非饱和土有效应力方程的试验验证

首次提出土骨架水的概念，将土分成饱和土、非饱和土和干土。明确了有效应力的物理意义，完善和修正了有效应力原理。分离考虑孔隙流体压强和其它外力的作用，分别采用分相平衡方程、粒间力分析、土体断面内力分析、外力土骨架应力的定义、现有的孔隙介质力学平衡方程等5种方法推导出非饱和土的有效应力方程，从理论上说明有效应力是不包含孔隙流体压强的所有其它外力作用产生的土骨架应力，是控制土骨架的强度和变形的应力。为了验证非饱和土的有效应力方程，重新设计研制了非饱和土三轴试验仪、非饱和土土水特征曲线和导水系数联合测定仪、改制了高压固结仪、搭建了环刀土样干燥收缩试验装置。开展了硅微粉、桂平粘土、高岭土、尾矿砂与高岭土的混合土的土水特征曲线、导水系数、直接剪切和三轴压缩试验，同时引用他人的非饱和土抗剪强度和变形试验结果，通过对试验资料进行重新分析，证明了无论在饱和还是非饱和条件下，当孔隙流体压强作用对土的抗剪强度和变形的影响可以忽略时，土的有效应力是决定其强度和变形的应力。此外还开展了非饱和土导水系数的研究。 本研究明确了有效应力的物理意义，确立了土力学和孔隙介质力学的统一的有效应力方程，修正和完善了有效应力原理。鉴于有效应力对土力学和岩土工程的重要性，研究成果对土力学和岩土工程学科的发展具有重要意义。将有助于建立饱和与非饱和土统一的土力学理论体系，对于解决非饱和条件下的岩土工程问题具有理论意义和实际应用价值。在本项研究中出版英文专著1部、发表学术论文15篇、申请国家发明专利7项（已授权2项）、国际发明专利1项，软件著作权2项。参加与非饱和土相关的学术会议10次并做学术报告，承办相关的学术研讨会2次。邀请国内外知名专家学术交流4次。结合本项目发展的土样变形数字图像测量方法和研制的非饱和土试验仪器，如非饱和土三轴试验仪、导水系数和土水特征曲线联合测定仪、土样干燥收缩试验装置等均已经实现成果转化，可以推广应用。 2100433B

应用连续介质力学方法，分别把土骨架、孔隙水和孔隙气作为独立的研究对象。通过隔离体受力分析,分开考虑孔隙流体压强和其它外力对土骨架的作用得到每一相的平衡微分方程。由此得到非饱和土的有效应力方程，证明了有效应力就是不包含孔隙流体压强的所有其它外力作用产生的土骨架应力。饱和土与非饱和土的有效应力是统一的。它与Vanapalli和Fredlund根据试验提出的非饱和土抗剪强度公式中的应力表达式相同，说明非饱和土的抗剪强度取决于有效应力。为了验证非饱和土的变形也取决于有效应力，申请者研发了测试仪器，拟开展非饱和粘土的开裂试验、侧限压缩和三轴试验，将试验结果与理论结果或与饱和土试验结果的对比验证有效应力方程的适用性。其中三轴试验采用土样变形数字图像测量系统，并将土样变形和含水量分布的数值模拟与试验测量结合起来。. 提出并验证非饱和土的有效应力方程，对建立非饱和土力学理论体系，对土力学学科发展有重要意义。.

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。

土体有效应力是土体内由土骨架(土:粒)承担或传递的应力。又称粒间应力，土体有效应力为土单位面积。当土体承受力系时，作用于任意平面上的总应力等于土颗粒骨架之间的有效应力与土体孔隙中流体所承受的孔隙压力之和。

开展非饱和土全应力路径试验、可测试非饱和土渗透系数、基质吸力、各类强度参数等。轴压7KN，围岩1MPa.。