（工程力学专业论文）含水量对非饱和土抗剪强度和单桩承载力的影响.pdf

ab s tr 日 c t abs tr act u n s a tt ir a t e ds o i l i s wid e l yd i s per s e dal l o ver th ewor id t h esoi l o nth e e a ri 】1 1 s l l r fa c e h a v i nga i nt im ate re l at i o n 诚the n g i n e e ri n g p r a c ti c e i s al mos t u n s a tu r a t e d s o i l ， s p e c i al l y i n d ryand h a l f d ryarea .b e c auseevapo r atives p i r a t ioni s b i g ger th anr 眨 n fall ， 明dt he g r o und 、 、 a t e r l e v e l i s h i gh. instric t sens e ，the s u ri 角 c eso i l o f this area i s uns a t u r a t e d ， w h i l e e a n h d am， rail w ay， h i g h w a y b edfi l l e d o f s o i l a n d so me d e n s e s o i l are al l inu n s a t u r a l e d s t a t e s o uns a 奴 ir a t e d s o i l i s re a i l y o lt e n e n c o u n t e r e d s o i l i n i h e e n g in e e ri n g p r ac t i c e ， s at u r a l e d s o i l i s uns a l u r a t e d s o i l ， s pec i alc ase. b utfo r a v a ri ety o f re as o n s ， nowa l oto f uns a t u r a t e d t s o i l ， theo ryb o rrows sat u r a l e d soi l ， 山 e 。 卿 ， this c an not avo i de rr ors t oe n g i nee rillgapp l i c at i on. s ore s earc huns a l u r a t e dso i l ，5 c o n s t i1 l it 1 vere l at i o n h asi n 1 port a n t se ns e . iti s s i gni fi c antl ym e 丽n g ful tore s e arch c o n st i 1 u 1 i v e rel ati o no f u n s a 1 u r a t e ds o i i ， t i1 e te xtre v i e w e d s o m e re s e arch re s u ltso f p re d e c e s s o r atfi r st，s z i n g th e dev el o p ll l e nip re se ntc o n di ti ono f uns at u r a i e d soil b a s 1 c st re n g t h theoriesathome and abroad. mi aol i n c h ang and o th ers p u t fo p 浑 a rda s i m i l arfo rmul a o f mo ho卜 c o u l o m b ， 5 s t r e ll gt ll t h e o ry ，w h i c h app l i e d toa n a 1 y s e t hep h y s i c alp a r aj n e t e r o f c l 盯inn anc h a n g a n d 1 h e n g o t a d i sc ip l i n a ri anb e t w e e n w a t e r c o nt e nt助d s h e ars t r e n gth b y a m e t h o d o f fi tt i ngc urve ，the a u l h e r gai n e d a si m i l arformu l a . miaol inch a n g 雨ths o m e o l h e r s 九 川 1 ertop utfo rwa r do nthe fo und atio nfor e x peri m e n t ing on this fo u n d a t i o n o f i n fl at i o n uns a t u r a t e d soi l s 1 r e n g t h o f exp o n e n t i alfij l1 c t i o n fo rmu l a b y labo r a t 0 rysoil te st，the text g o 1 the experi m e ntp a r a n 1 eter ofn anc h a n g . m e anti m e ， p ar a m e te rsare o b ta i n e d inexp e r l m e n t . 八 n s y s s o n w a r e i s u s edto 朗a lyze its i n fi u e ll c e toa s i n g lep i l e ， s bearing c apacity. f orm ore a gr e e i n g 帕thto m a lc h p h y s i c a l ly认 它 h eng i nee ri 雌， th i s l i t e r 别 弓 ， s e tsupa mol d w i l h the 3 de n t ity ， i t s s i z e s are phy s i c a l l y s im i l artoe n g i nee ri n g the i n 1 e rr e 1 at io n bei w e e n pi l e a n d s o i l us e o s c u l ati吃e le n l e n t tos 此u l ate a n d m a k e use o f d nj c ker- p r a g ere l as t o p 1 as t i c mod e l to re fl e c t the c o n s t i tutivere l at i o n o f s o i l . p as se s tos e l e ctc al c ul at i onp ar a m e t e r a n d trie s tom a k e itscalc ul ation conver g en t b e re su ltsfo u n d infi ni teel e m e n t mode1 are in goeda g r e e m e ntw i 小th o s e o b t a i n ed inthe theo ry ， 勿 即血l i z i n g p ar a m e t e r s and m aldllgi tsc a l c ul at i o n c o nve r gent k eyw o r 灿:5 0 1 1 ， w a t e r c o n l e n t ， c o hes i o n ， 伍c t i o n a n g l e ， non-li n e a r f e a 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了 文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含 其 他 人已 经发表或 撰写 过的 研究 成果， 也 不包 含为 获得 南昌大学 或其 他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 (手 写 ):涂 私签 字 日 期 : 卿 年 月 由 学位论文版权使用授权书 本学位 论文作 者完 全了 解 南昌大李 有 关 保留 、 使用 学位 论文的 规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。 本人授 权南昌大学可以 将学位 论 文的 全 部 或部分内 容 编入有关数 据 库 进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 : 希网导师签名:慕瘫 签 字 日 期 : 奋 呵年 月佬日签 字 日 熟 叼年石 月 匆日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编 第 1章 绪论 第一章 绪论 在土骨架的孔隙中，除水以外还有气体存在的土称为非饱和土，它可以理 解为土的一种存在形态。岩土 工程中 的非饱和土比比皆是， 主要为自 然干燥土 和压实土，在地基工程、 边坡工程和洞室工程中 尤为 常见，因 此研究非饱和土 的性质是非常必要的。非饱和土力学涉及的一系列工程，如土坝的建造与运行、 环境条件的变化情况下的天然土坡、竖直挖方的边坡稳定、膨胀土造成的地面 隆起及湿陷性土中的许多实际问题，这些问题需要对土的渗流、体变和抗剪强 度 特性 有 所 了 解 才能 解 决 111 。 非 饱 和 土 是由 固 相 、 液 相 和 气 相 组 成的 复 合 介 质 ， 其 性质远比饱和土复杂 121 。 目前 对非饱和土的 研究还停留 在初步阶段， 尤其是在 工 程中应用中处理非 饱和土的 情况十分普遍。非 饱和土分布广、应用广， 但对 其 特性研究不足的矛盾， 早为国内 外学者所重 视， 使得对非饱和土问 题的 解决 成为日益紧迫的研究课题。 非饱和土的性质和形态的变化，对于建筑物来说势必将影响到它的基础， 尤其是现在人们越来越多地考虑土的参数对桩基础承载力的影响。在复合地基 的基本承载力理论中，已经把桩间土对承载力的贡献己有考虑。因此，研究非 饱和土的物理特性对桩基承载力的影响成为目 前很有实际价值和重要意义的研 究课题。 非饱和土的基本特性 非饱和土在 自 然界广泛的存在，真正饱和的土在自然界是很少的，尤其在 千早与半 干早 地区，由 于受气候条 件的影响， 存在着若干种具有特殊性质的土 类，如膨胀土、残积土等，统称为特殊土。它们均具有非饱和土的基本特性， 即土体内 通常存在着吸力131 。 非 饱和土是一种三 相土， 与 饱和土不同， 非饱和土 中不 仅有固 相( 土粒及部分胶结物质 ) 和 液相( 水和水溶液) ， 而且还 有气相( 空气 和水汽等) 存在。气相的存在使非饱和土的性质大为复杂化，它的基本特性与饱 和土有所不同，这些特性给非饱和土工程性状的研究带来了许多困难，以致目 前 对非饱和土基本性质的研究仍不很成 熟，而 非饱和土的理论原理和计算 方法 以 及它们介入工程的 程度则还处于初步 阶段141 。 第 1 章 绪论 非饱和土因气相的存在导致其性质复杂化的问题，不仅在于气体本身会使 土中流体具有可 压缩性， 或者气与 水 之间 会在一定条 件下发生 溶入或逸出 等现 象， 更主要的是固、 液、 气三相之间的界面上形成的界面现象( 如表面张力现象) 。 这种界面现象的 存在使土中两 种流体承 受不 同的压力( 孔隙 水压力 和孔隙气压 力出现显著的差 别) 。 而且在许多 情况下， 孔隙水由 于受表面张力 作用而 在土中 出现了负孔隙 水压力， 这是使非 饱和土具有与 饱和土不同 特性的 重要 原因之一， 因此饱和土的许多理论原理和计算方法不再适用于非饱和上。 非饱和土在 土骨架 形成的 孔隙中 有水和空气。无孔隙水的非 饱和土是干土， 孔隙空气是连 通的，如 风干砂。无孔隙 气体 的非饱和土是饱和土， 孔隙 水是连 通的，如地下水位以下的地基软粘土。介于干土和饱和土之间的土则是非饱和 土。通常定义非饱和土具有三相，即固相、液相和气相。更确切地说，非饱和 土中还有第四相 存在， 亦即 水、 气的 分界面或收 缩膜l 。 以气泡 形式 存在的少量 空气会使孔隙中的 流体成为 可压缩的， 孔隙中 空气的存在，是使非 饱和土 性质 复杂化的主要原因，也 给试验揭示其 特性规 律带来了 巨大的困 难，因 而非 饱和 土的研究工作对岩土科 学的 进步及岩土测 试仪器设备具有强烈的 依赖性。 非 饱 和 上 的 孔 隙 压 力 包 括 孔 隙 水 压 力 u 。 和 孔 隙 气 压 力 ua。 两 个 方 面。 孔 隙 气压力 一般大于零( 即高于大 气压) ，而孔隙 水压力总小于零( 低于大气 压) 。 越 过水一 气交界面存在压力差: u ， = ua一 气( 1 . 1 ) u ， 称为 毛 细 压 力 ， 也 称 为 吸力 或 张力 ， 表 示 土的 基 质 对土 中 水 分 的 吸 持 作 用。它是非饱和土本质特征的力学反映，是区别于饱和土力学的基本特征，也 是最重要的 特征。它和土 的饱 和度， 或气相的 连通程度， 即水和气的存在 状态 具 有直接而密切的联系15 月 。 1 . 2 非饱和土力学的研究现状 土体中含 有气体使非饱和土的 性质远比 两 相的 饱和土 复杂， 饱和土的一些 原理对非 饱和 土不再适用，或 者需 要重新论证。弄 清非饱和土的 基本性状和工 程性状及其主 要影响因素，在 此感性认识 的基础 上进行性质抽象和关系抽象， 建立非饱和土研究的基本思路，探索在工程中考虑这些性状的本构关系和定性 第 1 章 绪论 的、 定 量的 分析 方法， 提出 合理的 计算公 式， 选择 合适的 特 性参 数、 试验方 法( 尤 其是吸力的量测技术) ，确定各特性参数量值的范围， 并将分析结果在实践中进 行验证和修正 等， 这些就是非 饱和上力学研究的主要任务。自 拓 c h a r d s ( 1 9 31) 研 究非饱和土中的 渗流算起，非 饱和土的 研究历史己 有七十多 年。国内 外的学者 们在试验、理论、 数值分析等方面都作了 大量的工作，积累了一定的经验。 伴随 着二十一世纪的到来， 我国国民经济和城市基础建设出 现了前 所未有 的 大规模的发展， 城市化人口 激增和城市基 础设施相对落后的矛盾日益加剧， 城市道路交通、 房屋等基础设施需要不断更新和改善，而作为 经济建设主战场 的我国 许多大中 城市的市政工程建设进入高 速发展时期， 很多工 程都在地下水 位以 上或者降 水后的非饱和土层介质环境中 进行，而大中城市由于地下水的 不 断开采造成水位持续降 低更使非饱和土层成为 工程建设的主要介质环境， 这种 情况在华北地区尤其在北京地区 表现得更为明 显。 正因为如此， 近年来，非饱 和土己 经成为岩土工程界的一个研究热点，研究的内容也极其广泛，如非饱和 土的强度理论与变形理论，吸力量测技术等。而关于非饱和土的变形理论和本 构关系的研究，不但是研究热点，也是一个难点。关于土的本构关系理论系统 的研究工作，在国外己 有四十多年的历史，在我国也有二十多 年了，在此期间 人们提出数以百计的关于土的本构关系的数学模型，引进了各种理论，可以说， 几乎力学中的一切手段和理论的新发展都先后被用于土的本构关系研究中，人 们用各种手段来验证这些数学模型，与数值计算方法相结合，力图用它们来解 决一些实际工程问题，取得了较多成果，土的本构关系研究这种蓬勃发展，向 人们展示了土力学发展中的一个新的领域，但是在这些本构模型中，绝大部分 的研究对象都是饱和或者饱和度接近饱和的土，而对于非饱和土则较少涉及。 对于非饱和土，当它在外加荷载及其周围环境共同作用下，将同时有孔隙蒸汽、 水、空气、热运动、土骨架变形及其相互祸合作用，从而造成它的工程性质与 饱和土有着很大差别，因 此以 非饱和土为介质环境的 工程在设计理论和设计原 则上不能完全引 用饱和土的理论，非 饱和土力学作为 土力学的 一门分支正在逐 渐形成和发展中， 存在许多值得研究的 课题。 非饱和土与 饱和土在力学性质方 面有较大区别的 根本原因在于非饱和土是一 个三相结构( f red l und 认为非饱和 土除了 水、汽、颗粒三相外，还存在一个水一 汽分界面，他将之称为四相) ，因 此， 饱和度一旦变化， 势必引 起非饱和土工程性质发生 变化，而 现有的关于土 的本构模型几乎都没有将这一因素考虑进去，如果能够以现有的比较成熟的土 第 1 章 绪论 的本构模型作为基础， 将饱和度作为一个控制变量，建立一个能反映饱和度变 化对土的 工程性质的影响的 本构模型，并应用于工程实践中，则更能加深对非 饱和土工程性质的认识。 岩土工程中的非饱和土比比皆是，主要为自 然干燥土和压实土。在地基工 程、边坡工程和洞室工程中 犹为常见，因此研究非饱和土的性质实属必要。非 饱和土的物理性质的变化必将会引起土的抗剪强度的变化。本文将针对含水量 及饱和度的变化来考察非饱和土的抗剪强度的变化情况，从而进一步来考察桩 的承载力与非饱和土抗剪强度和饱和度的影响。 1 . 3 研究的意义 由于自 然环境的多变性和人类对自 然环境的改造，使水的流动或循环成为 长期的行为，因此，对于非饱和土来讲，其饱和度是经常变化的。正是由 于饱 和度的变化，在工程中引起了很多事故。降雨是引起饱和度变化最为典型的例 子，很多国家和地区的斜坡失稳与 雨水入渗有密切关系，滑坡和泥石流的发生 与降雨关系密切是早为人知的事实，我国南方以及中南、西南部分地区广泛分 布着膨胀土、残积土等粘性土。那些地区的山 地或人工边坡在雨 季常发生滑坡， 而且以浅层滑坡为多见。这类滑坡产生的机理是由于近地表浅层土多为非饱和 粘性土，天气变化对其力学性状有很大的影响。雨水入渗使土体饱和度增加， 吸力锐减并引起抗剪强度大幅度下降。持续降雨还可引起地下水位上升或在相 对隔水层以上出现暂时性地下水，所以当持续降雨的历时和强度超过某种限度 时， 则 可导致上 坡失 稳。 中国 典型 滑 坡 110 1 一书中 实录了 90多 例滑坡， 绝大 部分滑坡发生在雨 季。1 9 88年，龙羊峡水电站底孔放水，水流能形成雨雾，使 下游右岸虎山坡发生大滑坡，险些堵塞河道。雨雾的水落在山坡，类似于长时 间降 雨，使坡体趋于饱和， 孔隙压力加大，岩体抗剪强度减小， 使原来稳定的 边坡失稳。19 91年雨季， 汉江上游发生河岸塌滑， 堵塞河道，并造成生命财产 损失。1 9 92年雨季，云南昭 通地区 发生大 滑坡， 掩埋了 一个村庄。五强溪水电 站施工期间 船闸 边坡持续姗滑，雨 季变形明显加剧， 经采取一系列措施， 包括 放缓设计坡比， 才防止滑坡事故。1 9 95年8 月， 崛江上游左岸一水泥厂被 滑坡埋 没。 铁路公路沿线雨季滑坡是常见多发性灾害，防不胜防。香港地区多山，一 些道路傍山 而行， 不少工业及民 用建筑物在山脚下，每年雨季均有滑坡而 酿成 第 1 章 绪论 大小灾害。为减少滑坡带来的损失，香港土木工程署在全港境内有滑坡危险的 地区设置了 50多 个自 计雨 量站， 每当 连续降雨超过50mm 时即自 动报警， 以便人 员及时转移，减少伤亡事故. 近年来，城市基坑边坡失稳及围护结构失稳事故时 有发生，由此引发了 地面沉降、邻近建筑物破坏、地面隆起等土体环境问 题 111 .l2 ，l3 ， 在有些地方甚 至引 起给排水管道、 煤气管道的 破裂以 及通讯线路的中断 等，给工程建设和国 家财产带来巨大损失。上述问题是由多方面因素造成的， 但由于降雨或地下水位升高而导致事故发生则是屡见不鲜的。例如北京 “ 昆 仑 饭店”基坑工程，为排除基坑上层滞水，采用水泵抽水方式，因排水管线太长， 在坡顶设置中转排水井，中转井没作防渗措施， 井中水长期外渗，同时由于施 工期间雨水渗入土中，使周围 和下部土体饱和度增加，抗剪强度降低，此为造 成基坑滑坡的一个重要原因。北京 “ 银都中心”基坑工程，基坑开挖赶上了雨 季，原来比 较干燥的上部粉质粘土，含水量剧增，饱和度大幅度提高，内摩擦 角和粘聚力大大降低，导致支护结构的主动土压力增加许多，使得本来就处于 临 界 状态的 支 护桩再 度失 去 平衡， 产生 较大倾斜114 】 。 降 雨 诱发基 坑事故的 原因 也极其复杂，但是降雨使土体含水量提高从而增大土体的饱和度，导致土体强 度降低是一个重要原因，如果按照f redlimd 提出的非饱和土强度理论来解释， 就是降雨使得土体基质吸力明显降低，在土坡浅层基质吸力甚至消失，从而在 整体上降低了 土的 抗剪强度，导致边坡失稳【 旧 。因此饱和度在控制非饱和土的 力学性状方面起着十分重要的作用，而施工降水、排水、管道漏水以及降雨入 渗都会导致土体饱和度发生变化，长期以来，由于人类未能注重地球的生态环 境平衡问题，不加节制、大规模地伐木燃煤，燃烧石油及石油产品，释放出大 量的二氧化碳气体，加上在农业生产中无控制地排放出大量的甲 烷、一氧化二 氮。于是形成了一股庞大的温室气体，以至使气温升高. 据1 9 90年联合国环境总 署的监测与研究表明，前50年，全球气温升高了20，在21世纪内，每十年可使 气温升高的幅度为0 . 2 一0 . 50 c 。 按此推论，由前50年至21世纪末， 全球气温累计 升高将达5 80 . 因此全球将出现暖化的状态。 很显然， 温室效应引起的全球暖 化，一者将引起降雨特性变化，即降雨历时加长、降雨强度增大，二者将引 起 海洋热膨胀加剧及海水中的冰盖雪被加速消融从而导致海平面上升， 海平面上 升 将引 起地下 水位的 上升， 从而引 起土中 饱和度的 变化【 161 . 施工降 水、 排水 产 生的是正面影响，而降雨入渗、 地下水位上升以 及管道漏水产生的是负面影响， 然而现有的非饱和土的工程设计理论仍然沿用饱和土的理论， 较少考虑或基本 第 1 章 绪论 不考虑基质吸力和饱和度( 含水量) 对土 体抗剪强度的影响和贡献， 而抗剪强度 的变化一般转化为土 体工程安全系数的变化。例如有些基坑边坡在设计时安全 系数的储备较低，如果基 坑是在雨季施工或者基坑开挖过程中出 现连续长时间 的降雨，基坑很容易出现滑坡以 及维护结构破坏等事故，给国家和人民生命财 产造成巨大损失。 1 . 4 研究进展 土力学的研究领域可分为以饱和土为对象的和以非饱和土为对象的两大部 分。对饱和土的研究已经有了一些比较成熟的理论，而对于非饱和土，由于其 中多了一个气相，使其性质和工程性状与饱和土相比存在根本差异，而且比饱 和土复杂得多，因此无论在理论研究、测试技术还是计算分析方面多存在较大 困难， 但是在地球表面 广泛分布着非饱和土。高塑性粘土在环境变化中以及土 的收缩均形成膨胀土，而松的粉土层，特别是在有荷载作用的 情况下，常发生 湿陷。另外岩土工程中还常遇到另外一种非饱和土一 重塑土，如土工构筑物中的 坡土堤、路堤和机场跑道等。此外，由于残积土中也存在负的孔隙水压而使之 具有非饱和土的性质，生长在地表的草、树木及其他植物，通过蒸腾作用对孔 隙水施加张力而使土变干。在千早及半干早地区， 地下水位通常较深， 位于地 下水位以上的土具有负的孔隙水压力，这些土由 于大量蒸发和蒸腾作用而处于 非饱和状态，最后由于城市建设工程的施工降水和过分开采地下水也人为形成 非饱和土。 有关非饱和土的 研究走过了曲 折的路程，50年代以 前，人们的注意力多集 中在毛细水上升模 型上， 这一模型虽然具有一定价值， 但其局限性已日 益明 显， 同 时 也是 非 饱和土 土力 学发 展缓慢的 原因 之一 1 切 。 50 年代 后期， bi 即 k 和 c ro nes ( 1 9 5 7 ) ， b i s ho p ( 1 9 6 0 ) ， a i tc h i so n ( 1 9 6 7 ) 和 w i l l i 明5 ( 1 9 5 7 ) 研 究t 非 饱 和 土的体变和抗剪 强 度， 提出了 用有效应力表示的强度公 式: c o le man ( 1 9 6 2 ) ， m atyas 和r a d h a k ri s hn a ( 1 9 6 8 ) ，以 及 f r e d l u n d 和 m o 唱 e n t e m(l 9 7 7 ) 提出了 用 双 应力 参 量 表示的 强 度公 式。 l yt t o n (l 9 6 7) 用混合 物 理理论与 连 续介质 力学研究了非 饱和上 多 相系的 性质。在国际上，非饱和土真正成为土力学的 一 个研究热点则要追溯到八十 年代后期，1 9 87年在都柏林举行的第九届欧洲土力 学及基础工程会议上， alonso以“ 土的特殊问 题一 非饱和土与 很软的土”为题， 第 1章 绪论 作了长篇 报告，1 9 92年8 月， 在美国召开的第七届国际 膨胀土会议 上，非 饱和土 力学是会议的的 主题之一， 1 9 9 5 年的第一次非饱 和土国际会议 标志着非饱和土 的 研究 进入了 新的 阶段。 我国学者从60年代就己 经开始 研究非 饱和土的 性质。 俞培基 和陈愈 炯( 1 9 65 ) 研究了 孔隙气的形态特征和非饱和土的物理参量及 其之 间 的 相 互关 系， 给出 了 确 定 封闭 气 泡 气 体 压 力 的 方 法; 包 承 刚 ( 1 9 7 9; 19 9 8) 研 究 了 压实土的 孔隙 气和孔隙水的存在形态。00年代以 来， 对非饱和土的 研究成为我 国 岩土 工程界的 一个热点。 陈正汉 ( 1 9 8 9;19 9 1) 用混合物理理论研究了非 饱和土 的力学 性质和固 结理论;19 92年全国非饱和土 理论和实践学术 研讨会和1 99 4 年 中 加非饱和 土学术会议有力地推动了我国非 饱和 土土力 学的 研究:19 9 5 一 19 %年 间， 沈珠江提出了 许多有关非饱和土的变形 模型， 如广义吸力 模型、 损伤模型 等; 殷宗泽、 孙长龙( 19 95) 研究了 膨胀土的浸水变形规律。19 95年殷宗泽自 行设 计和改造的非饱和土三轴仪为国内第一台用于研究非饱和土强度和变形的三轴 仪， 利用非饱 和土 三轴仪， 殷宗泽、 徐永福( 1 99乃 研究了 宁夏非饱和膨胀土的强 度特性:徐永福用分形几何理论研究了非饱和膨胀土的强度特性，提出了确定 非饱和膨胀土强度的一种新方法，用椭圆一 抛物线双屈服面研究了非饱和膨胀土 的 变形性质， 1998年8 月在中国 北京 举办了第 二届国 际非饱和土学术研讨会，在 非 饱 和 土的 各 个 研 究 领 域 都 取 得 了 不同 程 度的 进 展。 另 外 ， 朱 利 平 l8 l( l9 9 9) 采用 了 等效均质流体的概念即把 水与 封闭 气泡统一考虑成均质流体， 分析了饱和度 为 85 % 以 上 的 非 饱 和土 的 弹塑 性固 结 与 渗 流 祸 合 ; 王 连俊 、 李 兆 平 119 溯 (2 00 0) 研 究了非饱和上土体开挖和降雨入渗影响下的稳定性理论和工程应用。目前，非 饱和土力学研究正朝 着三个 方面 继续取得迅速进展: 一是建立更能准确反映实 际性状的非饱和土力学理论;二是发展更适用于测试非饱和土力学参数的仪器 设备和试验方法( 包括现 场测 试) : 三是在工程实践中运用非饱和土力学的基本 原理解决遇到的问题， 提高 工程的 设计与 施工水平，并验证非饱和土力学理论 的正确性和适用性。 非饱和土是多相混合体， 一般认为非饱和土由 土粒、水和空气三相组成， 而f re di und 认为非 饱和土由四 相组成， 他们将土中的 气水分界面一 收缩 膜作为 第 四相。 正是由 于收缩 膜的 存在， 土中的 液相和气相可以 有不同 的应力值。然而 收缩膜通常只有几个分子层的厚度，在土中所占的相对体积很小，因此建立土 的各相之间的体积 一 质量关系时， 可将其视作液相的一部分而不会有太大的 误 差。 另一方面收 缩膜在外力 作用下的性状同固 相类似，考虑土 的各相静力 平衡 条件时，可以近似将它按固相对待。这样，非饱和土在实用上可以看作三相系。 第 2章 非饱和土抗剪强度的基本理论 第二章非饱和土抗剪强度的基本理论 21 非 饱和土的强度理论 b i s h o p 和gre e n ( 1 9 6 9 ) 指出， m o hr-c o u l o mb 强度准则 最适合于描述土的强度 特征。c o u l o mb 提出的材料最大剪应力理论，其表达式如下: r =巩一 几 2 (2. 1) 在主应力 空间中 是由 3 个平面 组成的正 六面体。 m o hr 在c ou lo mb 提出的屈服 面基础上， 提出材料 破坏理论，剪 切破坏面上的法向 应力和剪切 应力存在某种 函数关系: : = f ( 。 )( 2 2 ) ( 2 一 2)式表示了所有r 和叮极限点的轨迹，称为mo hr- c o ul o m b 破坏包络线， 包络线反应了 材料的 一种性质，与材料受到的 应力无关。 m o hr 破坏包络线不要 求材料服从虎克定理，也不要求材料在抗压和抗拉条件下的强度与刚度是否相 同，以及材料是否破坏，只看成是滑动面上的应力关系，因此用mo hr破坏理论 研究土体破坏有很多优越性。 非饱和土的强度 理论主要有两类: 一 类是 bis h o p 强度理论， 是用非饱和土有 效应力表示的强度理论;二类是f r e d l u n d 强度理论，是用两个独立的应力状态变 量表示的强度理论。 2 . 1 . ib i s h o p 强度理论 c ou fo m b (1 77 6) 根 据 砂土 的 摩 擦 试 验 ， 把 抗 剪 强 度 表 示 为 滑 动面 上 法向 应 力 的线性函数: r，= 口 tan乒(2 3 ) 并 将上式推广到 粉土的强 度公式中: 朴= c + 厅 tan杯(2. 4) 式中 朴是 抗 剪 强 度 ，c 和p 是 有 效 强 度 参 数 ， 沙 是 有 效 主 应 力 19 60 年 bi shop 将非 饱和土 有效应力公式代 入上面的强度公式中 得到非饱和土的强度公 式2l : 第2 章 非 饱和土 抗剪强 度的基本理论 : = c + 位一 u a ) + 2 ( ua 一 u 。 ) tanp ( 2 .5 ) 式中 : c 和 乒 为 饱 和 土 的 有 效 应 力 参 数 ， 认 为 它 们 并 不 随 吸 力 的 变 化 而 变 化 ， 可 采 用 常 规 测 试 方 法 确定 。 口 为 作 用 在 土 体 上 的 正 应 力 ; u 。 为 孔隙 气压 力 ; u ， 为 孔隙 水 压 力; x 为 与 土的 饱 和 度 及 土 性 有 关 的 试 验 参 数， 其 值 界 于 。 和 1之间 ， 当 饱 和 度 为 零时 ， 之 =0; 当 饱 和 度 为 1 时 ， x 月。 式 中 首 次 分 别 考 虑 了 孔 隙 气 体 和 孔隙 水对非饱和土抗剪强度的影响，并 得到了 岩土工程师的认同。 bi s h o p 的 非 饱 和 土 有 效 应 力 公 式 及 抗 剪 强 度 理 论 公 式 提出 后， 相 继有 许多 学 者从理论和实验两方面研究不同 类型 土的 有效应力参数c的确定， 研究表明参 数c与非饱和土的结构、应力历史、饱和度及问题性质( 是变形问题还是强度问 题 ) 等 因 素 有 关 。孟 为 。 左 左 122等 ( 1 9 9 8) 利 用 1 4 种 土 的 实 验 结 果 给出 了 14 种土 的 有 效 应 力 参 数2 和 基 质 吸 力(u 。 一 气 ) 的 关 系， 通 过 对 这 1 4 种 土 的 实 验 数 据分 析 ， 绘 出 了 参 数万和 基 质 吸 力 比(气一 、 ) /( ua 一 凡 ) ， 的 拟 合 曲 线 ， 得 到 参 数x 的 近 似 表 达 r， 刁 j ， 中 止r2211气 气一气)1 l 气 ua 一 叽儿 式 中帆一 气)* 为 土的 进 气 值 (t 七 c aire n t ry value )o 2 . 1 . zf r e d l u n d 强度理论 19 77年，加拿大s as k a t c h e w an大学的 m o rg e ns t e rn 和fredl und 教授建议用二个 独 立 的 应力 状态 变 量 ( 口 一 ua ) 和 ( ua 一 u ， ) 建 立 抗剪 强 度表 达 式。 并 于19 78 年 f re di u n d 建立了 双应力 状态变量的非饱 和土 抗剪强度表达式， 他认为， 非饱和土 的抗剪强 度影响因 素由 三部分组成即:有效凝聚 力c、 净法向 应力 ( 口 一 ua) 和基 质吸 力 (u 。 一 uw) 等 。 净 法向 应 力 引 起的 强 度 与 有 效 内 摩 擦 角 度 有 关 ， 而 基 质 吸 力 引 起的 强 度 则与 另 一 个角 度 有 关 ， 即 【231 : : = c + ( j 一 u a ) tan毋 + ( ua一 “ ， ) tanp b( 2 .6 ) 上 式 实 为 在丁 、( 叮 一 ua ) 和( 气 一 气 ) 三 维空 间 的 一 个 破 坏 包 面 . 式 中 前 两 项 可以 从饱 和土的 常规试验中 得到，但第 三项则需 要进行非饱和土的有关试验.当 土 样 接 近 饱 和的 时 候， 吸 力 很 小 ， ta n 扩的 数 值 接 近 于 饱 和土 的 内 摩 擦 系 数 t an 乒 ， 但当 土 样 饱 和 度降 低， 吸 力 增 大 时 ， t an尹 的 数 值 逐 渐 减 小 。 f redl u n d 强度理论主要是在实 验基础上提出 的， 并用全新的应力 状态 变量来 第2 章 非 饱和土抗剪强 度的 基本 理论 表示。 状态 变量是能有效的描述 系统状态特征的动力变 量，如 压力， 温度，体 积; 应力和应 变等 mitc hels ， 19 5 6) 。 状态变量有两 类: 应力变量: 应力状态变 量，描 述状态变量间相互关系的 方程叫 本构方程。 f re dl u n d (l 977) 给应力状态变量 下了 确切的定义: 一 组独立可 行的 应力 变 量，当其分 量变化而 保持整个的 应力 状态变量不变时， 不会引 起单元体的变化 和形 状畸 变。 应力 状态变量必须 符合下列条件: 可 用实 验验证; 理论上合理; 实践中可 获得 ;符合应力状 态变量的定义。 2 . 1 . 3 近年来出现的理论 近 来， 卢 肇 钧 院 士 124等 人 提出 了 膨 胀 力 的 观点 ， 认 为 吸 力(。 。 一 u 。 ) 量 测 比 较困 难，可以 用膨胀力取代吸力。 他在研究人工压实的 膨胀土抗剪强度时发 现: 非 饱和 土 在 体 积 不 变 的 条 件下 浸 水 测 得 的 膨 胀 力月 与 吸 附 强 度(u 。 一 u 。 ) tan护有 近 似的 线 性关 系 ， 因 而 认 为 上 述 测 得的 膨 胀 力君 可 能 代 表由 吸 力 所 产 生 的 内 部 有 效应力。其理论公式如下: : = 己+(。 一 ua ) tan乒 + 毗 t an护(2. 乃 : = c + 。 一 气 ) 恤 p 十 5 灿扩(2 8) 式中 : 君 为 膨 胀 力 ， m 为 试 验 参 数 ， 5 为 吸 力 。 由于 膨胀力的测定方法 远较测定吸力简易，因 此， 这一发现可为非饱和土 的 研究工 作提供一条新的 探索研究途径，但仍未 解决非 膨胀、非饱和土的强 度 问题。 沈珠江必 1 认为:无论是基 于有效应力的毕肖 普理论还是弗雷德朗德的 双应 力 变量理 论， 都无法同时应 付湿胀性土和湿陷 性土，因 此提出了 广义吸力理 论口 广义吸力 把凡是能有效地增 加颗粒间 抗滑阻力的因 素包括进来， 不管它来源 于 基 质 吸力 还 是 颗 粒 之 间 的 胶结 力 和 咬 接 力 。 他 用 广 义 吸 力 。 ， 代 替 基 质 吸 力 。 并 且认为强 度与 广义吸力的关 系并不是简单的线 性关系， 从而 提出了 强度与广义 吸力的双曲线关系式。 : = 己+(口 一 气 ) tan乒 十;华 粉 1 +闭 气 tan 护 ( 29) 式中 : u ， 为 广 义 吸 力 ， d 为 参 数， 其 它 符 号 意 义 同 前。 徐 永福126 根据非 饱和膨 胀土的分形结构模 型，导出 非饱和膨胀土强度的 幂 第2章 非饱和土抗剪强度的基本理论 函数形式。 : = c + ( 。 一 ua ) tanp + k 刀 可tan乒( 2 1 0 ) 式 中 :气 为 广 义 吸 力， k 、a 、夕 为 参 数 ， 其 它 符 号 意 义 同 前 。 缪林昌1切 等人 在进行膨胀土强 度特征的 研究时， 提出了 类似摩尔一 库仑理论 的强度公式: r = c 创 司 + 叮 tan 矶 幽 1( 2 . 1 1 ) 上 式 和 真 正 的 摩 尔 一 库 仑强 度公 式 区 别 在 于q 浏 和矶 “ 不 再 是 常 数 ， 是 包 括了吸力和结构 对强 度的 贡献。 它们是随 着含水量的 变化而变化， 称为总强度 指标。 在试验的 基础上， 缪林昌 等人 进一步提出 了非饱和 膨胀土强度的 指数函数 公式: : = 人 1 0 blm+ 口 1朋 ( a z 1 0 今)( 2 .12 ) 式中 : 摘 、尽 、 凡、 凡 对 不同 的 土 质 取 不 同 的 常 数 ， w 为 非 饱 和 土 体 的 含 水量。 以上这些公式都反映了非饱和土强度变化的特性，但除缪林昌提出的理论 外， 其它都 仍然涉及到了 土体的 吸力， 它们提出的公 式都是基于数学上的推导， 并没有足够的试验数据来证明，因此仍不能被广泛应用于岩土工程实践中。 2 . 2 非饱和土的变形理论 非饱和土的变形理论不及强度理论那么成熟，并且变形理论远比强度理论 要复杂。非饱和土的变形理论主要包括非饱和土的本构关系和非饱和土的固结 理论。 2 . 2 . 1 非饱和土的本构关系 非饱和土是多相复合介质，其本构关系 应包含多方面的内容。 ( 1) 弹性理论 丹 已 成 赵 ” j 匹29(l976 ， 1 97 9) 假 定 土 是 各向 同 性 的 用 应力 状 态 参 量q 一 气 和 ， 给出了非饱和土的弹性本构关系: 凡 = 爪 一气 e一 寻ax十 气一 叼+ 万 ( 2 . 1 2 ) 第 2 章 非饱和土抗剪强度的基本理论 式中h 是与基质吸力5 有关的土结构弹性模量，e 和协是弹性模量和泊松比， 其他公式也有类 似的 表达式，不 再重复。 陈 正 汉 130 ( 19 9 8) 认为 非 饱 和 土 的 变 形 与 含 水 量 的 变 化 是 由 净 应力 和 基 质 吸 力引起的，并提出了与 d unc an 一 c h an g 类似的非线性弹性模型， 用增量形式 表示 如下: ij ， _ _、 2 从 刀_、 .1 口万，= 竺了 “ 气 v:一 “，一 “ 龟 口 ，一 “， 宁 “占 玛 “ 一 玛、“ 拭尹 ( 2 . 1 3 ) 式中 el =d 氏一 气) d 价 d(氏一 巩) d el ( 2 . 1 4 ) 。 = 一 会 hs ，= ，尝 ( 2 . 1 5 ) (2. 1 6 ) 杨代泉(1 9 92) 认为上体 变形由 以下几部 分组成: 净应力引起的应变， 满足 广义虎克定律; 由 广义切应力引 起的 应变; 由 吸力变 化引 起的 体变; 由 吸力变化引起的剪切 应变。 但是由 于其中参数难以 确定， 所以该 理论只具 有理 论意义。 ( 2 )弹塑性理论 al on so l3ll(l 99 0) 根 据 压 缩 实 验 和 三 轴实 验结 果 提出 了 非 饱 和 土 的 弹 塑 性 本 构 关系。 他又对非饱和 土在不排 水加荷条件下 的性状进行分析， 提出了 两个预 测土的总体积变化和饱和度变化的方程。他用若干线性和非线性函数来描述非 饱和上在k 。 和各向 等压加荷条件下的 本构面。 土结构与液相的 本构面是 用孔隙 比和饱和度来表达的。他们利用己经出版发表的实验数据，采用优化技术来确 定最佳的拟合函数. 2 . 2 . 2 非饱和土的固结理论 岩 土 工 程中 常 用 的 固 结 理 论 有 太 沙 基 (t e rz a g h i) 固 结 理 论 、 比 奥 ( bi ot ) 固 结 理 论以 及弗 洛林固 结理论 等。 这些理论只 适用于 理想饱和土 或孔隙气体呈封闭 状 第2章 非饱和土抗剪强度的基本理论 态的 准饱和上。对于 广泛存在于 大自 然， 孔隙气和孔隙水能独自 运动的 各种非 饱和土，目 前尚无相 应可行的固 结理论和分析方法。 由 于非饱和土在外 加荷载和周围 环境共同 作用下的变形 机理与 饱和土的 变 形机理存在显著不同，为了 从概念上明 确两者的区别，把非 饱和土 在外加荷载 及其周围环境共同作用下，同时考虑孔隙汽、水、空气、热运动与土骨架变形 的祸合问题定义为非饱和土广义固结问题( 简称广义固结问题) 。由此可见，广 义固 结问 题所具 有的内 蕴远比 饱和土固结问 题丰富、复杂。依据 其内 在本质的 不同， 可以 把 它归 纳为如下二大类: 外加荷载作用下的压密 变形， 它包括三个 部分. 第一部 分是因 孔隙 气体具有可压缩性而产生的压密 变形; 第二部分是因 为孔隙压力( 含