非饱和土土力学

《非饱和土土力学》由中国建筑工业出版社出版。

关于非饱和土的研究主要可分为两大类∶一类是对其水分特性进行研究并提出各种水分特性曲线的模型，这类研究通常假定非饱和土是不变形的；另一类是对非饱和土的变形和强度特性进行研究并用非线性弹性或弹塑性本构关系模拟其力学性质，此类研究通常不考虑水分特性。而实际中非饱和土的水分特性与力学特性是相互关联的，即水分的变化影响着非饱和土的力学性质,非饱和土的变形也影响着水分特性。近两三年，国际上已经有人用弹塑性模型的手法来模拟水分和力学特性的耦合，但这类研究只是初步的，所提出的模型是概念性的，不够具体，只适用于等向应力状态下的性质。本研究计划研制吸力控制的非饱和土三轴仪，用该仪器进行非饱和土的试验，同时量测非饱和土的水分和力学性质，对由变形引起的非饱和土的水分特性变化进行试验研究，提出能考虑水分和力学性质的耦合弹塑性模型。该模型不仅考虑吸力对非饱和土的变形强度和水分的影响,而且可以考虑变形对水分特性的影响。 2100433B

土体中含有气体使非饱和土的性质远比两相的饱和土复杂，饱和土的某些原理对非饱和土不再适用，或者需要重新论证。弄清非饱和土的基本性状和工程性状及其主要影响因素，在此感性认识的基础上进行性质抽象和关系抽象，建立非饱和土研究的基本思路，探索在工程中考虑这些性状的本构关系和定性的、定量的分析方法，提出合理的计算公式，选择合适的特性参数试验方法（尤其是吸力的量测技术），确定各特性参数量值的范围，并将分析结果在实践中进行验证和修正等：这些就是非饱和土力学研究的主要任务。

非饱和土体中存在着大小和形状多变的孔道体系，当水分很少时，水分只能占据细的“狭颈”孔道，且互不连续，这时气相与外界大气连通（平衡）。这种状态在俞陈划分法中称为“气开敞”。另一种与此相反，当土中的水分很多时，液相不仅占据了全部小孔道，而且也占据了大孔道，气相被液体分割包围，形成弧立气泡悬浮于液体中，气相完全被封闭，与大气不能连通，固液气三相的界面现象消失，这时，非饱和土与饱和土的性状差别主要在于前者孔隙中的液体是可压缩的，而后者孔隙中的液体不可压缩，此即为气相的“完全封闭状态”。上述两种情况比较极端，也比较简单，介于上述两阶段之间的形态，则要复杂得多。对此，有不同的划分法，三阶段划分法将其称为“双开敞”阶段，即气相和液相均向大气开敞的意思，但这样划分似乎过于简单化了。事实上，“双开敞”的形态是一个很不稳定的阶段。当水分从“气相完全连通形态”增大时，土体中的部分不连续水相可以逐步地接续起来，并与外界相通。但这种情况只是部分发生，其余部分仍保留着气相与外界（大气）连通的状况。在这一阶段，土体受压后的变形将是相当迅速的。这阶段在“四形态的划分”中称之为“气相的部分连通形态”。当土中的水分继续增多时，不连续水的接续现象会继续发展和漫延，由于毛细水的迁移，在土体的表部首先将会形成连续的水膜，从而把气相与大气暂时隔离开来。这时，气相仅在土体内部存在连通现象，它在四形态划分中称为“气相的内部连通形态”。研究表明，非饱和土处于“内部连通”与处于“部分连通”时的性状将有显著的不同。在上述四种形态中，不言而喻，部分连通与内部连通两种形态将是非饱和土力学的主要研究对象。因为对于完全连通状态，可以看作“干土”，问题比较简单；而对于完全封闭形态，则可将它简化为内部充满可压缩流体的饱和土，许多饱和土的成果可以延伸和利用，故不是非饱和土研究的重点。

非饱和土强度特征

非饱和土与饱和土在力学方面最大的区别是吸力的存在，吸力使得非饱和土性质与饱和土有较大不同，对非饱和土的变形和强度有很大影响，吸力的存在会提高非饱和土的强度。吸力是土体内部土颗粒的表面与孔隙内的水和气相互作用而产生的，与外荷载作用没有直接联系。总吸力通常包含基质吸力和溶质吸力两部分。当不考虑土体中孔隙水化学浓度变化时，溶质吸力的影响可以忽略，此时主要关注基质吸力。基质吸力主要受水-气交界面（即张力收缩膜）的影响，并且与饱和度的变化密切相关，常用土水特征曲线来表征。基质吸力一般又由两部分组成：毛细部分和粘吸部分。毛细部分吸力，对非饱和土的性质和行为有两种作用或影响：①吸力的变化会引起非饱和土的平均骨架应力的变化（通过孔隙内流体的平均压力的变化引起）。②由于毛细水表面的拉力提供了颗粒之间的附加拉力，因此形成了土颗粒之间的一种黏聚力。

1、吸力对抗剪强度的影响

通过大量学者对非饱和土抗剪强度问题的研究和试验，可以观察到两个基本趋势：一是抗剪强度会随着净法向应力的增加而增加；二是抗剪强度会随着基质吸力的增加而增加。但是，净法向应力往往比吸力的作用更加明显。

2、吸力对抗拉强度的影响

虽然土体抗拉能力相对较弱，但土特别是非饱和土仍然可以承受一定的拉力，具有一定的抗拉强度，且这种抗拉强度在一些工程问题中非常重要。当抗拉强度不足时，在拉应力的作用下土体会出现开裂，会对土工建筑物产生极大的危害。非饱和土的抗拉强度来源于颗粒材料内部的黏聚力，黏聚力的产生源于土体内部的各种物理化学作用力。这些作用力中，一类是在饱和土中就存在的，如范德华力、双电层引力或排斥力、溶质沉淀引起的胶结力等。另一类作用力只有在非饱和土中才存在，即表面张力引起的毛细作用，它受含水量或饱和度的影响非常大。

非饱和土渗透性特征

在非饱和土壤中，因土壤孔隙中部分充气，导水孔隙相应减少，因而导水率也相应减少。由于在吸力作用下，土壤水首先从大孔隙中排出，随着吸力的增加，水流仅能在小孔隙中流动。所以，土壤从饱和到非饱和，其渗透性将急剧降低。将饱和土达西定律延伸至非饱和水流中，实践证明达西定律也适合于非饱和土中水的流动。但是非饱和土渗透系数不能假定为常数，同时受到土的孔隙比和饱和度变化的强烈影响，是体积含水量的函数。

非饱和土变形特征

非饱和土是一种三相的多孔松散介质，三相之间不仅具有力学效应复杂多变的收缩膜，而且还存在气、固与固、液之间的电化学作用和物理作用以及它们物理性态变化的影响，这样一种复杂介质结构的单元体受到附加应力作用时，一方面固、液、气三相及收缩膜构成的结构发生变化，最终抵抗附加作用应力；另一方面伴随着结构的体缩，存在液、气相在结构孔隙中的运动。前者不仅包含土粒构架，而且包含了液固间的电化学加固作用、气液固之间的收缩膜加固作用等，它们构成了非饱和土的骨架结构系。结构系中各种要素的调整与变化在于抵抗附加应力作用；后者是指结构系体缩过程中液、气相在结构系孔隙中运动，以便适应土骨架结构系中各种要素的调整变化。因此，非饱和土的固结过程实际上是土骨架结构系中各要素调整变化的过程，也是适应这种变化液、气相在结构孔隙中运动的过程。

非饱和土的固结同饱和土的固结相似，也是土骨架结构系体缩，结构系孔隙中液、气相运动的过程；也是土骨架结构系承担应力增长，液、气相运动驱动压力消散的过程。