非飽和土土力學(xué)

《非飽和土土力學(xué)》由中國建筑工業(yè)出版社出版。

關(guān)于非飽和土的研究主要可分為兩大類∶一類是對(duì)其水分特性進(jìn)行研究并提出各種水分特性曲線的模型，這類研究通常假定非飽和土是不變形的；另一類是對(duì)非飽和土的變形和強(qiáng)度特性進(jìn)行研究并用非線性彈性或彈塑性本構(gòu)關(guān)系模擬其力學(xué)性質(zhì)，此類研究通常不考慮水分特性。而實(shí)際中非飽和土的水分特性與力學(xué)特性是相互關(guān)聯(lián)的，即水分的變化影響著非飽和土的力學(xué)性質(zhì),非飽和土的變形也影響著水分特性。近兩三年，國際上已經(jīng)有人用彈塑性模型的手法來模擬水分和力學(xué)特性的耦合，但這類研究只是初步的，所提出的模型是概念性的，不夠具體，只適用于等向應(yīng)力狀態(tài)下的性質(zhì)。本研究計(jì)劃研制吸力控制的非飽和土三軸儀，用該儀器進(jìn)行非飽和土的試驗(yàn)，同時(shí)量測非飽和土的水分和力學(xué)性質(zhì)，對(duì)由變形引起的非飽和土的水分特性變化進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出能考慮水分和力學(xué)性質(zhì)的耦合彈塑性模型。該模型不僅考慮吸力對(duì)非飽和土的變形強(qiáng)度和水分的影響,而且可以考慮變形對(duì)水分特性的影響。 2100433B

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“雙開敞”階段，即氣相和液相均向大氣開敞的意思，但這樣劃分似乎過于簡單化了。事實(shí)上，“雙開敞”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，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)隔離開來。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”，問題比較簡單；而對(duì)于完全封閉形態(tài)，則可將它簡化為內(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，與外荷載作用沒有直接聯(lián)系?？偽νǔ０|(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表征?；|(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

通過大量學(xué)者對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度問題的研究和試驗(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)的過程；也是土骨架結(jié)構(gòu)系承擔(dān)應(yīng)力增長，液、氣相運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓力消散的過程。