土-水特征曲线表示的是土体含水量随吸力的变化曲线。大量试验表明，含水量与基质吸力不是简单的一一对应的关系，土-水特征曲线的干燥段和吸湿段存在一定的滞回效应［157］。为了将问题简单化，同时考虑到实际工程中可以接受的误差程度，这里不考虑土-水特征曲线的滞回性。

图4-2　典型的土水特征曲线

图4-2为典型的土-水特征曲线示意图。如图所示，通常将土-水特征曲线划分为3个区段［158］:边界效应段、转化段和残余段。边界效应段对应于吸力小于进气值的那一部分曲线，此时，孔隙中充满水，土体处于饱和状态，含水量随着吸力的增加变化很小;当吸力大于进气值以后，气体开始进入土体孔隙，孔隙中的水开始逐步排出，这一阶段对应于转化段，含水量随着吸力的增加快速减小;当含水量减小到残余含水量以后，需要增加很大的吸力才能引起含水量的少量变化，这一阶段对应于残余段。这3个阶段的曲线都可以近似用一条直线来表示。由于残余段对应的吸力较大，在自然状态下路基土通常处于边界效应段和转化段，因此可以建立残余段之前的含水量与吸力之间的关系，作为实用的土水特征曲线模型。

含水量可以用质量含水量、体积含水量和饱和度来表示。由于在表示水相的本构关系时，采用的是水的体积比dVw/V0，故建立含水量与净应力和吸力的关系时选择体积含水量。体积含水量与质量含水量和饱和度之间有一定的关系，只要确定了体积含水量，质量含水量和饱和度均可以通过下式得到:

式中:Gs表示土粒的相对密度，θ为体积含水量，w为质量含水量，S为饱和度。

从土-水特征曲线的基本形状特性看出，边界效应段和转化段可以近似由两条直线来表示，其中边界效应段的渐近线几乎是水平的。具有这种特性的曲线可以用下式来表示:

式中:a、b分别为转化段渐近线的截距和斜率;c为边界效应段水平渐近线与转化段渐近线交点对应的吸力值。

从式(4-26)可以看出，当吸力远远大于c以后，θ=a-blg(s+c)逐渐接近于θ=a-blgs，即转化段的渐近线;而在边界效应段，吸力为0时对应的含水量为θ=ablgc，过该点的水平渐近线即为θ=a-blgc。因此，用式(4-26)表示的土-水特征曲线，它满足了在边界效应段和转化段有2条渐近线的要求。

在不同净应力下，体积含水量–吸力的关系曲线是不同的。因此，参数a、b、c均随净应力的变化而变化。为了简化，认为参数a、b、c与净应力p满足线性关系，因此有(www.daowen.com)

式中:a0、b0、c0分别为净应力为0kPa时的值;a1、b1、c1分别为参数a、b、c随净应力变化的斜率。

将式(4-27)代入式(4-26)得到用净应力和吸力表示的体积含水量表达式:

下面引用文献［156］中的试验数据(见表4-1)对以上建立的含水量与净应力和吸力的关系，即式(4-28)进行验证。

拟合试验用土的含水量与净应力和基质吸力的表达式(即式(4-28))中的参数，得到:a0=3.1381，a1=0.00280，b0=1.0736，b1=0.000479，c0=319.5433，c1=1.4643。根据拟合结果，得到试验用土的含水量-净应力-基质吸力三维曲面，如图4-3所示。从图4-3可以看出，试验数据与拟合曲面吻合较好。

图4-3为根据式(4-28)得到的体积含水量-净应力-吸力三维曲面。从图中可以看出，在不同净应力下，体积含水量随着吸力的增大逐渐减小，且净应力越大，体积含水量随吸力减小的幅度越小。这主要是因为在不同净应力下，当吸力达到土体某一孔隙的进气值时，该孔隙将开始排水，因而在吸力的作用下体积含水量逐渐减小;而土体受的净应力越大，土体被压缩后土中孔隙越小，导致孔隙的有效半径越小，进气值越大，因而在相同的吸力下排出的水越少，体积含水量越大。

图4-3　体积含水量-净应力-基质吸力三维曲面

综上所述，土体的孔隙比和含水量是净应力和吸力的函数，只需确定式(4-23)和式(4-28)中的参数，就可以得到土体的孔隙比和含水量与净应力和吸力的关系，确定在任一应力状态下的孔隙比和含水量。