仪器注满脱气水，重复上述抽气方法3～4次，即可除去真空表内大部分空气。

（4）将仪器注满脱气水，盖上橡皮塞密封，然后使张力计直立，让陶瓷头在空气中蒸发，约2h后，即可见真空表的指针指向40kPa左右或更高。此时从陶瓷头、真空表、硬塑料管及集气管中会有埋藏的气泡逸出，轻轻将张力计上下倒置，使气泡集中到集气管中。将陶土管浸入脱气蒸馏水中，真空表指针回零，打开橡皮塞，重新注满脱气水，重复陶瓷头在空气中蒸发的步骤2～3次，直到真空表指针达到80kPa时将陶土管浸入脱气水中，真空表指针回零（徐嘉璐，2014）。

（5）再次将张力计注满脱气水，盖紧橡皮塞，将陶瓷头浸在脱气水中备用。

（6）现场安装。在需要量测土体处钻孔至待测深度（以陶瓷头中心计算），钻孔器直径与陶瓷头的直径相等。倒入少许泥浆，垂直插入张力计，使陶瓷头与土体紧密接触，将周围填土捣实，以免雨水沿张力计管壁周围松土渗到测点。

（7）数据采集。仪器安装好并经历适当时间的平衡之后，便可进行数据采集。(www.xing528.com)

（8）定期检查。定期检查集气管中的空气量，若超过集气管容积的1/2，需缓缓打开橡皮塞重新补满脱气蒸馏水。如埋设前张力计中的空气基本除净，且土体的湿度在仪器的测量范围内，可以连续维持10～25天，不必重新加水。

1.2.1.3　张力计存在的问题

张力计具有许多优点，如体形小、易携带，测读方便；灵敏度较高、反应较迅速；可直接测量，无须事先率定；不受外界环境限制，在室内及野外均可使用。但同时也存在以下缺点：

（1）陶瓷头较脆弱、易开裂，一旦开裂便不能再用。

（2）张力计在试验过程中需要定期进行重新饱和，测定现场土体吸力时十分不便。

（3）在埋置张力计时，张力计的陶瓷头必须与土体接触良好，以确保土中水与张力计中水连续，但在实际操作中很难做到，尤其是在野外。张力计埋置深度不能太深，否则不易在埋设时观察到张力计与土体的接触情况。

（4）测量范围会受“气蚀”现象（Cavitation）的限制，张力计能够量测到的负孔隙水压限值约为负90kPa。当孔隙水压接近负1个大气压（真空）时，水会汽化，张力计连接管中将会出现气泡，无法正确读取数值。因张力计本身测量限值的缘故，随测点深度的增加，量测到的吸力范围将会减小。

1.2.1.4　高量程张力计

普通张力计量程范围均在0～90kPa，腔体内水体在高张拉力作用下容易发生汽化，导致其不能测量高吸力。量测较干燥现场土体的吸力时，需要研制高量程张力计。许多学者研制出了多种不同形式的高量程张力计（Ridley和Burland，1993，1995；Guan和Fredlund，1997；Meilani等，2002；Cui等，2008a；陈中奎，2011；陈锐等，2013）。

渗透张力计（Osmotic Tensiometer）可克服常规张力计的气蚀现象，采用聚乙二醇（PEG）水溶液向张力计提供“初始压力”。因为有初始压力，该张力计可测较高的基质吸力，吸力测定范围由溶液的饱和浓度控制，最高可达12.6MPa。然而，该溶液的浓度随时间和周围湿度的变化而变化，使渗透张力计的应用受到限制。

Ridley和Burland（1993）研制了一款高量程张力计（High-capacity Tensiometer，HCT），可测高达1200kPa的吸力值。该张力计在Entran EPX-500（35bar）孔隙水压传感器上安装有15bar高进气值陶土板，陶瓷头和高精度压力传感器之间的水室中有很薄一层脱气水，水室厚度为毫米水平，如图1.4所示。该张力计灵敏度高、反应时间快，然而不能长时间监测吸力变化。之后，Ridley和Burland（1995）又对其进行了改进，改进后的张力计设计了集成型应变量测隔膜（Integral Strain-gauged Diaphragm），替换之前的商用孔隙水压传感器。此张力计可测吸力达到1800kPa，并可维持4个多小时未发生汽化。Ridley和Burland（1995）设计的张力计中水室体积小于4mm3，厚度约0.1mm，只需几分钟就可直接测量高达1500kPa的吸力。其主要原理是通过进一步减小水室厚度使得水体积减小，从而加快了反应时间。同时，又可抑制气泡产生，减小汽化的概率。测量时在陶瓷头上敷一薄层饱和泥浆，确保陶瓷头与土体接触良好。但该张力计不适合长期监测，且钻孔后需立即测量。

图1.4　高量程张力计（Ridley和Burland，1993）

Meilani等（2002）介绍了新加坡南洋理工大学（Nanyang Technological University）研发的微型张力计探头（Mini Suction Probe），使用由英国Leicester的Druck Ltd生产的15bar微型孔隙水压传感器（Miniature Pore-water Pressure Transducer，PDCR 81），如图1.5所示。PDCR 81孔隙水压传感器连接在高进气值陶土板上。微型张力计探头内设置0.09mm厚的硅胶隔膜（Silicon Diaphragm）。隔膜与不锈钢管外边缘的距离为1.2mm。该吸力探头所用陶土板是在Soilmoisture Equipment Corporation生产的标准5bar高进气值陶土板切割下来，水在其中的渗透系数约为1.21×10-9m/s。为克服低渗透性陶土板量测孔隙水压过程中反应慢的问题，将高进气值陶土板打磨成厚度为1mm的薄板。陶土板和隔膜的间隙要尽量的小（约为0.4mm），从而量测孔隙水压时可获得较高的精度和灵敏度。陶土板制作成T形，使用环氧树脂（Araldite 2021 Epoxy）将其黏结在不锈钢管上。探头很轻，如连接20cm长Teflon导线的探头质量仅为3g。试验结果表明，使用该吸力探头可测量400kPa的基质吸力，并可持续15h；在量测200kPa基质吸力时，持续了155h。

图1.5　微型张力计探头（Meilani等，2002）

如图1.6所示为Cui等（2008a）研制的微型高量程张力计（Miniature Tensiometer）的示意图，所用陶土板进气值为15bar，通过环氧树脂固定在不锈钢张力计的主体上，在陶土板与隔膜（Diaphragm）间有厚度为0.1mm的水室（Water Reservior），应变片（Stain Gauge）粘在隔膜的另一侧，用来监测作用于隔膜上的水压。该张力计可量测0～1500kPa的基质吸力。

在使用之前，张力计先用脱气水在高压（最大到4MPa）下预压饱和（Pre-pressurizing），然后在室温20℃下得到率定曲线。在现场进行吸力测试时，普通张力计难以长时间保持饱和，该吸力量测装置可在测试过程中定期更换饱和好的张力计，而不会对土体造成扰动。使用该仪器进行现场基质吸力量测，范围在20～160kPa之间，并且超过3周的时间不会发生气蚀。