(1)仪器介绍

目前常用的土-水特征曲线都是在无应力条件下得到的吸力与含水量的关系。近年来，通过试验发现，处于不同应力状态下的土体，其土-水特征曲线是不一样的。因此，很有必要研究应力状态对土-水特征曲线的影响。基于此，许多岩土工程学者开始对压力板仪进行改进以解决上述问题。Saskatchewan大学的Fredlund教授和GCTS公司联合研制了一种能测定完整土-水特征曲线的固结仪，该仪器的总装图如图3-4所示。

GCTS土-水特征压力仪采用轴平移技术来控制基质吸力，试样的孔隙气压力通过调压阀控制，水压力为0，从而通过调节孔隙气压力的大小来控制基质吸力;通过水体变管测量试样含水量的变化，进而确定不同基质吸力下的含水量，即土样的土-水特征曲线。

图3-4　GCTS土水特征压力仪图示

在自然条件下，认为非饱和土的孔隙气压力为大气压力，孔隙水压力为负值，难以测量。该仪器控制了气压力，根据陶土板的进气值，孔隙气压力的范围为0～500kPa，孔隙水压力为0(不考虑位置水头的影响)。在试验时为了确保盖板与试样接触，施加一个1kPa的轴压力，这样试样能够与陶土板较好地接触，确保两者构成一个完整的水路通道。

该仪器具备以下功能:

1)能够施加轴压力，模拟土层的上覆压力，即净法向应力;

2)在试验过程中能够实时监测土样排出或吸入的水量;

3)在试验过程中能够实时监测土样的竖向变形;

4)在试验过程中无须拆除压力室而对一个试样进行连续测试。

在压力室的顶部设置一补偿体抵消气压力对压杆向上的作用力，这样就可以通过加载架对试样施加竖向净应力，竖向净应力的大小为加载气压与加载器内部横断面积的乘积。加载杆向上或向下运动分别表示土样膨胀或压缩，相应的变形可通过百分表实时监测。

(2)试验方案

通过测定试验土样在无应力下和50kPa的净应力下的土-水特征曲线分析净应力对土-水特征曲线的影响。为了进行对比，要求两组试样的初始含水量和孔隙比保持一致，按含水量为15.7%，干密度为1.68g/cm3称取一定质量的土样进行压样。其中一组试样在试验过程中，不施加净应力;另一组施加50kPa的净应力。土样加压的吸力分别按照1kPa、5kPa、10kPa、20kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、500kPa逐级进行加压。

(3)制备和饱和土样

1)试样制备。将原扰动土样过2mm筛，测量其含水量，再按设计的含水量掺入一定量的水，使其达到设计的含水量，将配好水的土样搅拌均匀，装入密封性好的塑料袋后放在恒温室内静置48h，让水分均匀地浸入到土样中;将制备好的土样从塑料袋中取出，手工搓细，再过2mm筛;按要求的孔隙比称取一定质量的过筛土样，倒入已装入环刀的制样器中，再用千斤顶压实成样。

制备的试样直径为5.12cm，高度为2.83cm。按含水量为15.7%，干密度为1.68g/cm3称取一定质量的土样进行压样。

2)饱和陶土板和土样。根据土壤的类型和试验要求，参考土工试验规程中试样的饱和方法，采用真空饱和法。

真空饱和法是黏质和粉质土常用的一种饱和法，其主要操作过程是，按照规程要求将装有土样的环刀和陶土板固定在饱和器中，然后将饱和器放入真空压力锅内。关闭进水和进气阀门，开抽气阀门，开动真空泵，抽除缸内及土中的气体，当真空表示数达到约1个负大气压力值后，继续抽气，黏质土约1h，粉质土约0.5h，稍微开启进水阀，将清水徐徐地注入真空压力锅内。待饱和器完全淹没在水中后，停止抽气，关闭进水阀，开启进气阀，使空气进入到真空压力锅内，静置一段时间，借大气压力使试样饱和［154］。(www.daowen.com)

(4)试验方法

基本操作流程如下:

1)在装样前，擦干饱和陶土板表面的多余水分，并称取陶土板的重量，以校正陶土板水分的变化对试样的影响，然后在凹槽内嵌入陶土板，使陶土板底部和试样内部构成一条连续的水路通道。

2)安装试样:将饱和的试样放在陶土板中央，然后压上盖板，封闭压力室并使压杆和盖板紧密接触。

3)装样之后，分别装好气压的输入管路和水路的输出管路，输出管路分别与控制面板上的两个变管相连，然后用注射器分别对底座、两路出水管路以及两个体变管中可能残存的气泡进行冲刷，待冲刷完毕后记录时间以及体变管中水的初始高度。

4)测试过程:待记下初始读数后，通过气动力加载架施加轴向压力，等到平衡后再通过压力室施加气压力。体变管中的水位读数可用于实时监测试样的含水量变化，当吸力达到平衡后，可以通过增大气压来施加下一级吸力值。在轴应力和吸力平衡的过程中，都要实时监测试样的竖向变形。在整个试验过程中，都要保持轴应力为设计的轴应力。

5)试验过程中可利用注射器冲刷左管、右管和压力室底部的气泡，反复冲刷直至没有气泡流入体变管中。在冲刷气泡时需要记录冲刷前后体变管的水位读数，其差值即为气泡的冲刷量。最后在计算试样当前的含水量时，以冲刷后的计数为准。

6)最后一级吸力结束后，卸除压力室，然后通过称量试样的重量和陶土板的重量来确定最终含水量，并与体变管间接测定的最终值进行对比验证。再通过各级吸力稳定后的水体变管读数确定相应的含水量，从而得到土水特征曲线的数据点。

各级吸力下含水量的计算公式为:

式中:wi、mi分别为某一级吸力下试样的含水量与质量(g);

wn、mn分别为最后一级吸力稳定后试样的含水量与质量(g)。

(5)试验结果

经过4个月的试验，分别得到了无净应力和净应力为50kPa时的土-水特征曲线，如图3-5所示。

图3-5为无净应力和净应力为50kPa两种情况下的土-水特征曲线。两种情况下的初始试样是一样的，初始制样干密度均为1.68g/cm3，故饱和后的初始含水量均为23.32%。从图中可以看出，施加了净应力的土样在开始施加气压力时的含水量为22.43%，比无净应力的小。这是因为施加了净应力，土样在饱和状态下压缩，孔隙比和含水量均减小。另外，无净应力的试样在基质吸力大于20kPa后，含水量开始随着吸力的增加快速减小，而净应力为50kPa的试样在基质吸力大于50kPa后才出现含水量快速减小的情况;且无净应力的试样在快速脱水段的斜率比净应力为50kPa的大，这主要是由于施加净应力后孔隙尺寸变小导致的。施加净应力后，孔隙比减小，土中的最大孔隙及平均孔隙减小，最大孔隙尺寸减小导致土体进气值增大;平均孔隙尺寸减小，导致土体持水性能增强，脱水速度减慢。

图3-5　不同净应力下的土-水特征曲线