轴平移控制技术：1.4.1资料解析

在大气压力下，非饱和土试样的孔隙水压是负值。水室中的水压力如果是负压，水会汽化，即原本溶解在水中的空气，由于压力降低而释放出来变成气泡，就会影响水压力的量测。只要吸力不变，非饱和土性质就不变。基质吸力s＝ua-uw，轴平移法是同时增加孔隙气压和孔隙水压，使试样中的应力状态变量保持不变进而可以解决孔隙水压量测的气蚀（Cavitation）问题。也就是说，轴平移技术（Axis Translate Technology）把实际ua＝0，uw＜0的问题转化为控制ua并使uw＝0的问题。这个技术最初是由Hilf（1956）提出的，轴平移技术是在不排水条件下人为提高孔隙气压，相应的孔隙水压随之平移提高，而二者之间的差值，即基质吸力保持不变。

随着轴平移控制吸力技术的提出，非饱和土的测试技术便得到了快速的发展，目前该技术已经被广泛地应用于非饱和土的室内实验仪器的研发中。Escario（1980）和陈正汉等（2004）研制了基于轴平移测试技术的非饱和土压缩仪和直剪仪，并进行了控制基质吸力的非饱和土压缩和强度试验。2003年英国GDS公司（Geotechnical Digital Systems Instruments Ltd.）研制了非饱和三轴仪，该仪器通过孔隙气压控制器和孔隙水压控制器实现对基质吸力的控制。香港科技大学的Ng和Pang（2000）基于轴平移测试技术研制了可控制竖向压力的一维体积压力板仪，用于测量侧限状态下承受不同竖向应力土样的土-水特征曲线。

压力板法测土-水特征曲线即是用轴平移技术来量测或控制基质吸力，是测量低吸力常采用的方法，压力板仪是最常用的仪器。较早的压力板仪是由Mou和Chu（1981）研发的，如图1.30所示。目前，常用的压力板仪有美国加利福尼亚州Santa Barbara的Soil Moisture仪器公司制造的压力板仪，如图1.31所示，最大基质吸力为1500kPa；Tempe压力仪（Tempe Pressure Cell）（图1.32）和体积压力板仪，可用于施加较低值的基质吸力（不大于200kPa）；还有薄膜压力板仪，用硝化纤维塑料膜（Celluloid Memberane）（Esteban，1990）代替高进气值陶土板。Soil Moisture公司生产的压力板仪，其压力室安装有高进气值陶土板，土样放置在陶土板的上面，陶土板下是充满脱气水的水室，如图1.31（d）所示。该仪器设置有气泡冲刷装置以确保水室始终保持无气状态。

图1.30　压力板仪（Mou和Chu，1981）

图1.31（一）　Soil Moisture公司生产的压力板仪

图1.31（二）　Soil Moisture公司生产的压力板仪

吸力探针（Suction Probe）法也是采用轴平移技术。增加压力室内的空气压力，使高进气值陶土板下面的水压尽可能保持零值。一般来说，轴平移技术在试验室内能够相当精确地测出负孔隙水压，量测范围为0～1500kPa。Meilani等（2002）对非饱和土三轴仪进行了改进，在试样高度3/4、1/2和1/4处分别布设微型吸力探针，量测试样相应高度处的基质吸力值。

1.4.1.1　实验原理

轴平移技术的关键在于高进气值陶土板，如图1.33所示。陶土板用高岭土焙烧制成，具有许多均匀的微细孔。当陶土板完全饱和时，在陶土板表面就形成收缩膜，如图1.34所示为高进气值陶土板的工作原理示意图。

图1.32　Tempe压力仪

图1.33　高进气值陶土板及底座

图1.34　高进气值陶土板工作原理示意图（贾红晶，2016）

当陶土板充水饱和，收缩膜产生的表面张力Ts阻挡了空气通过陶土板，而陶土板中的水将土中的孔隙水同量测系统中的水连接起来，这样陶土板在非饱和土与进/排水量测系统或孔隙水压量测系统之间起着分界面的作用。陶土板的顶面承受的是孔隙气压，底面承受的孔隙水压，二者之差值即为土样的基质吸力。通过陶土板的分界作用，可单独控制孔隙气压和孔隙水压，从而实现对基质吸力的控制。在基质吸力量测过程中水始终保持静止状态，这是轴平移技术的基本条件。使用该技术控制吸力的范围受陶土板进气值的限制，即要确保基质吸力值小于陶土板的进气值。

陶土板能够保持的最大基质吸力值定义为陶土板的进气值（ua-uw）d，当土中的基质吸力超过陶土板的进气值，孔隙气就会穿过陶土板进入进/排水量测系统或孔隙水压量测系统，这样就会导致量测结果出现错误。因此，试验中务必要保证对试样施加的气压小于陶土板的进气值。陶土板的进气值可用Kelvin公式表示：

式中 （ua-uw）d——高进气值陶土板的进气值；

　　Ts——收缩膜或水-气分界面的表面张力（20℃时，Ts＝72.75m N/m）；

　　Rs——陶土板最大孔隙的半径。

表面张力Ts随温度变化很小。陶土板的进气值主要取决于最大孔隙的半径Rs；而板的孔径大小取决于陶土板的制造焙烧工艺。板的孔径越小，其进气值越大。

当孔隙气压等于大气压时，测得的负孔隙水压在数值上与基质吸力相等。当孔隙气压大于大气压时，土的基质吸力为张力计的读数与孔隙气压之和。目前，陶土板主要有0.5bar、1bar、2bar、3bar、5bar和15bar（1bar＝100kPa）等几种规格，对应的进气值分别为50kPa、100kPa、200kPa、300kPa、500kPa和1500kPa，其物理特性如表1.4所示。试验中根据土性选用不同规格的陶土板。由陶土板的特性及工作原理可知，完全饱和的陶土板才可起到孔隙气压与孔隙水压的分界作用。因此，在试验之前将陶土板完全充分地饱和是关系到试验成功的关键步骤。

表1.4　陶土板的物理特性（陶土板厚度6.35mm）

1.4.1.2　仪器及操作步骤简介

如图1.35所示为GCTS SWC-150装置，由美国GCTS公司生产。该装置应用轴平移技术原理实现对基质吸力的控制和测量，得到非饱和土的土-水特征曲线（Perez-Garcia等，2008）。试验过程中，试样通过排水管与外界相连，孔隙水压为大气压，孔隙气压为施加于压力室的气压。(www.xing528.com)

图1.35　GCTS SWC-150装置照片及构造示意图

1.仪器组成

GCTS SWC-150装置由压力室和压力控制板组成。压力室由不锈钢土样室、底座、顶盖、螺栓和陶土板组成。不锈钢土样室、底座、顶盖和螺栓组成密封空间，以保证压力室内施加的气压力不变。陶土板是轴平移技术的关键构件，起到排水隔气的作用。此仪器中，陶土板为独立配件，更换方便。根据试验土样的种类和试验方法，可选用1bar、3bar、5bar或15bar进气值的陶土板。受陶土板进气值的限制，该仪器最大气压力为1500kPa。试验之前，陶土板要充分饱和，以便在试验过程中水能够自由地通过陶土板。一般土工实验室由空压机提供的气源最大压力为800kPa，如需施加大于800kPa的气压，需借助增压器，以提高气源压力的范围。

压力控制板上有一个高低压转换阀（High/Low阀）、两个调压阀、一个低量程压力表（0～200kPa，精度为2kPa）和一个高量程压力表（最大可达1500kPa，精度为20kPa）。根据预施加的目标基质吸力，确定High/Low阀的指向，选择合适的压力表和调压阀控制压力室中的气压。当控制的基质吸力小于200kPa时，将High/Low阀旋转到Low档；当基质吸力大于200kPa时，转换阀旋转到High档。

2.气泡冲刷及吸排水量的量测

压力控制板上左右两个体变管通过软管与压力室底座相连，用来量测试样中水量的变化，该仪器体变管的刻度差值与水的质量不统一，需要乘以修正系数0.73，将刻度读数的差值转变为水的质量。

当非饱和土的基质吸力小于陶土板的进气值时，空气与水可以用陶土板隔离开。因此，高进气值陶土板被广泛应用在非饱和土的试验中。然而在加气压条件下，压力室中部分气体在高压环境下会溶解于孔隙水中，随着水的流动穿过陶土板，因陶土板下方水室与外部大气相连，所以溶于水中的气体又会析出，形成小气泡集结在陶土板底部。试验进行一段时间后，空气的析出量会逐渐增大，引起体变管中的排水量虚高，据此计算得到的土样水量变化值会产生较大的误差（Padilla等，2006；Li等，2007）。同时，气泡混入吸/排水量测系统会使吸力平衡时间延长，尤其在进行吸湿试验时，这部分气泡如不及时清理会严重影响水的吸入。

冲刷（Flush）是减小扩散气泡对水体积变化量量测精度的不利影响的常用且有效的方法。试验过程中定期冲刷陶土板底部和管路中的气泡，冲刷间隔时间根据扩散到量测系统中的气泡量而定。一般来说，施加的气压越大，气体扩散速度越快，扩散到量测系统中的气泡量越多，冲刷间隔的时间应相应地缩短。非饱和土压缩试验或土-水特性测试试验中，当吸力较小时，一般在施加下一级荷载之前，即试样吸/排水量变化稳定时进行冲刷；若吸力较大，接近陶土板进气值时，冲刷次数要相应增加。

冲刷前需先记录体变管中水位刻度。冲刷时，打开压力室底座左右两侧阀门，使压力控制板上左右两侧体变管与压力室底座经管路连通。通过左右两个体变管冲刷气泡。气泡冲刷示意图如图1.36所示。将GCTS注射器插入注气口，轻推注射器把柄，使注射器中的空气缓慢进入左侧体变管中，测量系统中的水将向压力小的另一侧流动，在流动的过程中，陶土板底部聚集的气泡随水流流动，最终被排出测量系统，如此反复几次，直至排净陶土板底部的气泡。压力室底座的顶面采用螺旋设计，如图1.33所示，这种设计方法可以更加充分的排净陶土板底部的气泡。

试样中水量的变化应为GCTS体变管的读数变化减去扩散出来的气泡量。Li等（2007）对气体在陶土板中的扩散进行了细致的研究。如图1.37（a）所示为15bar进气值陶土板中气体扩散率随气压的变化曲线，可以看出在较小气压时，气体扩散率基本很小，当气压大于200kPa，随着气压的不断增大，气体扩散率约成线性增长，且在气压达到1485kPa，接近陶土板进气值1500kPa时，气体扩散率高达0.55cm3/d。对体变管实际量测的排水量值进行修正，应去除气体扩散量。图1.37（b）中的圆点“○”为体变管量测结果，三角形点“△”为去除气体扩散量之后的实际排水量。通过上述处理，即可算出施加某级气压下试样平衡时的排水量，进而可以准确计算得到吸力平衡时试样对应的含水率。更多关于冲刷的详细方法、冲刷系数的确定、气体扩散量的试验测定及修正方法可参考闫威（2009）、孙文静（2009）。

图1.36　气泡冲刷示意图（贾红晶，2016）

图1.37　气体在陶土板中的扩散及水体积变化量校正（Li等，2007）

1.4.1.3　轴平移技术的应用

1.实例1：粉质黏土的土-水特性

如图1.38所示为利用压力板轴平移技术量测得到的珍珠土（Pearl Clay）的土-水特征曲线。图1.38（a）为用同种土样制成的不同初始密度击实样的土-水特征曲线（Sun等，2007）。试验是在增加含水率条件下完成的，即所测得的SWCC曲线为吸水曲线。由图1.38（a）可知，孔隙比对非饱和土的土-水特征曲线的影响很大。孔隙比小的土-水特征曲线在孔隙比大的右边。也就是说，同样吸力条件下，孔隙比小的饱和度要比孔隙比大的饱和度高。孔隙比减小，保水性增大，这是由于孔隙比小时气体难以进入试样孔隙的缘故。

图1.38　压力板法测土-水特征曲线

对于同一种土，即使孔隙比相近，其土-水特征曲线也会因土孔隙孔径大小分布不同而不同。图1.38（b）为用不同制样方法得到同种土试样的土-水特征曲线（孙德安，2008）。试验结果表明，在孔隙比相近的条件下，用泥浆固结试样的土-水特征曲线在击实试样的右边。也就是说，泥浆固结试样的进气值要大，泥浆固结试样过渡区间的曲线斜率比击实试样的要大，这是由于泥浆固结试样的大孔隙直径比击实试样的最大孔隙直径要小，并且泥浆固结试样的孔隙大小较均匀（孙德安和高游，2015）。

2.实例2：膨润土掺砂混合物的土水特性

试验所用膨润土及砂样为Kunigel V1钠基膨润土和丰浦砂。膨润土与砂按干质量比为3：7的比例配合。膨润土与砂混合物的土-水特性测试试验中，低吸力段（s＜1500kPa）采用如图1.35所示的GCTS压力板仪量测吸力；高吸力段（s＞1500kPa）采用滤纸法量测吸力（孙文静，2009）。

膨润土与砂混合物击实试样底面直径为5cm（环刀内径）、高度为2cm。试样的初始孔隙比e0为0.587，初始含水率w0为8.83%，初始吸力s0用滤纸法量测约为2500kPa。膨润土与砂混合物由初始吸力s0逐渐湿化至饱和，吸力加载路径为s0→1500→600→300kPa，稳定后将吸力降为0，使试样充分吸水饱和，因膨润土与砂混合物的低渗透性，该饱和过程历时92d，之后进行干化试验，吸力路径为s＝0→10→20→40→80→160→320→500→1000kPa。

在用压力板法测膨润土与砂混合物击实试样的基质吸力之前，打开进水阀，关闭出水阀，使陶土板充分饱和。装样前关闭进水阀，吸干陶土板表面上多余的水分，避免陶土板表面有水珠，然后将击实试样放在陶土板上。将试样压力室组装完成，并用螺栓固定后，根据目标吸力值，调节调压阀选择施加的气压，此时排水阀仍处于关闭状态，经过适当的时间（约1～2h，与所施加的气压和试样的初始状态有关）后再打开排水阀，这样可以使施加的气压充分均匀地布满试样。因为试验过程中，试样的孔隙水压通过陶土板与外界大气压相通，故uw＝0。根据轴平移理论，此时的气压值即为试样的基质吸力。

试验过程中定时记录吸/排水管中的水位，得到试样含水率的变化规律及判断该级吸力作用下何时达到平衡状态。同时，记录竖向位移计的读数。在湿化阶段（吸力减小阶段），根据该竖向位移计的读数可以判断吸力是否达到平衡。同时，混合物在吸水时体积膨胀，试样始终紧贴环刀内壁，没有水平方向的变形、只有竖向变形，故通过位移计的读数变化可推算出试样的体积变化。而在干化阶段即吸力增加阶段，位移计的读数在某范围内只能作为参照。因为吸力增大到某一程度后，试样会收缩，脱离环刀内侧，单靠判断竖向位移计读数是否稳定来确定吸力是否平衡是不可靠，因为试样在干化过程中会产生收缩变形。为了准确测量到干化过程试样的体积变化，在每级吸力平衡后，即吸/排水管中的水位变化不大时，快速拆样，测得试样的质量、直径和高度，然后再快速装样，以减小此卸载过程对混合物击实试样的变形和含水率的影响。试样在该级吸力稳定后继续施加下一级目标吸力，每级吸力的稳定时间为7～10d。

最后一级吸力达到平衡后，关闭进出水阀，读取位移计读数。卸载2～3h后再读取位移计读数，拆样，量取试样质量及尺寸，根据位移计读数差值反推最后一级吸力对应的试样高度。将每级吸力平衡后得到的试样含水率或饱和度连成曲线，得到混合物击实样在低吸力段的土-水特征曲线。压力板法试验结束后，将取出的试样放置5～6d，使内部水分蒸发，再按1.3.2中的滤纸法测吸力的步骤测量试样的基质吸力。

图1.39　膨润土与砂混合物的土-水特征曲线（孙文静，2009）

如图1.39所示是膨润土与砂混合物的土-水特征曲线。在虚线处，吸力为试样的初始吸力，虚线左右两侧的土-水特征曲线试验点分别由压力板法和滤纸法测得。压力板法测得的湿化段土-水特征曲线中，试样含水率随着吸力的减小而逐渐增大；滤纸法测得的高吸力段土-水特征曲线与压力板法测得的低吸力段土-水特征曲线有较好的一致性；该膨润土与砂混合物击实试样的残余含水率约为9%，如图1.39（a）所示。由饱和度与吸力间关系曲线的湿化段，得到饱和度随着吸力的减小而逐渐增大，且当吸力小于600kPa时，饱和度上升的趋势更加明显，如图1.39（b）所示。由干化段土-水特征曲线可以得到，干化过程中含水率和饱和度随吸力的增大而减小，且滤纸法测得的高吸力段土-水特征曲线与压力板法测得的低吸力段土-水特征曲线有较好的一致性。同时，由饱和度与吸力间关系曲线的干化段得到膨润土与砂混合物击实试样的进气值sA在500kPa左右，如图1.39（b）所示。该膨润土与砂混合物击实样的土-水特征曲线与Fleureau等（2002）测得的膨润土试样的SWRC形状基本一致。