飽和土研究與應(yīng)用

飽和土中彈性波的傳播

飽和土中波傳播問(wèn)題是巖土工程、地震工程及地球物理等學(xué)科領(lǐng)域的重要課題。由于飽和土是一種流固兩相多孔介質(zhì)，故與一般均質(zhì)彈性介質(zhì)相比,其中的波傳播問(wèn)題要復(fù)雜得多，有關(guān)的研究尚待進(jìn)一步深入。

彈性波傳播特性：

(l)飽和土中P1波和S波的頻散性很小，而P2波的頻散性較大，特別是當(dāng)頻率很低時(shí)，P2波退化為擴(kuò)散過(guò)程。三種波的衰減均隨頻率的增大而增大，其中P2波的衰減較P2波和S波的衰減要大得多。

(2)飽和土存在一個(gè)特征頻率關(guān)，據(jù)此可將波頻劃分為高、中、低頻段。工程測(cè)試及室內(nèi)試驗(yàn)頻率一般均在低頻段。在特征頻率附近,三種體波的速度和衰減的變化相對(duì)顯著。

(3)飽和土中三種體波的速度與孔隙率近似成線性關(guān)系，隨孔隙率增大，P1波的速度減小，P2波和S波的速度增大。可以利用這種關(guān)系測(cè)試飽和土孔隙率。

(4)飽和土中P2波和S波的速度受滲透性和流體粘滯性的影響不大，而P2波速度及三種波的衰減通常受這兩種參數(shù)的影響相對(duì)較大，因此可望利用波衰減信息來(lái)測(cè)試飽和土滲透性和流體粘滯性。

(5)P2波傳播速度低而衰減又快，因此在工程測(cè)試中較難探測(cè)，其作用也一般被忽略。但是P2波的存在必將攜帶、消耗部分能量，而且在某些特定條件下(如在透水邊界)其作用將被激發(fā)。

飽和土中端承樁縱向振動(dòng)特性

一、樁頂復(fù)剛度特性

1.振幅隨樁長(zhǎng)逐漸衰減。

2.隨模量比的增加，振蕩的幅度和波長(zhǎng)也逐漸增大，表明土越軟，樁土體系的相對(duì)剛度和阻尼的振幅越大。

3.滲透力對(duì)樁的動(dòng)剛度因子和等效阻尼的影響較小，隨滲透力的增大，動(dòng)剛度因子和動(dòng)阻尼的振幅略有減小。當(dāng)滲透力很大或滲透系數(shù)很小時(shí)，飽和土體近似一個(gè)封閉系統(tǒng)，這時(shí)水相與固相的相對(duì)運(yùn)動(dòng)減弱，因而阻尼減小。

二、樁頂速度幅頻響應(yīng)及時(shí)域特性分析

1.隨著長(zhǎng)徑比的增加，幅頻曲線的振幅及時(shí)域曲線的底部反射減小。當(dāng)長(zhǎng)徑比達(dá)80時(shí)，兩種曲線的振幅己很小，趨于直線。因此在樁基實(shí)測(cè)中存在臨界長(zhǎng)度。

2.隨著模量比的增長(zhǎng)，幅頻曲線及反射波曲線的幅值增長(zhǎng)，而幅頻的初始剛度值降低。

3.滲透力的影響較小，表明了在很短的時(shí)間內(nèi)孔隙水的影響難以體現(xiàn)。

2100433B

砂性土采用浸水飽和法；滲透系數(shù)大于10^-4cm/s的粘性土采用毛細(xì)管飽和法；滲透系數(shù)小于、等于10^-4cm/s的粘性土采用抽氣飽和法。

飽和土毛細(xì)管飽和法

1.選用疊式或框式飽和器，試樣上、下面放濾紙和透水石裝入飽和器內(nèi)并旋緊螺母。

2.將裝好的飽和器放入水箱內(nèi)注入清水，水面不宜將試樣淹沒(méi)，關(guān)箱蓋。浸水時(shí)間不得少于兩晝夜。

3.取出飽和器，松開(kāi)螺母，取出環(huán)刀，擦干外壁，稱環(huán)刀和土的總質(zhì)量。

飽和土抽氣飽和法

1.選用真空飽和裝置，將裝有試樣的飽和器放入真空缸，真空缸與蓋之間涂一層凡士林蓋緊。

2.將抽氣機(jī)與真空缸接通，開(kāi)動(dòng)抽氣機(jī)。當(dāng)真空壓力表讀數(shù)與一個(gè)大氣壓力值相等時(shí)，微開(kāi)管夾使清水徐徐注入真空缸。在注水過(guò)程中，真空壓力表讀數(shù)宜保持不變。

3.待水淹沒(méi)飽和器，停止抽氣。開(kāi)管夾使空氣流入真空缸，靜止一段時(shí)間，粘性土宜為10h。

4.打開(kāi)真空缸，從飽和器內(nèi)取出試樣，稱試樣質(zhì)量，并計(jì)算飽和度。當(dāng)飽和度低于95%時(shí)，應(yīng)繼續(xù)抽氣飽和。

天然的土體是地殼表層的巖石經(jīng)歷長(zhǎng)期(特別是第四紀(jì)以來(lái))的風(fēng)化、搬運(yùn)、磨蝕和沉積作用形成的，由固體顆粒、顆粒周圍的水分和顆粒與顆粒之間為氣體所充滿的孔隙組成,所以土體為三相體。

若土中的孔隙全部由水填充時(shí)，稱為飽和土。相應(yīng)的，若土中的空隙全部由空氣填滿時(shí)，稱為干土。干土和飽和土都是二相體。

《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的“試樣制備和飽和”一節(jié)中明確給出了飽和標(biāo)準(zhǔn)是“飽和度不低于95﹪”（顆粒粒徑小于60mm的土）。有的編錄教程上，砂類土根據(jù)飽和度Sr劃分，稍濕（Sr≤50%），潮濕（50%≤Sr≤80%）；但并不為勘察規(guī)范所提倡。 正因?yàn)轱柡投仍诖_定上的困難，規(guī)范用濕度和液性指數(shù)分別表達(dá)粉土和粘性土的含水狀態(tài)?？紤]到實(shí)際應(yīng)用，粗粒土是否飽和的界線是地下水位；粘性土是否飽和的界線是毛細(xì)飽和帶；這兩種條件下的土，飽和度統(tǒng)一按照100%考慮。

土體中含有氣體使非飽和土的性質(zhì)遠(yuǎn)比兩相的飽和土復(fù)雜，飽和土的某些原理對(duì)非飽和土不再適用，或者需要重新論證。弄清非飽和土的基本性狀和工程性狀及其主要影響因素，在此感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行性質(zhì)抽象和關(guān)系抽象，建立非飽和土研究的基本思路，探索在工程中考慮這些性狀的本構(gòu)關(guān)系和定性的、定量的分析方法，提出合理的計(jì)算公式，選擇合適的特性參數(shù)試驗(yàn)方法（尤其是吸力的量測(cè)技術(shù)），確定各特性參數(shù)量值的范圍，并將分析結(jié)果在實(shí)踐中進(jìn)行驗(yàn)證和修正等：這些就是非飽和土力學(xué)研究的主要任務(wù)。

非飽和土體中存在著大小和形狀多變的孔道體系，當(dāng)水分很少時(shí)，水分只能占據(jù)細(xì)的“狹頸”孔道，且互不連續(xù)，這時(shí)氣相與外界大氣連通（平衡）。這種狀態(tài)在俞陳劃分法中稱為“氣開(kāi)敞”。另一種與此相反，當(dāng)土中的水分很多時(shí)，液相不僅占據(jù)了全部小孔道，而且也占據(jù)了大孔道，氣相被液體分割包圍，形成弧立氣泡懸浮于液體中，氣相完全被封閉，與大氣不能連通，固液氣三相的界面現(xiàn)象消失，這時(shí)，非飽和土與飽和土的性狀差別主要在于前者孔隙中的液體是可壓縮的，而后者孔隙中的液體不可壓縮，此即為氣相的“完全封閉狀態(tài)”。上述兩種情況比較極端，也比較簡(jiǎn)單，介于上述兩階段之間的形態(tài)，則要復(fù)雜得多。對(duì)此，有不同的劃分法，三階段劃分法將其稱為“雙開(kāi)敞”階段，即氣相和液相均向大氣開(kāi)敞的意思，但這樣劃分似乎過(guò)于簡(jiǎn)單化了。事實(shí)上，“雙開(kāi)敞”的形態(tài)是一個(gè)很不穩(wěn)定的階段。當(dāng)水分從“氣相完全連通形態(tài)”增大時(shí)，土體中的部分不連續(xù)水相可以逐步地接續(xù)起來(lái)，并與外界相通。但這種情況只是部分發(fā)生，其余部分仍保留著氣相與外界（大氣）連通的狀況。在這一階段，土體受壓后的變形將是相當(dāng)迅速的。這階段在“四形態(tài)的劃分”中稱之為“氣相的部分連通形態(tài)”。當(dāng)土中的水分繼續(xù)增多時(shí)，不連續(xù)水的接續(xù)現(xiàn)象會(huì)繼續(xù)發(fā)展和漫延，由于毛細(xì)水的遷移，在土體的表部首先將會(huì)形成連續(xù)的水膜，從而把氣相與大氣暫時(shí)隔離開(kāi)來(lái)。這時(shí)，氣相僅在土體內(nèi)部存在連通現(xiàn)象，它在四形態(tài)劃分中稱為“氣相的內(nèi)部連通形態(tài)”。研究表明，非飽和土處于“內(nèi)部連通”與處于“部分連通”時(shí)的性狀將有顯著的不同。在上述四種形態(tài)中，不言而喻，部分連通與內(nèi)部連通兩種形態(tài)將是非飽和土力學(xué)的主要研究對(duì)象。因?yàn)閷?duì)于完全連通狀態(tài)，可以看作“干土”，問(wèn)題比較簡(jiǎn)單；而對(duì)于完全封閉形態(tài)，則可將它簡(jiǎn)化為內(nèi)部充滿可壓縮流體的飽和土，許多飽和土的成果可以延伸和利用，故不是非飽和土研究的重點(diǎn)。

非飽和土是一種三相土，與飽和土不同，非飽和土中不僅有固相（土粒及部分膠結(jié)物質(zhì)）和液相（水和水溶液），而且還有氣相（空氣和水汽等）存在。氣相的存在使土的性質(zhì)大為復(fù)雜化，它的基本特性與飽和土有所不同，這些特性給非飽和土工程性狀的研究帶來(lái)了許多困難，以致目前對(duì)非飽和土基本性質(zhì)的研究仍不很成熟，而非飽和土的理論原理和計(jì)算方法以及它們介入工程的程度則還處于初步階段。

一般認(rèn)為土壤由固相（土壤顆粒）、液相（土壤水）和氣相（土壤所含氣體）三相構(gòu)成，在土壤顆粒空隙完全由液相填充，即水占土壤空隙的比例為百分之百時(shí)該土壤稱之為飽和土。反之，土壤孔隙由水和空氣填充，即飽和度小于100%時(shí)但大于0時(shí)，該土壤為非飽和土。

基質(zhì)吸力為研究非飽和土特性的一個(gè)重要參數(shù)，基質(zhì)吸力多用于描述土體雨水入滲的能力，比如大壩土體入滲、降雨入滲，其可通過(guò)水土特征曲線描述——試驗(yàn)測(cè)得土中基質(zhì)吸力與土體體積含水率變化的一組數(shù)據(jù)表示。

常用的分析非飽和土的軟件有midasgts、geostudio、ansys及ABAQUS，Seep3D。

非飽和土在自然界廣泛地存在，真正的飽和土在自然界是很少的，尤其在干旱與半干旱地區(qū)，由于受氣候條件的影響，存在著若干種具有特殊性質(zhì)的土類，如膨脹土、崩解土（黃土等）、殘積土等，統(tǒng)稱為“特殊土”。它們均具有非飽和土的基本特性，即土體內(nèi)通常存在著吸力。這種特征在膨脹土中表現(xiàn)得尤為明顯和重要。因此，非飽和土理論就越來(lái)越密切地介入到膨脹土的研究中。這樣不僅增加了膨脹土研究的活力，開(kāi)闊了探索的視野，而且鑒于非飽和土力學(xué)的理論框架已有一定進(jìn)展，也使今后膨脹土研究有了比較堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，從而使研究向著更加理性化的方向發(fā)展。

非飽和土強(qiáng)度特征

非飽和土與飽和土在力學(xué)方面最大的區(qū)別是吸力的存在，吸力使得非飽和土性質(zhì)與飽和土有較大不同，對(duì)非飽和土的變形和強(qiáng)度有很大影響，吸力的存在會(huì)提高非飽和土的強(qiáng)度。吸力是土體內(nèi)部土顆粒的表面與孔隙內(nèi)的水和氣相互作用而產(chǎn)生的，與外荷載作用沒(méi)有直接聯(lián)系。總吸力通常包含基質(zhì)吸力和溶質(zhì)吸力兩部分。當(dāng)不考慮土體中孔隙水化學(xué)濃度變化時(shí)，溶質(zhì)吸力的影響可以忽略，此時(shí)主要關(guān)注基質(zhì)吸力?；|(zhì)吸力主要受水-氣交界面（即張力收縮膜）的影響，并且與飽和度的變化密切相關(guān)，常用土水特征曲線來(lái)表征。基質(zhì)吸力一般又由兩部分組成：毛細(xì)部分和粘吸部分。毛細(xì)部分吸力，對(duì)非飽和土的性質(zhì)和行為有兩種作用或影響：①吸力的變化會(huì)引起非飽和土的平均骨架應(yīng)力的變化（通過(guò)孔隙內(nèi)流體的平均壓力的變化引起）。②由于毛細(xì)水表面的拉力提供了顆粒之間的附加拉力，因此形成了土顆粒之間的一種黏聚力。

1、吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

通過(guò)大量學(xué)者對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度問(wèn)題的研究和試驗(yàn)，可以觀察到兩個(gè)基本趨勢(shì)：一是抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著凈法向應(yīng)力的增加而增加；二是抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著基質(zhì)吸力的增加而增加。但是，凈法向應(yīng)力往往比吸力的作用更加明顯。

2、吸力對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

雖然土體抗拉能力相對(duì)較弱，但土特別是非飽和土仍然可以承受一定的拉力，具有一定的抗拉強(qiáng)度，且這種抗拉強(qiáng)度在一些工程問(wèn)題中非常重要。當(dāng)抗拉強(qiáng)度不足時(shí)，在拉應(yīng)力的作用下土體會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂，會(huì)對(duì)土工建筑物產(chǎn)生極大的危害。非飽和土的抗拉強(qiáng)度來(lái)源于顆粒材料內(nèi)部的黏聚力，黏聚力的產(chǎn)生源于土體內(nèi)部的各種物理化學(xué)作用力。這些作用力中，一類是在飽和土中就存在的，如范德華力、雙電層引力或排斥力、溶質(zhì)沉淀引起的膠結(jié)力等。另一類作用力只有在非飽和土中才存在，即表面張力引起的毛細(xì)作用，它受含水量或飽和度的影響非常大。

非飽和土滲透性特征

在非飽和土壤中，因土壤孔隙中部分充氣，導(dǎo)水孔隙相應(yīng)減少，因而導(dǎo)水率也相應(yīng)減少。由于在吸力作用下，土壤水首先從大孔隙中排出，隨著吸力的增加，水流僅能在小孔隙中流動(dòng)。所以，土壤從飽和到非飽和，其滲透性將急劇降低。將飽和土達(dá)西定律延伸至非飽和水流中，實(shí)踐證明達(dá)西定律也適合于非飽和土中水的流動(dòng)。但是非飽和土滲透系數(shù)不能假定為常數(shù)，同時(shí)受到土的孔隙比和飽和度變化的強(qiáng)烈影響，是體積含水量的函數(shù)。

非飽和土變形特征

非飽和土是一種三相的多孔松散介質(zhì)，三相之間不僅具有力學(xué)效應(yīng)復(fù)雜多變的收縮膜，而且還存在氣、固與固、液之間的電化學(xué)作用和物理作用以及它們物理性態(tài)變化的影響，這樣一種復(fù)雜介質(zhì)結(jié)構(gòu)的單元體受到附加應(yīng)力作用時(shí)，一方面固、液、氣三相及收縮膜構(gòu)成的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最終抵抗附加作用應(yīng)力；另一方面伴隨著結(jié)構(gòu)的體縮，存在液、氣相在結(jié)構(gòu)孔隙中的運(yùn)動(dòng)。前者不僅包含土粒構(gòu)架，而且包含了液固間的電化學(xué)加固作用、氣液固之間的收縮膜加固作用等，它們構(gòu)成了非飽和土的骨架結(jié)構(gòu)系。結(jié)構(gòu)系中各種要素的調(diào)整與變化在于抵抗附加應(yīng)力作用；后者是指結(jié)構(gòu)系體縮過(guò)程中液、氣相在結(jié)構(gòu)系孔隙中運(yùn)動(dòng)，以便適應(yīng)土骨架結(jié)構(gòu)系中各種要素的調(diào)整變化。因此，非飽和土的固結(jié)過(guò)程實(shí)際上是土骨架結(jié)構(gòu)系中各要素調(diào)整變化的過(guò)程，也是適應(yīng)這種變化液、氣相在結(jié)構(gòu)孔隙中運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。

非飽和土的固結(jié)同飽和土的固結(jié)相似，也是土骨架結(jié)構(gòu)系體縮，結(jié)構(gòu)系孔隙中液、氣相運(yùn)動(dòng)的過(guò)程；也是土骨架結(jié)構(gòu)系承擔(dān)應(yīng)力增長(zhǎng)，液、氣相運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓力消散的過(guò)程。