非饱和土力学

谢定义非饱和土基本特性的学习与思考西安理工大学岩土工程研究所前言第一个问题，即材料特性问题－－特性与量测研究非饱和土在其湿、密、构、力状态变化下，强度发挥的规律与变形发展的规律，包括相态特性，吸力特性，应力特性，渗透特性强度特性，变形特性，本构特性，固结特性第二个问题，即土体稳定问题――理论与应用研究非饱和土体在增减荷（应力边界条件变化）、增减湿（流量边界条件变化）耦合变化时的反应，包括土体渗流理论――渗透稳定问题土体极限平衡理论――强度稳定问题土体固结理论――变形稳定问题非饱和土力学非饱和土力学孔隙流体系统――液相、气相―――流动规律（流动模型）土体骨架系统――固相、气液交界面（收缩膜）――――变形规律（变形模型）对它应该注意从变形和流动两方面的耦合影响来分析在非饱和土中气相的存在和液相的多少是非饱和土性质复杂化的根本原因非饱和土基本特性的学习非饱和土基本特性的学习／1、非饱和土的相态特性非饱和土基本特性的学习1、非饱和土的相态特性－－自态、互态、变态三相的自态特性固相的颗粒大小级配（比表面积）、矿物成分、电性质、松密状态液相的型态（吸着水、结合水、自由水）、化学成分、冰水状态气相的型态（吸附气体、溶解气体、密闭气体、自由气体）、成份（主要是空气，含量最多的是水汽、碳酸气、氮气、甲烷碳酸气镭以及其他，氧气含量少）连通情况（气单连通、水单连通、水气双连通）三相的互态特性固、液相之间―――双电层（固相周围受电分子力作用、由近向远渐变的吸着水层与结合水层）气、液相之间―――收缩膜（水与气的交界面，或弯液面）固、气、液相之间―――结构性（表现出结构强度，由粘聚力、咬合力、胶结力及吸力等组成，•非饱和土基本特性的学习／1、非饱和土的相态特性三相的变态特性（温度、压力变化引起的相变）液相的汽化、凝结、冻结气相的溶解、扩散固相的液化、软化非饱和土的相态特性涉及到一系列重要定律：Fick定律，Darcy定律，Henry定律，亚佛加德罗定律，道尔顿(Dolton)分压定律，Kelvin定律，热力学第一定律，第二定律•非饱和土基本特性的学习／1、非饱和土的相态特性非饱和土的相态特性表明：非饱和土三个组成相的相态特性决定了土的物理状态（粒度、湿度、密度、构度）和土的化学、电学性质。它们和不同条件下压力和温度的变化相结合，可以使非饱和土的双电层特性、收缩膜特性以及结构性特性均发生相应的综合性变化，导致了非饱和土十分复杂的力学性质。•非饱和土基本特性的学习／1、非饱和土的相态特性2、非饱和土的吸力特性非饱和土的土水势一般包括温度势、压力势、重力势、基质势和溶质势在等温、等压、等高（不计重力）的情况下，土中水的温度势、压力势、重力势保持不变，自由能的变化只有基质势和溶质势的变化。如将它们分别称之为基质吸力和溶质吸力，它们之和，即此时的自由能，称为总吸力，则有总吸力等于基质吸力与溶质吸力之和•非饱和土基本特性的学习／2、非饱和土的吸力特性基质吸力土中水自由能的毛细部分（对纯水）,来源于表面张力.表面张力愈大，弯液面曲率愈小。为了维持弯曲型收缩膜的平衡，收缩膜气一侧的应力为正压力，收缩膜水一侧的应力为负压力，它们的差值即为基质吸力.基质吸力是非饱和土三相活动最实质、最活跃的代表。将基质吸力引入到非饱和土及土体变形强度稳定的研究与分析中去是当前非饱和力学研究发展的一条基本线索•非饱和土基本特性的学习／2、非饱和土的吸力特性非饱和土基本特性的学习／2、非饱和土的吸力特性溶质吸力土中水自由能的溶质部分（对溶剂）来源于溶质浓度，溶质的浓度愈大，溶剂平面上方的蒸气压比纯水平面上方的蒸气压愈小，即相对湿度愈小，水从浓度的高梯度向低梯度的渗透作用愈强，溶质吸力愈大。纯水表现出从溶液中吸水补充自己的能力，称为溶质吸力、或渗透吸力，或渗析吸力。总吸力总吸力与相对湿度呈线性关系(Aitchison,1965)，故蒸汽压力可量测总吸力。蒸汽压力愈大，相对湿度愈大，总吸力愈大。如果在测定土的基质吸力时，土中的水已经是含有一定溶质的自然条件下的水，则测得的吸力已非常接近总吸力。•非饱和土基本特性的学习／2、非饱和土的吸力特性土－水特征曲线基质吸力与湿度状态（饱和度、重量含水量、体积含水量）之间的关系。干燥曲线（饱和减湿曲线）要高于浸湿曲线（干燥增湿曲线），二者形成滞回圈形态，表明一个饱和度可以对应于两个基质吸力值。对于干燥、增湿往返作用时干燥曲线与增湿曲线的变化特性也成了人们开始注意的问题。已提出了由干燥曲线预测增湿曲线，或由增湿曲线预测干燥曲线的方法（PhanH。Q，2003)•非饱和土基本特性的学习／2、非饱和土的吸力特性土－水特征曲线形态的重要参数由于土中的水分可以有结晶水、吸着水、结合水（薄膜水）和自由水等具有不同属性的不同类型。含水量变化时，土中水有不同的类型，气有不同的连通，从而造成了土－水特征曲线的复杂形态，出现了一系列的重要特征参数。对饱和度Sr有残余饱和度和有效饱和度。对吸力S有气浸入值（进气压力值）Sa和水浸入值Sw。•非饱和土基本特性的学习／2、非饱和土的吸力特性残余饱和度残余饱和度反映了土中结合水的实质，饱和度低于它时不会再对已经很高的吸力有所影响，饱和度大于它时，饱和度的少许增大可以使吸力大幅度降低，反映了毛细水以至重力水的出现和增多，使相邻的弯液面由扩大，相连，至完全饱和时消失。有效饱和度为由残余饱和度起算的饱和度称为有效饱和度。有效饱和度为零时的吸力称为有效吸力。还有孔隙大小分布指数它是有效饱和度与吸力双对数关系曲线的斜率，数值愈大，表示孔隙尺寸的分布范围愈窄，孔隙愈均匀。•非饱和土基本特性的学习／2、非饱和土的吸力特性气浸入值（进气压力值）Sa气开始入浸土的孔隙使重力水排出时对应的基质吸力。实用上，它对应于脱湿时的吸力曲线在高饱和度下的拐点，它是土中最大孔隙尺寸的一种量度，水浸入值Sw重力水开始入浸土孔隙时所对应的基质吸力。实用上，它对应于增湿曲线在高饱和度下的拐点。•非饱和土基本特性的学习／2、非饱和土的吸力特性影响土水特征曲线的因素土－水特征曲线一直是土壤学研究的重要问题，它只研究了基质吸力与含水量的关系。从土力学的角度，基质吸力不只与含水量有关。土的干密度、初始结构、扰动情况，增湿与加载历史（正常干燥与超干燥等），甚至土中的应力状态的变化，都会影响到基质吸力的测值或土水特征曲线的变化。对不同的应力应变历史，土水特征曲线的滯回曲线可有边界滯回曲线（边界干燥曲线和边界增湿曲线），有主滯回曲线，甚至二次滯回曲线。非饱和土基本特性的学习／2、非饱和土的吸力特性3、非饱和土的应力特性明确确定非饱和土的应力特性是研究应力应变关系及强度问题的基础。非饱和土的应力特性研究必须首先正确揭示和反映收缩膜张力、孔隙水压力、孔隙气压力及基质吸力间的特点、实质联系及其对土骨架变形强度变化的作用机理。•非饱和土基本特性的学习／3、非饱和土的应力特性非饱和土基本特性的学习／3、非饱和土的应力特性单一有效应力型的应力状态变量人们在寻求非饱和土的应力状态变量时，首先想到了单一有效应力型的应力状态变量它不是一般的纯力学量，而是一个材料有关的力学量，与材料的本构关系有着密切的联系（如饱和土力学中的有效应力）。研究提出具有真实合理性的有效应力表达式是当前的主要任务。对已经提出的各种表达式还需要作出认真的选择与检验。双应力型的应力状态变量当前，双应力型的应力状态变量得到了广泛的传播与应用。它用净总应力和基质吸力作为两个独立的应力状态变量。它是一种纯粹力学量，与材料性质无关（如固体力学中的应力）。对用它研究非饱和土变形强度的理论与方法也需要作出进一步的完善与分析非饱和土基本特性的学习／3、非饱和土的应力特性对应力特性的一些新探讨收缩膜张力、孔隙水压力、孔隙气压力及基质吸力的特点、实质联系与力学效应问题涉及到对于非饱和土承担荷载的机理，对于孔隙水压力、孔隙气压力与基质吸力以及对于收缩膜张力的认识非饱和土基本特性的学习／3、非饱和土的应力特性关于非饱和土承担荷载的机理土骨架、孔隙水、孔隙气各自应力的大小应该取决于各自的相对压缩性。在孔隙流体不能排出的条件下，土受力后的孔隙水压力和孔隙气压力的增量是一种超孔隙压力（超过加荷前土中孔隙水压力和孔隙气压力的值）；在容许孔隙流体排出的条件下，这种超孔隙压力会随时间的增长和土的压密而逐渐消散，使各相所承担应力的比例协调地发生变化，最终，在消散终结时，荷载仍全部由土骨架（包括收缩膜）来承担。饱和土在消散终结时,孔隙压力，即孔隙水压力等于零。非饱和土在消散终结时,孔隙压力，即孔隙水压力和孔隙气压力都不会等于零。它们仍然要保留着与土达到固结时的湿密状态相对应、且与此时变化了的收缩膜状态相平衡的孔隙水压力和孔隙气压力值，它们是该状态下土物理属性的反映。•非饱和土基本特性的学习／3、非饱和土的应力特性•非饱和土基本特性的学习／3、非饱和土的应力特性关于孔隙水压力、孔隙气压力及基质吸力WheelerS。J。etal（2003）认为Bishop的有效应力公式反映了总应力、充气孔隙中的孔隙气压力以及充水孔隙中的孔隙水压力对土颗粒骨架所传递应力的贡献，并假定三者在颗粒接触点处对力产生相同的变化，它没有反映弯液面环状水的存在所提供的稳定影响，因此，需要再有第二个应力状态变量来直接或间接地反映弯液面环状水的影响他依据Houlsby(1997)关于非饱和土单位体积上所出入的能量增量关系采用了孔隙比与基质吸力的乘积作为第二个应力状态变量，在应力空间内来研究非饱和土的应力应变关系。•非饱和土基本特性的学习／4、非饱和土的强度特性孔隙水压力和孔隙气压力分别在土的孔隙水体和孔隙气体中是各向等压的静水压力型应力孔隙水压力和孔隙气压力各自作用在其与土颗粒接触部分的表面上，其差值对土骨架的作用不会是各处相等的。当孔隙水为弯液面环状水时，吸力只在接触点的法向上作用；当孔隙水为有弯液面的体积水时，所产生的吸力必然有法向和切向两个方向上分力的作用。国内也出现了湿吸力与牵引力的提法（汤连生）。基质吸力不能一般地作为静水压力型应力。•非饱和土基本特性的学习／3、非饱和土的应力特性非饱和土基本特性的学习／3、非饱和土的应力特性关于收缩膜张力收缩膜张力直接通过它与土骨架的接触点作用在土的骨架上，在它两侧的孔隙水压力和孔隙气压力既确定了收缩膜的形状，或收缩膜张力的作用方向，又确定了收缩膜张力的大小。因此，基质吸力只是收缩膜张力在土骨架上作用大小的一种量度，它却没有反映作为力三要素中关于收缩膜张力作用方向和作用点的特性。收缩膜张力在土骨架上的作用其实是有方向性的（非静水压力型）。在用基质吸力研究非饱和土中力的作用时，不能将它视为各向均等的。非饱和土基本特性的学习／3、非饱和土的应力特性LiX.I(2003)将有效应力表示为净应力项与一个吸力相关、且能反映基质吸力剪切效应项之和。认为对非饱和土，土颗粒的一部分上作用有孔隙气压力，另一部分上作用有孔隙水压力，它们的作用一般是不平衡的、变化的，而且它的方向并不与净应力的方向相一致，明确了基质吸力可引起一种剪切效应的结论。本文作者(1999)用有效球应力和有效偏应力表示的有效应力型应力状态变量明确地表明了以基质吸力反映的收缩膜张力为非静水压力型应力的这种特性。4、非饱和土的强度特性基本思路非饱和土的抗剪强度被视为符合库仑强度公式，并等于土饱和时抗剪强度与非饱和土基质吸力对抗剪强度的贡献（称为吸附强度）之和，因饱和土抗剪强度表达式已经很清楚，故非饱和土抗剪强度的研究工作就主要集中在吸附强度正确的表示方法和形式上。•非饱和土基本特性的学习／4、非饱和土的强度特性吸附强度的表达式目前提出了很多的强度的表达式，其中以Bishop表达和Fredlund表达式最为著名。在其它一些研究者所提出的表达式中，有的反映了有效基质吸力的影响，如Mckee&Bumb表达式（1984），Brooks&Corey表达式（1964），有的反映了吸附强度的非线性，如Fredlund&Xing表达式（1994），YuShenggang等的表达式（1998），沈珠江表达式（1996）