[发明专利]一种离心模型试验中测量非饱和土基质吸力的测量方法

说明书

本发明公开了一种离心模型试验中测量非饱和土基质吸力的测量方法。在该方法中，应用微型孔隙水压力传感器进行结构改造，得到密封改造后的微型孔隙水压力传感器的输出电压和负压力之间的线性关系，使其可以测量非饱和土中基质吸力。该方法使用的测量仪器结构简单，尺寸较小，可满足离心机中传感器微型化、轻量化的要求。

技术领域

本发明涉及土质检测技术领域，特别是涉及一种离心模型试验中测量非饱和土基质吸力的测量方法。

背景技术

工程中土体按饱和度，可区分为饱和土和非饱和土两类。在饱和土中，孔隙完全被水充满，孔隙里没有空气存在，这时土中水压力为正值或等于大气压力，这类土通常为地下水面以下土体、滨海软土等。非饱和土中孔隙未被水完全充填，孔隙中存在空气，水的存在可以连续或非连续状态，非饱和土是自然界中土体存在最广泛的形式。

在非饱和土中，由于微孔隙的毛细作用，水存在于土颗粒的接触点上，空气和水接触面为承担表面张力的收缩水膜，因此孔隙中水处于受拉状态，水压力为负值。孔隙气压力与孔隙水压力不相等，孔隙气压力大于孔隙水压力，收缩膜承受着大于水压力的空气压力。在土力学中，这个压力差值称为基质吸力(matrix suction)。基质吸力通常是描述非饱和土的力学性质的重要参数，水土特征曲线即基质吸力与土壤含水率的关系的曲线是描述基质吸力的重要指标。

离心模型试验技术利用离心力场模拟地球重力场，地球重力场1g加速度，在离心机中模拟重力场可达数百g，通过小比尺的几何模型，在离心场中可以实现模拟大坝、边坡、地基等大尺度原型在不同工况下的状态。我国已建有超过20台大中型土工离心机，自上世纪90年代开始，我国开始陆续建造土工离心机，主要分布在中国水利科学研究院、南京水利科学研究院、长江科学院、清华大学、同济大学等科研单位。迄今，我国科研单位离心机已能实现最高600g的离心加速度模拟，超过1000g的土工离心机也在建造中。在离心模型试验中，采用几何缩尺来模拟原型构筑物，如采用50cm高的坝模型，在200g离心加速度下可模拟100m高的大坝，而且坝体固结变形速度和渗流速度是现场的200²倍。由于采用较小尺寸的模型，一般要求测量传感器微型化、精密化，如土压力传感器目前可以做到指甲盖大小。在非饱和土模型试验中，如何采用微型化传感器测量非饱和土的基质吸力就成为一个难题。

通常在现场中测量非饱和土的基质吸力时，采用热传导测头，张力计等均可以达到目标。前者通过测量热量扩散速度的方式，确定传感器周边含水率，再通过含水率和基质吸力的关系反算土体的基质吸力，该类型传感器缺点是尺寸较大，直径超过2.5cm，而且热量扩散有时间性，一次测量需要耗时10分钟左右，对于100g高速离心场，相当于现场时间为27小时，滞后效应严重。后者为直接测量方法，但传感器尺寸更大，通常超过5cm，长度30cm。以上测量方法均不满足离心机中传感器微型轻量化的要求，常规现场测试方法均不能直接应用到离心模型试验中测量非饱和土的基质吸力。

微型孔隙水压力传感器是一种用于测量饱和土中水压力大小的传感器，其直径为6.5mm，长度12mm，其包括一不锈钢圆壳，内部嵌玻璃环，玻璃环外端贴有压力应变膜，圆管外壳外端镶嵌陶瓷滤水石，滤水石和压力应变膜之间是微型水室，微型水室中充满无气水，初始状态下微型水室内水压以大气压力相对零点(即在大气压力作用下，微型水室中水压为零)。其测量水压力的原理是：将微型孔隙水压力传感器埋设在饱和土中时或抛入水中，由于滤水石外侧的水压力要大于内侧微型水室的压力，所以外界水会透过滤水石进入微型水室，直至内外压力达到平衡。此时由于传感器内微型水室的压力变化，导致应变片产生变形，通过测量应变片的变形就可以求得微型水室内的水压力，也即传感器外的水压力。