非饱和土土力学(新)

主讲人：倪万魁非饱和土土力学参考书：1.弗雷德隆德（Fredlund,D.G）、拉哈尔佐（Rahardjo,H.)著,陈仲颐、张在明等合译，《非饱和土土力学》，中国建筑工业出版社，1997.82.卢宁（NingLu)、WilliamJ.Likos著，韦昌富、侯龙、简文星译，《非饱和土力学》，高等教育出版社，2012.61、传统土力学理论都是针对饱和土建立的，对非饱和土无能为力，只能称之为饱和土力学wv传统（经典）土力学的局限两相介质(固体和液体)只涉及土的变形，不考虑水量的变化（因为对饱和土）唯一应力状态变量——有效应力用总应力或有效应力分析wp库仑公式本构模型Ducan－Chang模型，剑桥模型tgcf传统（经典）土力学的局限强度理论与本构模型屈服面极限状态面传统（经典）土力学的局限固结理论wp(Lambe&Whitman,1969)1-Dconsolidation223-Dconsolidation222222213Biot(elastic)固结理论0))1(()1(ussndivtnConservationofwatermass3-DconsolidationConservationofsolidmass0)(wwdivtnjb0Equilibrium平衡方程213Darcy’slaw)(zpkgradqMechanicalconstitutivelaw1vdmdpdpK固结本构方程传统（经典）土力学的局限2、固结变形和强度分析中有效应力的表现形式是不一致的传统（经典）土力学的局限强度分析：固结变形分析：3、现有土工试验仪器主要是针对饱和土设计的①试验数据按饱和土相关理论来整理，不符合实际情况。②不能测负孔隙水压力。③未考虑气相影响。传统（经典）土力学的局限单轴压缩三轴压缩非饱和土物质组成：固体、气体和液体非饱和土土力学理论固体气体液体poresliquidgastotaltotalVVVnVV1liquidliquidlgporesliquidgasVVSSVVV空隙度饱和度非饱和土为固、液、气相及收缩膜组成的四相介质非饱和土土力学理论存在一个新的应力状态变量：吸力非饱和土土力学理论moga式中为总势能为基质势，由土粒对水的吸引力引起；为溶质势，由溶解盐离子的作用力产生；为重力式；为气压势。agomawsuu基质吸力非饱和土存在双应力状态变量：净正应力和基质吸力非饱和土土力学理论吸力随含水量变化，其表现形式不同非饱和土土力学理论在第Ⅰ阶段，土体处于饱和状态，土孔隙中为能够传递压力的自由水，没有水-气接触面存在，也没有由表面张力产生的毛细应力。第Ⅱ阶段，为毛细作用发挥阶段。当基质吸力超过最大空气进气值，土体开始进入非饱和状态，含水率从饱和含水率变化到塑限含水率，毛细应力开始快速增加。第Ⅲ阶段，为水膜吸附作用阶段。土体中的水主要为结合水，弱结合水膜变薄。孔隙水和孔隙气处于双封闭状态。这一阶段的特点是固-液之间短程作用力（范德华力、双电层力和化学吸附力）快速增大。进入第Ⅳ阶段，也就是牢固吸附阶段。土体中的水为强结合水，孔隙气处于连通状态。粒间作用力主要为化学键力。非饱和土土力学理论吸力随含水量变化，其表现形式不同非饱和土土力学理论吸力随含水量变化，其表现形式不同1、非饱和土应力状态非饱和土土力学理论非饱和土的应力—应变2、非饱和土的有效应力非饱和土土力学理论kwaauuu)()(rsrkFredlund(1978)2、非饱和土的有效应力非饱和土土力学理论LuNing(2001)Ft•非饱和土中的基质吸力与吸应力非饱和土和饱和土系统中都有三种作用力：颗粒传递的骨架作用力（Ⅰ型）颗粒接触点或面上的作用力（Ⅱ型）颗粒与颗粒之间的接触作用力（Ⅲ型）范德华力胶结作用力双电层斥力毛细作用力负的孔隙水压力饱和状态非饱和状态''0cpcC2、非饱和土的有效应力非饱和土土力学理论0''aCsu0'()pcCcapawsuuLuNing(2001)吸应力在非饱和土中孔隙压力不再是一个中性压力。由于土的不饱和，系统通过水-空气-土壤系统中的液相和气相相互作用，孔隙压力可分成三种作用力：（1）作用于干燥或者湿润的土颗粒表面的空气压力；（2）作用于靠近湿润颗粒表面的弯液面的水压力；（3）作用于水-气接触面的表面张力。Ft毕肖普定义的非饱和土有效应力没有切实考虑物理化学机制和表面张力机制中的颗粒间应力，概念并不是十分明确。3、非饱和土的强度理论非饱和土土力学理论（1）Bishop的抗剪强度公式tguutgucfwafaf)()（3、非饱和土的强度理论非饱和土土力学理论（2）Fredlund的抗剪强度公式bfwafaftguutguc)()(3、非饱和土的强度理论非饱和土土力学理论（2）Fredlund的抗剪强度公式bfwafaftguutguc)()(tguutgucrsrwaaf))(()()(rsrbtgtg基于土水特征曲线的表达式tgtgb3、非饱和土的强度理论非饱和土土力学理论0()tan()tanfCasu''0()tantanfwCu-100-80-60-40-20020406080100-50-40-30-20-100102030405060修正SSCC含水率4.8%含水率15.2%含水率25.4%未修正SSCC饱和试样'非饱和破坏包络线饱和破坏包络线未修正SSCC曲线修正SSCC曲线()()awuukPa'()nkPa'/()sskPa()kPa（3）LuNing的强度公式将摩尔-库伦理论进行扩展，认为土在饱和及非饱和时，其摩擦角变化不大，主要是粘聚力随含水量在变化。明确了粘聚力的物理含义。3、非饱和土的强度理论非饱和土土力学理论（4）直接用含水量表示的抗剪强度公式缪林昌结合Bishop公式和Fredlund公式，直接用含水量或饱和度来表示非饱和土的强度：wwfctanwbac11lgwba22lg)10tan(10tan2121wBwBfAAc)10tan(102121ssGSeBGSeBAA（5）陈正汉等认为，土的强度随温度和吸力的升高而增大，重塑黄土的凝聚力随吸力增加而提高，内摩擦角则基本不变，据此建立了土的广义抗剪强度公式：02468101214161804080120160200240280kPauuwa100kPaua503/kPa15℃30℃45℃60℃温度02468101214161804080120160200240280320kPaua1003kPauuwa100/kPa15℃30℃45℃60℃温度024681012141618050100150200250300350400kPaua2003kPauuwa100/kPa15℃30℃45℃60℃温度温度的影响吸力的影响bfawfaf()tan()tanTckTuuu3、非饱和土的强度理论非饱和土土力学理论4、非饱和土的应力应变关系及本构模型非饱和土土力学理论)(au)(wauuFredlund和Morganstern(1976)、Fredlund(1979)提出了基于双应力变量和的弹性应力应变关系：)()(21wasasvuumum（1）弹性模型)(au由引起的土骨架的压缩系数；)(wauu由引起的压缩系数。sm1sm2陈正汉等以弹性理论为基础，充分考虑了基质吸力对非饱和土的强度、变形和水量变化的影响，建立了比较完整的非饱和土的非线性本构模型，包括土骨架变形和水量变化两个方面；共13个材料参数，都有确定的物理意义和几何意义，广泛应用的Duncan-Chang模型是其在基质吸力为零时的特例。matmaabfiatmtpusmKuscRpE))((]sin)(2cos)tan(2))(sin1(1[3102331smKKtt20)(10ln3ppsHatmt)(10ln3ppsddsHwatmwwt起始模量、体积模量、土骨架和水量变化都与吸力有关4、非饱和土的应力应变关系及本构模型非饱和土土力学理论（2）非线性弹性模型屈服点的轨迹在p-s面内是一条曲线，在p-q面内随吸力增加向外扩展，据此构建非饱和土的统一屈服面模型。ps统一屈服面SI屈服面LC屈服面050100150200050100150200250300净平均应力p(kPa)吸力s(kPa)*01atspppmsnep-s平面的屈服轨迹p-q平面的屈服轨迹统一屈服面模型吸力的影响/*00[1]atmpppmsne非饱和土土力学理论4、非饱和土的应力应变关系及本构模型（3）弹塑性模型（陈正汉）非饱和土土力学理论4、非饱和土的应力应变关系及本构模型（3）弹塑性模型（ShengDaichao）非饱和土应力应变关系非饱和土土力学理论4、非饱和土的应力应变关系及本构模型（3）弹塑性模型（ShengDaichao）非饱和土应力应变关系非饱和土土力学理论4、非饱和土的应力应变关系及本构模型（3）弹塑性模型（ShengDaichao）非饱和土应力应变关系非饱和土土力学理论4、非饱和土的应力应变关系及本构模型（3）弹塑性模型（ShengDaichao）非饱和土应力应变关系前期固结压力残余吸力非饱和土土力学理论4、非饱和土的应力应变关系及本构模型（3）弹塑性模型（ShengDaichao）屈服面方程接近饱和时吸力饱和时屈服压力参考压力表观张应力（抗拉强度）非饱和土土力学理论4、非饱和土的应力应变关系及本构模型（3）弹塑性模型（ShengDaichao）屈服面方程非饱和土土力学理论4、非饱和土的应力应变关系及本构模型（3）弹塑性模型（ShengDaichao）屈服面方程非饱和土土力学理论4、非饱和土的应力应变关系及本构模型（3）弹塑性模型（ShengDaichao）减湿（干缩）土水特征线方程增湿（膨胀）土水特征线方程干湿循环下塑性应变增量方程非饱和土土力学理论4、非饱和土的应力应变关系及本构模型（3）弹塑性模型（ShengDaichao）屈服面方程广义剑桥模型非饱和土土力学理论4、非饱和土的应力应变关系及本构模型（3）弹塑性模型（ShengDaichao）硬化定律非饱和土土力学理论4、非饱和土的应力应变关系及本构模型（3）弹塑性模型（ShengDaichao）弹塑性增量方程非饱和土土力学理论4、非饱和土的应力应变关系及本构模型（3）弹塑性模型（ShengDaichao）模型参数5、非饱和土的固结理论非饱和土土力学理论（1）压缩试验曲线及方程0Ke)(au)wauu（Fredlund等人研究一维加载条件和三向等压加载条件，认为孔隙比与应力状态变量和存在如下函数关系：))(lg())(lg(000wawamaatuuuucuuceetcmc为对应正应力的压缩指数；为对应吸力的压缩指数，下标0表示初始应力状态。非饱和土土力学理论（2）增湿下的湿陷变形5、非饱和土的固结理论非饱和土土力学理论5、非饱和土的固结理论S1S=0YieldS=0S2S3MEANNETSTRESS,pVOIDRATIO,e（2）增湿下的湿陷变形非饱和土土力学理论（3