干濕循環(huán)對非飽和土剪切特性和邊坡穩(wěn)定性的影響

在大氣作用下，交替的降雨和蒸發(fā)會引起非飽和邊坡土體的干濕循環(huán)，對非飽和土的剪切特性及邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生重要的影響。本項目首先通過非飽和壓實高嶺土直剪試驗探討了干濕循環(huán)對非飽和土剪切特性的影響。試驗結(jié)果表明干濕路徑、干濕幅度和干濕循環(huán)次數(shù)影響了非飽和土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、峰值及殘余抗剪強(qiáng)度和剪脹性等剪切特性。前兩個因素的影響可歸納為干濕循環(huán)改變了土體的孔隙體積和飽和度，導(dǎo)致土體的狀態(tài)發(fā)生變化，從而影響了非飽和土的剪切特性。對數(shù)據(jù)的分析表明基于有效飽和度定義的平均骨架應(yīng)力可用于描述干濕路徑和干濕幅度對非飽和土殘余強(qiáng)度的影響。循環(huán)次數(shù)的影響除了改變土體的孔隙體積和飽和度以外，還會導(dǎo)致土體內(nèi)摩擦角的衰減。采用模型試驗和數(shù)值模擬研究了干濕循環(huán)下非飽和土邊坡的吸力、含水率、變形和安全系數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)果顯示隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，坡體變形模式發(fā)生了變化，土體吸力和邊坡安全系數(shù)在逐漸下降。本項目的研究結(jié)果可為干濕循環(huán)作用下非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析提供的理論及數(shù)據(jù)參考。 2100433B

在大氣作用下，交替的降雨和蒸發(fā)會引起非飽和土邊坡土體的干濕循環(huán)。這種干濕循環(huán)作用對非飽和土的剪切特性及邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生重要的影響。然而當(dāng)前對非飽和土剪切特性的干濕循環(huán)效應(yīng)缺乏認(rèn)識，沒有建立相應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法。本項目針對上述科學(xué)問題，計劃通過室內(nèi)試驗方法研究不同應(yīng)力和吸力水平下干濕路徑、干濕循環(huán)幅度和次數(shù)對非飽和土剪切特性的影響，揭示干濕循環(huán)的作用機(jī)理，建立非飽和土抗剪強(qiáng)度與這些影響因素的本構(gòu)關(guān)系；結(jié)合室內(nèi)試驗結(jié)果，采用模型試驗和數(shù)值分析方法來研究非飽和土邊坡穩(wěn)定性的干濕循環(huán)效應(yīng)，揭示相應(yīng)的影響規(guī)律及作用機(jī)理，并建立干濕循環(huán)作用下非飽和土邊坡穩(wěn)定性問題的分析理論和方法。本項目的研究結(jié)果將對非飽和土剪切特性的干濕循環(huán)效應(yīng)研究提供基本依據(jù)，為相應(yīng)的非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析提供可靠的理論及數(shù)據(jù)參考,提高干濕循環(huán)作用下非飽和土邊坡穩(wěn)定性問題分析的理論水平和預(yù)測能力。

凍融循環(huán)作為一種溫度變化的具體形式，可以被理解為一種特殊的強(qiáng)風(fēng)化作用形式，對土的物理力學(xué)性質(zhì)有著強(qiáng)烈的影響。研究表明，凍融循環(huán)使原狀土的結(jié)構(gòu)性得到顯著的弱化，這表現(xiàn)在凍融循環(huán)可以使原狀土的先期固結(jié)壓力減小、三軸不排水剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線上的峰值強(qiáng)度逐漸消失。而對于重塑土，其初始狀態(tài)對凍融循環(huán)的作用效果有較大影響.。研究表明：凍融使密實土的孔隙比增大，而使松散土的孔隙比減小，密實土和松散土在經(jīng)過凍融循環(huán)后其孔隙比趨向于一個穩(wěn)定值———?dú)堄嗫紫侗龋凰缮⒎圪|(zhì)土和低密度黏土及正常固結(jié)重塑土由于在凍融過程中被壓密，使得模量與強(qiáng)度均有所增加，結(jié)構(gòu)性得到強(qiáng)化；而對于強(qiáng)超固結(jié)的重塑土，凍融循環(huán)則會引起與原狀土類似的結(jié)構(gòu)弱化現(xiàn)象。

凍融循環(huán)對不同種類土的結(jié)構(gòu)性具有不同的甚至是截然相反的作用效果，要研究凍融循環(huán)對土結(jié)構(gòu)性的影響規(guī)律，首先弄清在凍融循環(huán)過程中土的三相組成分別所起的作用和可能發(fā)生的變化情況是很有必要的。

土是由固體顆粒、水和氣體三部分組成的三相體系，固體顆粒構(gòu)成土的骨架，水與空氣充填于土骨架的孔隙中。凍融循環(huán)過程中，隨著溫度的正負(fù)波動，土體中的水會發(fā)生相變，由液態(tài)水變成固態(tài)冰或由固態(tài)冰變成液態(tài)水。由于水與冰的密度不同，固態(tài)冰的體積比等質(zhì)量液態(tài)水的體積大，當(dāng)液態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)冰時，冰晶生長體積膨脹，對周圍的土顆粒產(chǎn)生擠壓，這將會破壞土顆粒之間的膠結(jié)，使土顆粒發(fā)生位移甚至破碎變形，同時也會改變孔隙的形態(tài)。更重要的是，凍融循環(huán)過程中除了水分的相變，還伴隨有水分的遷移。水分遷移使土體的孔隙形態(tài)、顆粒排列等結(jié)構(gòu)性要素發(fā)生顯著改變，使得凍融循環(huán)對土結(jié)構(gòu)性的影響變得更加復(fù)雜.。在凍融過程中，水分發(fā)生遷移的基本條件有：1) 水的存在； 2) 遷移通道的存在；3) 遷移動力的來源。而土的液相、氣相和固相組成提供了這3個條件。

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，提出合理的計算公式，選擇合適的特性參數(shù)試驗方法（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)果在實踐中進(jìn)行驗證和修正等：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，水分只能占據(jù)細(xì)的“狹頸”孔道，且互不連續(xù)，這時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，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，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。事實上，“雙開敞”的形態(tài)是一個很不穩(wěn)定的階段。當(dāng)水分從“氣相完全連通形態(tài)”增大時，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，不連續(xù)水的接續(xù)現(xiàn)象會繼續(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形成連續(xù)的水膜，從而把氣相與大氣暫時隔離開來。這時，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)的主要研究對象。因為對于完全連通狀態(tài)，可以看作“干土”，問題比較簡單；而對于完全封閉形態(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)。

這本《非飽和土性狀及其邊坡穩(wěn)定性》由張芳枝、梁志松、周秋娟編著，結(jié)合近年來非飽和土的基本性狀試驗研究、非飽和土邊坡滲流以及穩(wěn)定性研究進(jìn)展，總結(jié)并介紹了目前非飽和土性狀試驗成果，以及非飽和土邊坡滲流特性和邊坡穩(wěn)定性分析成果。本書共分為5章，內(nèi)容包括：非飽和土的土一水特征曲線試驗研究概述，非飽和土變形和強(qiáng)度特性的試驗研究，非飽和土的滲流特性，降雨條件下飽和一非飽和土坡的穩(wěn)定性分析，非飽和土堤防滲流特性與穩(wěn)定性分析。讓讀者了解非飽和土性狀及其邊坡穩(wěn)定性研究新進(jìn)展，包括非飽和土的變形、強(qiáng)度和滲流特性試驗與研究成果，以及非飽和土邊坡滲流和穩(wěn)定分析的有關(guān)成果。

《非飽和土性狀及其邊坡穩(wěn)定性》可作為水利、土建、巖土、地質(zhì)等有關(guān)專業(yè)教師、研究生閱讀，亦可作為相關(guān)科研和工程技術(shù)人員的參考用書。

這本《非飽和土性狀及其邊坡穩(wěn)定性》由張芳枝、梁志松、周秋娟編著。采用多種手段研究非飽和土性狀及其邊坡穩(wěn)定性，在理論和實踐上都有重要意義。為此，本書作者開展了非飽和土的變形和強(qiáng)度特性、邊坡穩(wěn)定性及其數(shù)值模擬的研究，并介紹和總結(jié)了近年來其他研究者的成果。全書包括三部分內(nèi)容：一是非飽和土的滲透、變形和強(qiáng)度特性試驗研究；二是降雨條件下飽和一非飽和土坡的穩(wěn)定分析；三是非飽和土堤防滲流特性與穩(wěn)定性分析。