1.2　基质吸力直接量测

1.2.1　张力计法

张力计法是一种直接量测土体负孔隙水压的方法，孔隙气压通常等于现场大气压力，由孔隙气压减去负孔隙水压即得到基质吸力。张力计法采用的仪器为张力计（Tensiometer）或负压计，既可用于室外土体吸力测量，也可在实验室内进行量测。

常见的有真空表型负压计和压电式负压计。图1.3为真空表型负压计的照片及示意图，它是由陶瓷头、硬塑料管、集气管、真空表计量指示器等部件组成。测量范围为0～90kPa；精度为2.5kPa；按入土深度分为3种，分别为30cm、50cm和70cm。陶瓷头与压力量测系统之间有一段硬塑料管，导热性低且耐腐蚀。通过张力计的真空表读数可以大致反应出土体的含水率状况（王钊等，2004）。

影响张力计法测定平衡时间的主要因素有仪器灵敏度、仪器除气程度、土体湿度状况及土体脱湿-吸湿过程等。其中，仪器的灵敏度是直接影响因素，取决于陶瓷头的透水速度以及负压表的代换容量，即单位水量变化引起负压值的变化。

1.2.1.1　张力计的原理

陶瓷头是仪器的感应部件，具有许多微小孔隙，陶瓷头被水浸润饱和后，孔隙内全部充满水，在孔隙水张力的作用下，空气不能通过陶瓷头进入张力计内部，而水可在一定压力下通过陶瓷头。

当充满脱气水且密封的张力计与土体充分接触后，陶瓷头将张力计内部脱气水与土体内孔隙水连接起来。土体中吸力使得水由陶瓷头向土体迁移，即由土水势高处通过陶瓷头向水势低处流动，直至内外水势达到平衡为止。此时，张力计中的水同土中的孔隙水具有相同的负压。张力计内部水压降低，通过硬塑料管内脱气水传到上端。张力计在测试过程中处于真空状态，张力计内部水压的变化可由真空表直接读出，平衡时的读数即为土体的负孔隙水压。因土体的孔隙气压等于大气压，测得的负孔隙水压在数值上与基质吸力相等。

由于塑料管中水的重量增加了下端的水压力，当张力计竖直使用时，测头处的水压力要比真空表量测到的水压力高γw h，其中h为真空表与陶瓷头的高差。若真空表量测到的水压力为uw0，则陶瓷头处水压力为uw＝uw0＋γw h。土体孔隙中的空气通常与地面大气相通，气压可认为是零，故土体中的实际基质吸力s＝-uw＝-uw0-γw h。

由张力计测试原理可知，陶瓷头的饱和质量与张力计的正常使用密切相关。饱和质量越高，吸力测量值就会越准确。同时，张力计内部需确保处于真空状态，除陶瓷头需用脱气水充分饱和以外，硬塑料管中也需充满脱气水。另外，因土中可溶盐能够自由通过陶瓷头，溶质势为零，也就是说，张力计不能量测土中的渗透吸力。

1.2.1.2　张力计的使用方法

确保张力计管中的水始终无空气至关重要。使用前，必须确保陶瓷头无堵塞、无裂缝，然后将陶瓷头用脱气水浸润饱和，用脱气水充满硬塑料管和陶瓷头，并尽可能地除去张力计中的空气，使内部处于高真空状态。具体操作步骤如下：

（1）采用真空泵抽气法及煮沸法最大限度排除蒸馏水中溶解的空气，制备脱气蒸馏水。

（2）打开集气管盖子，将脱气蒸馏水注满张力计，直立15min，让水湿润陶瓷头，并有水从陶瓷头表面滴出。

（3）再次将张力计注满脱气水，将注水处用中间开有小孔的塞子塞紧，用手持抽气机进行抽气，真空表中会有气泡出现并逐渐聚集在集气管中。缓缓拔去塞子，让真空表指针缓慢退回零位。继续将仪器注满脱气水，重复上述抽气方法3～4次，即可除去真空表内大部分空气。

（4）将仪器注满脱气水，盖上橡皮塞密封，然后使张力计直立，让陶瓷头在空气中蒸发，约2h后，即可见真空表的指针指向40kPa左右或更高。此时从陶瓷头、真空表、硬塑料管及集气管中会有埋藏的气泡逸出，轻轻将张力计上下倒置，使气泡集中到集气管中。将陶土管浸入脱气蒸馏水中，真空表指针回零，打开橡皮塞，重新注满脱气水，重复陶瓷头在空气中蒸发的步骤2～3次，直到真空表指针达到80kPa时将陶土管浸入脱气水中，真空表指针回零（徐嘉璐，2014）。

（5）再次将张力计注满脱气水，盖紧橡皮塞，将陶瓷头浸在脱气水中备用。

（6）现场安装。在需要量测土体处钻孔至待测深度（以陶瓷头中心计算），钻孔器直径与陶瓷头的直径相等。倒入少许泥浆，垂直插入张力计，使陶瓷头与土体紧密接触，将周围填土捣实，以免雨水沿张力计管壁周围松土渗到测点。

（7）数据采集。仪器安装好并经历适当时间的平衡之后，便可进行数据采集。

（8）定期检查。定期检查集气管中的空气量，若超过集气管容积的1/2，需缓缓打开橡皮塞重新补满脱气蒸馏水。如埋设前张力计中的空气基本除净，且土体的湿度在仪器的测量范围内，可以连续维持10～25天，不必重新加水。

1.2.1.3　张力计存在的问题

张力计具有许多优点，如体形小、易携带，测读方便；灵敏度较高、反应较迅速；可直接测量，无须事先率定；不受外界环境限制，在室内及野外均可使用。但同时也存在以下缺点：

（1）陶瓷头较脆弱、易开裂，一旦开裂便不能再用。

（2）张力计在试验过程中需要定期进行重新饱和，测定现场土体吸力时十分不便。

（3）在埋置张力计时，张力计的陶瓷头必须与土体接触良好，以确保土中水与张力计中水连续，但在实际操作中很难做到，尤其是在野外。张力计埋置深度不能太深，否则不易在埋设时观察到张力计与土体的接触情况。

（4）测量范围会受“气蚀”现象（Cavitation）的限制，张力计能够量测到的负孔隙水压限值约为负90kPa。当孔隙水压接近负1个大气压（真空）时，水会汽化，张力计连接管中将会出现气泡，无法正确读取数值。因张力计本身测量限值的缘故，随测点深度的增加，量测到的吸力范围将会减小。

1.2.1.4　高量程张力计

普通张力计量程范围均在0～90kPa，腔体内水体在高张拉力作用下容易发生汽化，导致其不能测量高吸力。量测较干燥现场土体的吸力时，需要研制高量程张力计。许多学者研制出了多种不同形式的高量程张力计（Ridley和Burland，1993，1995；Guan和Fredlund，1997；Meilani等，2002；Cui等，2008a；陈中奎，2011；陈锐等，2013）。

渗透张力计（Osmotic Tensiometer）可克服常规张力计的气蚀现象，采用聚乙二醇（PEG）水溶液向张力计提供“初始压力”。因为有初始压力，该张力计可测较高的基质吸力，吸力测定范围由溶液的饱和浓度控制，最高可达12.6MPa。然而，该溶液的浓度随时间和周围湿度的变化而变化，使渗透张力计的应用受到限制。

Ridley和Burland（1993）研制了一款高量程张力计（High-capacity Tensiometer，HCT），可测高达1200kPa的吸力值。该张力计在Entran EPX-500（35bar）孔隙水压传感器上安装有15bar高进气值陶土板，陶瓷头和高精度压力传感器之间的水室中有很薄一层脱气水，水室厚度为毫米水平，如图1.4所示。该张力计灵敏度高、反应时间快，然而不能长时间监测吸力变化。之后，Ridley和Burland（1995）又对其进行了改进，改进后的张力计设计了集成型应变量测隔膜（Integral Strain-gauged Diaphragm），替换之前的商用孔隙水压传感器。此张力计可测吸力达到1800kPa，并可维持4个多小时未发生汽化。Ridley和Burland（1995）设计的张力计中水室体积小于4mm3，厚度约0.1mm，只需几分钟就可直接测量高达1500kPa的吸力。其主要原理是通过进一步减小水室厚度使得水体积减小，从而加快了反应时间。同时，又可抑制气泡产生，减小汽化的概率。测量时在陶瓷头上敷一薄层饱和泥浆，确保陶瓷头与土体接触良好。但该张力计不适合长期监测，且钻孔后需立即测量。

Meilani等（2002）介绍了新加坡南洋理工大学（Nanyang Technological University）研发的微型张力计探头（Mini Suction Probe），使用由英国Leicester的Druck Ltd生产的15bar微型孔隙水压传感器（Miniature Pore-water Pressure Transducer，PDCR 81），如图1.5所示。PDCR 81孔隙水压传感器连接在高进气值陶土板上。微型张力计探头内设置0.09mm厚的硅胶隔膜（Silicon Diaphragm）。隔膜与不锈钢管外边缘的距离为1.2mm。该吸力探头所用陶土板是在Soilmoisture Equipment Corporation生产的标准5bar高进气值陶土板切割下来，水在其中的渗透系数约为1.21×10-9 m/s。为克服低渗透性陶土板量测孔隙水压过程中反应慢的问题，将高进气值陶土板打磨成厚度为1mm的薄板。陶土板和隔膜的间隙要尽量的小（约为0.4mm），从而量测孔隙水压时可获得较高的精度和灵敏度。陶土板制作成T形，使用环氧树脂（Araldite 2021 Epoxy）将其黏结在不锈钢管上。探头很轻，如连接20cm长Teflon导线的探头质量仅为3g。试验结果表明，使用该吸力探头可测量400kPa的基质吸力，并可持续15h；在量测200kPa基质吸力时，持续了155h。

如图1.6所示为Cui等（2008a）研制的微型高量程张力计（Miniature Tensiometer）的示意图，所用陶土板进气值为15bar，通过环氧树脂固定在不锈钢张力计的主体上，在陶土板与隔膜（Diaphragm）间有厚度为0.1mm的水室（Water Reservior），应变片（Stain Gauge）粘在隔膜的另一侧，用来监测作用于隔膜上的水压。该张力计可量测0～1500kPa的基质吸力。

在使用之前，张力计先用脱气水在高压（最大到4MPa）下预压饱和（Pre-pressurizing），然后在室温20℃下得到率定曲线。在现场进行吸力测试时，普通张力计难以长时间保持饱和，该吸力量测装置可在测试过程中定期更换饱和好的张力计，而不会对土体造成扰动。使用该仪器进行现场基质吸力量测，范围在20～160kPa之间，并且超过3周的时间不会发生气蚀。

1.2.2　高含水率土体基质吸力测试

含水率较高的土体对应的基质吸力小，内部孔隙水压低。Fredlund和Rahardjo（1993），Delage和Cui（2000）介绍了可以量测低孔隙水压的技术，利用饱和陶土板可保持水相连续，阻隔气体通过的功能，分离气相和水相，从而测得土体内部的孔隙水压。

高含水率土体基质吸力（Moisture Tension）测试装置如图1.7所示（Sun等，2017），主要包含试样室、水位量测体变管、用于校正蒸发的校正管、水箱及管路、连接件等。试样室内径为70mm，下部放置进气值为50kPa的陶土板，体变管、校正管内径为6mm。仪器放置于恒温的房间（20℃±1℃）。为减少蒸发，装样后在试样室上方覆盖黑色的氯丁橡胶帽。试验采用脱气蒸馏水。试验过程中，没有外荷载施加于试样。试验过程中记录室温、湿度及体变管和校正管内水位。因为试样厚度较小（约15mm），可认为试样中的基质吸力均匀分布（Feia等，2014）。

1.2.2.1　装样及测试步骤

（1）试验开始前，应使陶土板内部孔隙饱和。将陶土板浸没于蒸馏水内，用抽真空饱和法以1个负大气压抽气8h以上。

（2）在饱和后的陶土板周边均匀涂抹硅脂，缓缓将其压入试样室环壁下部，确保陶土板外缘与内壁紧密贴合，组装试样室，用压板、螺栓将试样室环壁固定在基座上。

（3）将安装好的试样室放置于盛有脱气蒸馏水的容器中，水位超过压板顶面，但不超过容器的顶面，如图1.8（b）所示。用脱气水冲刷软管、体变管和试样室陶土板下方水室，排净管路中的气泡，关闭出水阀3，如图1.7所示，然后用脱气蒸馏水充满整个管路。关闭水箱至体变管的阀门1。保持阀门2处于打开的状态，确保陶土板在体变管中水头作用下始终处于饱和状态。调节体变管中的水头高度，使其与陶土板顶面高度齐平，关闭阀门2。校正管中的水位高度尽量与体变管中的水位高度相同，用来校正蒸发量。为尽量避免蒸发，体变管、校正管开口处均用保鲜膜塞住。

（4）装样前，将泥浆样装满已知体积的塑料盒，轻轻振捣，使气泡跑出，抹平后称其质量；取部分土样用烘干法测量初始含水率；由此计算得到泥浆样的初始孔隙比和干密度。

（5）开始装样。擦拭陶土板表面的水珠，在试样室内装入一定质量的泥浆样，轻轻振捣，使气泡跑出，并在试样室上表面覆盖氯丁橡胶，如图1.8（b）所示，装样完成。

（6）记录初始体变管和校正管的水位刻度。打开进水阀门2，按5s、10s、30s、1min、2min、4min、8min、16min、32min、1h、2h、4h、8h、16h、32h、…的时间间隔记录体变管和校正管的水位刻度，得到水位随时间的变化曲线。当体变管中水位保持不变，即水位-时间曲线达到近乎水平时，基质吸力测试试验停止。试验结束后，取部分土样用烘干法测拆样时的含水率。

Richards（1931）在研究流体通过多孔介质中毛细管传导作用时，首次将Darcy定律引入到非饱和土壤水的流动中，并与Buckingham的能量法结合，提出了描述非饱和土渗流的Richards方程。Richards方程是一类高度非线性方程，其一般形式为

式中　z——重力场方向正向朝上的坐标；

θ——土体体积含水率；

h——压力水头；

kw——土体水相渗透系数；

kwz——沿z方向的土体水相渗透系数；

▽2——拉普拉斯算子，▽2h＝∂h2/∂x2＋∂h2/∂y2＋∂h2/∂z2。

装样时，体变管的水位刻度与土样上表面齐平，试验结束后，土体基质吸力的作用使得稳定后的体变管的水位刻度低于装样时的高度。根据Richards（1931）的定义，试样室内泥浆样上表面对应的体变管刻度与最终稳定时刻度的差值为土样的孔隙水压对应的水头降，即土样的基质吸力。

1.2.2.2　高含水率土体基质吸力量测试验实例

Sun等（2017）分别对1.0、1.2和1.5倍液限含水率的Jossigny粉土泥浆重塑样用上述测试装置进行了基质吸力的量测。

图1.9为不同高含水率试样基质吸力量测过程中水位的变化曲线，图1.9（a）为H-lg t坐标图，图1.9（b）为H-t坐标图。在图1.9（a）半对数坐标图中可以清晰地看出体变管中水位的时程曲线，表征了测试刚开始时静止水压力与基质吸力共同作用，当基质吸力占据优势后，水位在基质吸力的作用下开始下降。图1.10显示了最终水位降与含水率间的关系，随着含水率的升高，土样中基质吸力降低，吸力引起的水位降也随之减小。