土工测试技术

1、非饱和土力学强度理论的发展现状研究非饱和土强度理论的意义。地球上大部分的表层土均处于非饱和状态，不仅在那些干旱和半干旱地区，就是在河、 海附近地区的土层也可能处于非饱和状态，例如海洋底下含油或含气的沉积物。另外工程建 设中常遇到的压实土层（如土石坝、路基、压实粘土衬垫等），也是非饱和的。与工程相联系 的非饱和土问题常常出现在不同类型的土层中，尤其像膨胀土、黄土、残积土、若干红土等 那些被称为“特殊土”的土类，工程问题时有遇到。在世界上有超过60%以上的国家都曾经 或者正在遭受这些非饱和特殊土所带来的工程危害。据统计，其所造成的损失在美国居然超 过风灾、洪灾、地震、泥石流等自然灾害损失的总和，年

2、损失近00亿美元1。面对广泛和 日益严重的非饱和土工程问题，岩土工作者不得不认真应对，并就其性状和防治补救措施进 行研究。早在20世纪30年代，即土力学成为一门独立学科后不久，土力学研究者就开始考 虑非饱和土问题。70多年的发展使非饱和土力学理论和测试技术的研究取得了重大进展。作为土力学基本框架的重要组成部分，饱和土的强度理论己经基本趋于成熟，而非饱和 土在实际工程中分布更为广泛，其工程特性更为复杂，其强度理论尚不十分完善。在非饱和 土力学中，应力理论和强度理论是非饱和土力学变形与稳定性分析理论及计算方法中的重要 基础。因此，对于不同程度的非饱和土，必须建立合理的应力理论和强度理沦。.非饱和土

3、的基本性质土在传统土力学研究中被看作是由土颗粒、土中水及土中气三相组成的。因此，就其孔 隙中充满水的程度，可以将土分为饱和土（饱和度Sr=100）及非饱和土（Sr100）。饱和土是由 土、水两相组成的，而非饱和土中除了土、水两相外，孔隙中还有其它流体（如空气、收缩 膜等）。因此，非饱和土被认为是由多相组成Ferdlund和Morgenstne认为非饱和土是四 相体:土、水、气、收缩膜。除此之外，饱和土中孔隙水压力，大于等于零（这里认为孔隙气 压力气为0），而非饱和土孔隙水压力，相对于孔隙气压力而言是负的。正是由于非饱和土 与饱和土在基本组成上的差别，导致了它们在性质和工程性状上的差异，并且最终

4、产生了非 饱和土力学这一门学科到目前为止，人们对非饱和土的认识不完善。一是由于非饱和土本身较饱和土的性状复 杂；二是由于经典土力学在其发展过程中将重点放到了饱和的砂、粉土和粘土以及干砂上。 然而，工程实践中遇到的很多土，其性状并不符合经典土力学的原理，这里的土绝大多数是 非饱和土。例如，用较干的土进行回填，随时间的推移或遇到雨水，水就可能渗入土中引起 含水量变化和土的膨胀，这就有可能打破该土与周围土体结构或结构物的平衡状态，进而引 起工程上的损失。相类似的问题，有膨胀土的膨胀变形、边坡的抗剪强度下降、土的重塑和 压实等，这些问题引起的根源都是非饱和土中存在负孔隙压力，而这一问题是很难用经典土

5、力学的概念加以解释的。非饱和土力学的发展是围绕吸力这一基本概念而开展的。20世纪初，土中吸力理论概念 已在土壤物理学中得到发展。土的吸力理论主要是同土一水一植物相关联而发展起来的。土 的吸力在解释工程问题中的土的力学性状方面具有重要意义。围绕这一概念，不同人提出了 不同的吸力概念。Frdelund等认为总吸力分为基质吸力和渗透吸力，沈珠江则提出了广义吸 力的概念，而汤连生则将总吸力分为湿吸力，和可变结构吸力7，等等。非饱和土强度理论的发展及现状(1).库伦一莫尔(Mohr-Coulomb)破坏准则及有效应力概念库伦1776年提出的抗剪强度理论认为:土的抗剪强度由粘聚力c和内摩擦角甲两部分组 成

6、，并假定抗剪强度指标为常数。但实际情况是，c和平并非常数，而是随应力状态有所变 化。莫尔1900年提出了土的强度包线是曲线而不是直线。因此，c和平只有在一定条件下 被近似认为是常数。太沙基(Tergazhi)在1925年提出饱和土的有效应力概念，并用试验证明了有效应力等于 总应力与超静水压力的差值。将此结论应用到库伦理论中即为9：t f = c + (b - uj tan 中式中t f 一剪应力；c 一有效粘聚力；b uw 一有效应力；平一有效内摩擦角。在工程设计的计算分析中，应尽可能采用有效强度指标和有效应力的分析方法。但由于 实际工程中的超静水压力很难准确计算和量测，因而很多情况下是采用固

7、结不排水试验或完 全不排水试验的强度指标(2) . Bishop 理论。Bihsop (1959)提出了获得广泛引用的有效应力表达式:b * = (J 心 +X (Ua -叩式中b *为有效应力；ua为孔隙气压力；uw为孔隙水压力；X为与土的饱和度有关试 验参数。在此基础上，根据Mohr-Coulomb理论得到非饱和土抗剪强度公式：T f - c + (b - ua)tan 中 + X (ua - uw) tan 中但是，由于系数X缺乏明确的物理概念，建立在有效应力原理上的单变量理论能否应 用于非饱和土，始终受到人们的怀疑10(3) . Ferdlund双变量理论及其修正。Ferdlund和M

8、orgensten(1978)11。提出了建立在多项连续介质力学基础上的非饱和土应 力分析。采用三个正应力变量(b - ua)和(ua - uw)，(b - uw)和(ua - uw)，(b - uw) 和(b - ua)中的任意两个来描述非饱和土的应力状态：t . = c + (b , - u ), tan 中* + X (u 一 u ), tan 中 bfff w勺 T a w，f式中：c，一 Mohr-Coulomb破坏包线的延长线与剪应力轴的截距，在剪应力轴处的破坏净法 向应力和基质吸力均为零。也叫有效粘聚力；(b厂ua) f 一破坏时在破坏面上的净法向应力状态；(ua- uw)f 一

9、破坏时在破坏面上的基质吸力；中* 一与净法向应力状态变量(b广ua)f有关的内摩擦角；J a J甲b 一表示抗剪强度随基质吸力(ua - uw) f而增加的速率。由于大量试验表明非饱和土抗剪强度与基质吸力并不成线性比例关系，对同一土样吸力 内摩擦角也不是常数，而是随基质吸力的变化而变化。故，Ferdimid等(1995)利用非饱和土 的土一水特征曲线方程确定非饱和土抗剪强度随吸力变化的非线性规律，得到如下公式：T 仟-C + (b f - ua) f tan 甲 + tan 甲b j 贵Ld (气 一 uW)J JJJI ，Y0 1 一 sr式中：S一饱和度；sr一残余饱和度；w 一土的吸力。

10、双变量理论可以说是对单变量理论的否定。但是沈珠江在文献中证明:双应变理论无非 是用新的经验系数tan中b尹代替原先的X而己。这就是说，Frde!und公式与Bihsop公式物理概念基本相同，其差异只是在选用参数时分别采用了tan中b和*两种不同的形式。.沈珠江广义吸力双曲线公式沈珠江在文献5 中推广了吸力的概念，把一切增加颗粒间抗滑阻力的因素都称为广义吸 力，在此基础上把饱和土的有效应力原理推广为广义有效应力原理1。他提出用广义吸力us 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。提出了强度与广义t = c + (b- u ) tan + U tan fa 1 + dus式

11、中：气一广义吸力。.汤连生总有效应力原理汤连生(2。1)通过对非饱和土粒间吸力的研究，将粒间吸力分为结构吸力、广义吸力、 收缩膜张力67，如图1.6所示，其强度公式为:t f = s. tan甲+ sd + (sm + sa + s)tan甲+ (b -ua)tan甲站构吸加本征结构吸加可变结构眼如可变祭构吸力与7L隙气压力也孔隙水压力虬收缩棋根办L湿唱方虬.牵引力图L6伽连生关于吸力的分类(6) .卢肇钧(1992、1997)等用膨胀力表示的强度14t f = c tan 甲+ (b - ua) tan 甲+ mps tan 甲式中：Ps一膨胀力；m 一由非饱和土种类所决定的线性参数。.缪林

12、昌和殷宗泽(1999)提出的双曲线模型。t , = c tan + (b - u )tan + Us_- tan faa 一 1a +pa式中：a 一试验参数；pa一大气压力。(8) .党进谦和李靖(1997)提出非饱和黄土抗剪强度公式。t f = cw tan 甲+b tan 甲+ bSd式中：cw 一饱和黄土的粘聚力；b , d 一两个试验常数；S 一非饱和黄土的基质吸力， S= (Ua - Uw)。(9).综合上面的各种强度理论，对上述公式进行总结，可以看出这些非饱和土抗剪强度公 式可以写成统一的形式1516t f = c + (b ua )tan 甲+t st s 一由吸力产生的吸附强

13、度，随非饱和土吸力的变化而变化，是非线性的。因此不可能找到一个精确的表达式来概括和准确表示所有非饱和土的吸附强度t s随吸 力变化的规律，因为不同的非饱和土形成的条件和过程(受力历史和变形过程)、矿物成分、 内部结构形态和土颗粒排列组合形式各异，所以在外界影响作用下表现出来的强度特性也各 不相同。近年来，国内学者在非饱和土的固结理论研究上也取得了较大的进展。如陈正汉等初步 建立了非饱和土固结的混合物理论，杨代泉提出的广义固结理论，沈珠江倡导建立的结构性 本构模型，包承纲提出的以非饱和土气相存在状态划分孔隙水的流动规律等。可以说，非饱 和土的理论研究在国内外方兴未艾，正日益向着工程实用的领域迈进

14、。随着科技不断进步以 及大型工程的需求，非饱和土力学将会越来越成熟。参考文献：包承纲，詹良通，非饱和土性状及其与工程问题的联系岩土工程学报,2006,28(2) :130-136.包承纲.非饱和土的性状及膨胀土边坡稳定问题J.岩土工程学报,2004,26(1):1 - 15.D.G.Frdelund，H.Rahardjo著，陈仲颐等译.非饱和土土力学.北京:中国建筑工业出版社， 1997。樊申，非饱和土强度参数的三轴试验研究与基坑开挖的数值模拟，大连理工大学。2006。沈珠江.广义吸力和非饱和土的统一变形理论.岩土工程学报，vol.18No.2Mar.1996:Pl 一 8。汤连生，王思敬.湿

15、吸力及非饱和土的有效应力原理探讨.岩土工程学报，vol.22 No.1 Jan.2000:P83 一 88。汤连生.结构吸力及非饱和土的总有效应力原理探讨.中山大学学报(自然科学版)，Vol.24 SuPP.Oct2003:P95 一 100。卢肇钧.粘性土抗剪强度研究的现状与展望.岩土工程学报，vo132 No.4 Aug.1999:P3-7K 太沙基著，徐志英译.理论土力学.北京:地质出版社，1960.4.P19 一 36沈珠江.广义吸力和非饱和土的统一变形理论.岩土工程学报，vol.18No.2Mar.1996:Pl 一8FredlundDG，MorgensternNR，WildgerRA.The shear strength of unsaturated soilsfJ Can.Geoteeh.J.1978，15(3):p313 一 321.陈正汉，孙树国，方祥位，等.非饱和土于特殊土研究的最新进展.郑健龙，杨和平.膨 胀土处治理论、技术与实践.北京:人民交通出版社，2