路基路面工程是人工构筑物，路基包括路堤填土和路堑边坡，一般是属于经过开挖、重塑和再压实的土，且位于地下水位上方，大多都属非饱和土。非饱和土不同于饱和土，其孔隙中没有完全被孔隙水填充，组成主要为固相(土颗粒)、液相(孔隙水)和气相(孔隙气)的多相体，且在液相与气相之间存在着水与空气的交界面。交界面两侧有一压力差，其中孔隙水压力为负，孔隙气压力为正，两者压力差称为基质吸力。此交界面有研究者Fredlund和Morgenstern将其称为非饱和土独立的第四相——收缩膜，如图2-6所示。

图2-6　非饱和土的组成示意图

土中吸力的理论概念已在土壤物理学中得到发展，它主要是同土-水-植物相关联而发展起来的。土的吸力在解释工程问题中非饱和土的力学性状方面同样具有重要意义。通常认为，土中吸力反映土中水的自由能状态(Edlefsen andAnderson，1943)。土中水的自由能可用土中水的部分蒸气压量测(Richards，1965)。土中吸力(或土中水的自由能)与孔隙水的部分蒸气压之间的热力学关系可以用式(2-37)表示［149］。

式中:ψ——土的吸力或总吸力(kPa);

R——通用气体常数8.31432J/(mol·K);

T——绝对温度T=273.16+T0，K;

vw0——水的比体积或水的密度的倒数1/ρw，m3/kg;

wv——水蒸气的克分子量18.016kg/mol;

——孔隙水的部分蒸气压(kPa);

，——在同一温度下，纯水平面上方的饱和蒸气压(kPa)。

上式表明，吸力的定量是以纯水(即不含盐类和杂质的水)平面上方的蒸气压作为基准的。项称为相对湿度RH(%)。如果选择20℃作为温度基准，上式的常数项为135022kPa，此时式(2-37)可以改写成:

根据相对湿度确定的土中吸力通常称为“总吸力”，它由两个组成部分，即基质吸力和溶质吸力。基质吸力、溶质吸力和总吸力可以定义为［149］:(www.daowen.com)

(1)基质吸力

基质吸力为土中自由能的毛细部分，是通过量测与土中水处于平衡的部分蒸气压(相对于与土中水相同成分的溶液处于平衡的部分蒸气压)确定的等值吸力。

(2)溶质吸力

溶质吸力为土中水的溶质部分，是通过量测与溶液(具有与土中水相同成分)处于平衡的部分蒸气压(相对于与自由纯水处于平衡的部分蒸气压)而确定的等值吸力。

(3)总吸力

总吸力为土中水的自由能，它是通过量测与土中水处于平衡的部分蒸气(相对于与自由纯水处于平衡的部分蒸气压)从而确定的等值吸力。

土中总吸力的组成部分与土中水自由能之间的关系如图2-7所示。图中表示土中水弯曲表面上的部分蒸气压，小于同一土中水在平表面上的部分蒸气压图中由于毛细现象造成弯液面，使土中相对湿度下降。弯液面半径与水面处的空气压力与水压力的差值(即基质吸力)成反比。

因为土中的孔隙水通常含有溶解的盐分，其溶剂平面上方的蒸气压，小于纯水平面上方的蒸气压相对湿度随着土中孔隙水的含盐量的增多而减少，由于土中孔隙水含有溶解盐而造成的相对湿度下降所产生的吸力即为溶质吸力。

图2-7　基质吸力、渗透吸力、总吸力的概念［148］

上述定义表明，总吸力相当于土中水的自由能，而基质吸力和溶质吸力是自由能的组成部分，用公式表述如下:)

式中:ua-uw为基质吸力;ua为孔隙气压力;uw为孔隙水压力;π为溶质吸力。

当非饱和土孔隙水中的矿物浓度对总吸力的影响不大，即渗透吸力可以忽略不计时，土中基质吸力即为总吸力。实际上对于特定的地区，由于矿物成分是一定的，所以渗透吸力的大小也比较稳定，总吸力中对土体物理力学性能有意义的吸力就只有基质吸力了。