課件非飽土力學(xué)

第一緒論非飽和土分布十分廣泛，與工程實(shí)踐緊密聯(lián)系的地表土幾乎都是非飽和土。干旱與半干旱地區(qū)，由于蒸發(fā)量大于降水量，地下水位較深，這些地區(qū)的表層土是嚴(yán)格意義上的非飽和，溶解于孔隙水中的氣體逸出，以氣泡形式存在于孔隙水中，這兩種含氣泡的土也應(yīng)屬于非飽和土?？梢?jiàn)，非飽和土才是工程實(shí)踐中經(jīng)常遇到的土，飽和土是非飽和土的特例，真正意義上的飽和土在工程實(shí)踐中很少見(jiàn)到。第一緒論非飽和土分布十分廣泛，與工程實(shí)踐緊密聯(lián)系的地表土幾乎都是非飽和土。干旱與半干旱地區(qū)，由于蒸發(fā)量大于降水量，地下水位較深，這些地區(qū)的表層土是嚴(yán)格意義上的非飽和，溶解于孔隙水中的氣體逸出，以氣泡形式存在于孔隙水中，這兩種含氣泡的土也應(yīng)屬于非飽和土?？梢?jiàn)，非飽和土才是工程實(shí)踐中經(jīng)常遇到的土，飽和土是非飽和土的特例，真正意義上的飽和土在工程實(shí)踐中很少見(jiàn)到。止的土力學(xué)只能稱之為飽和土力學(xué)。然而，實(shí)際工程中遇到的土多是以三相狀態(tài)(土粒、孔隙水、孔隙氣)存在。經(jīng)典的飽和土力學(xué)原理與概念并不完全符臺(tái)其實(shí)際性狀。有人甚至認(rèn)能也隨飽和度而變化。這些問(wèn)題都是飽和土力學(xué)難以解決的。由此觀之，按多相(非飽和)①②③④1993非飽和土，其中的結(jié)合水膜將是影響這類土體性態(tài)的關(guān)鍵因素。非飽和土的氣-液相交界面態(tài)，將非飽和土分為三類：水封閉型、雙開(kāi)敞型和氣閉型。Barden（1965）將非飽和為最優(yōu)含水量）；④90%<S95%；⑤S>95%。包承綱（1979，1998）將非飽和土分14種形態(tài)。當(dāng)孔隙中的氣相以完全連通方式存在時(shí)，氣滲性與含水量無(wú)關(guān)，土體有效應(yīng)力表達(dá)式為-ua)；隨著含水量的增大，孔隙中的氣體體積產(chǎn)生的。也即非飽和土力學(xué)中所謂的土中吸力(suction)1-12膨脹土及黃土的變形分析及強(qiáng)度參數(shù)。膨脹土與黃土均是易受水份影響的土類。非飽和理論提出來(lái)了，引入吸力解釋了許多現(xiàn)象，揭示了一些規(guī)律。以Fredlund理論為代3第二非飽和土中吸力1965(2-uw0第二非飽和土中吸力1965(2-uw0 v08.31432J/(mol.K)，式中為土中總吸力，R為理想氣體常數(shù)為水密度的倒數(shù)3hmdy135020lnuv v0(2-蒸氣的壓力比，它用百分比%表示。同一種土，如果把它放到二種不同的環(huán)境，比如一種為相對(duì)濕度，相當(dāng)于陰雨時(shí)的大氣條件，我們一直等到土中含水量達(dá)到穩(wěn)定為止，所得到的72%的相對(duì)濕度條件下，Jossigny4%，飽和度是16.9%，而同樣條件下一種高塑性土（FoCa，WL=112%，IP=62）18%，飽和度是88%。（LT242-uu<u2-12-1可見(jiàn)，基質(zhì)吸力(uauw等于(uvuv12-uu<u2-12-1可見(jiàn)，基質(zhì)吸力(uauw等于(uvuv1；滲透吸力等于(uv1uv0吸力則為(uvuv0。其中uvuv15u010-10-1設(shè)作用于二維薄膜上的壓力分別為u和(u+u)，薄膜的曲率半徑為設(shè)作用于二維薄膜上的壓力分別為u和(u+u)，薄膜的曲率半徑為Rs，表面張力為T(mén)s2Tssin2uRssin(2-2Rssin為投影在水平面上的薄膜長(zhǎng)度。上式還可改寫(xiě)為u=Ts/Rs。對(duì)于鞍形的翹曲11u(2-sRR 2R2為翹曲薄膜在正交平面上的曲率半徑。如曲率半徑各向等值(R1=R2=Rs)，則式可式 寫(xiě)為u=2Ts/Rs。在非飽和土中，水氣分界面上壓力差源于孔隙氣壓和孔隙水壓，而為基質(zhì)吸力。從而由前式得：(uauw) ss(2-2su rua和uw分別為氣壓和水壓；s為水的表面張力；θ為水浸濕毛細(xì)管壁的角度；hh2sw6為水的重度。水的表面張力TsRsRs主要又取決于土體孔隙的大小與分布。孔隙直徑越大，則可能的水氣為水的重度。水的表面張力TsRsRs主要又取決于土體孔隙的大小與分布。孔隙直徑越大，則可能的水氣bac2-2Da>Db>Dc，那么最大可能吸力ua<ub<uc。當(dāng)吸力逐漸增大時(shí)，a點(diǎn)處的交界面膜將最先被沖破，然后依次為b點(diǎn)和c點(diǎn)。當(dāng)利用軸平移技術(shù)時(shí)，隨著孔隙水壓力增高，Da>Db>Dc，對(duì)相同的吸力變化量，含水量變化wa>wb>wc。在吸力增大的開(kāi)始時(shí)，土體中水份最先從較大的孔隙中排出，相當(dāng)于模型中a點(diǎn)，此時(shí)含水量變化率較大。隨吸力增大，土體中孔隙水逐漸排出，ab點(diǎn)，含水量變化率減小。直到當(dāng)吸力增大到一定程度后，土體大孔隙中的水份被完全排出，水份處于較小的孔隙中，此時(shí)模型中水氣交界面處c7a考慮非飽和膨脹土中吸力的變化應(yīng)當(dāng)反映土體應(yīng)力變形及含水量變化時(shí)的脹縮變形對(duì)8第三吸力的量測(cè)與控制吸力是非飽和土力學(xué)理論體系的基礎(chǔ)和核心概念，是非飽和土區(qū)別于飽和土的根本所達(dá)到幾百M(fèi)Pa，要用可靠的手段較準(zhǔn)確地測(cè)量這么大范圍的吸力值目前仍很困難，往往需第三吸力的量測(cè)與控制吸力是非飽和土力學(xué)理論體系的基礎(chǔ)和核心概念，是非飽和土區(qū)別于飽和土的根本所達(dá)到幾百M(fèi)Pa，要用可靠的手段較準(zhǔn)確地測(cè)量這么大范圍的吸力值目前仍很困難，往往需表3-9（濕度100-法0-0-0-用熱電偶濕度計(jì)可量測(cè)土中的相對(duì)濕度從而獲得總吸力巖土工程常用的濕度計(jì)—Peltier濕度計(jì)(Spanner濕度計(jì))SeebackPeltier效應(yīng)，并通過(guò)濕度、溫Peltier型濕度計(jì)的差別在于，增加蒸發(fā)量而加濕蒸發(fā)接點(diǎn)的方式不同。Peltier用熱電偶濕度計(jì)可量測(cè)土中的相對(duì)濕度從而獲得總吸力巖土工程常用的濕度計(jì)—Peltier濕度計(jì)(Spanner濕度計(jì))SeebackPeltier效應(yīng)，并通過(guò)濕度、溫Peltier型濕度計(jì)的差別在于，增加蒸發(fā)量而加濕蒸發(fā)接點(diǎn)的方式不同。PeltierSeeback效應(yīng)和Peltier效Peltier效應(yīng)被降低到Peltier效應(yīng)可用于冷卻熱電偶的一個(gè)接點(diǎn)，使之達(dá)到與周?chē)髿庀鄳?yīng)的露點(diǎn)溫度，從而使蒸氣在接點(diǎn)上凝結(jié)。電流一旦停止，凝結(jié)水便蒸發(fā)到周?chē)髿庵腥?，使接點(diǎn)上的溫度進(jìn)一+-T金屬金屬較較3-3-2CR-712．15秒后，微電流（5mA）15Peltier3．15秒冷卻完成后，Peltier冷卻一旦停止，量測(cè)接點(diǎn)凝結(jié)水便開(kāi)支向大氣蒸發(fā)，接點(diǎn)溫度降到露點(diǎn)以下，微電壓表紀(jì)錄電動(dòng)勢(shì)（為量測(cè)接點(diǎn)與基準(zhǔn)接點(diǎn)的溫差的函數(shù)）Seeback效應(yīng)微電動(dòng)勢(shì)最大值為周控制在0.001C。其特點(diǎn)：缺點(diǎn)：率定、測(cè)量的設(shè)備都較復(fù)雜，對(duì)環(huán)境要求高，無(wú)法用于現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)；無(wú)法測(cè)低100kPa的吸力值，熱電偶在酸性環(huán)境中易腐蝕，每次率定或使用后，一定要按廠家說(shuō)明1995對(duì)濕度）之間。濕度若低于95%，氣體環(huán)境中的水分子數(shù)量變得太稀少，無(wú)法達(dá)到凝結(jié)狀3-2NaCl溶液的滲透3．15秒冷卻完成后，Peltier冷卻一旦停止，量測(cè)接點(diǎn)凝結(jié)水便開(kāi)支向大氣蒸發(fā)，接點(diǎn)溫度降到露點(diǎn)以下，微電壓表紀(jì)錄電動(dòng)勢(shì)（為量測(cè)接點(diǎn)與基準(zhǔn)接點(diǎn)的溫差的函數(shù)）Seeback效應(yīng)微電動(dòng)勢(shì)最大值為周控制在0.001C。其特點(diǎn)：缺點(diǎn)：率定、測(cè)量的設(shè)備都較復(fù)雜，對(duì)環(huán)境要求高，無(wú)法用于現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)；無(wú)法測(cè)低100kPa的吸力值，熱電偶在酸性環(huán)境中易腐蝕，每次率定或使用后，一定要按廠家說(shuō)明1995對(duì)濕度）之間。濕度若低于95%，氣體環(huán)境中的水分子數(shù)量變得太稀少，無(wú)法達(dá)到凝結(jié)狀3-2NaCl溶液的滲透吸力3-3KCl溶液的滲透吸力摩爾濃0摩爾濃0值。如果我們用一壓力傳感器代替土中U形壓力計(jì)，與測(cè)正壓力的情況相反，傳感器貼應(yīng)張力計(jì)法量測(cè)土中的負(fù)孔隙水壓力。張力計(jì)由高進(jìn)氣值陶瓷頭與壓力量測(cè)裝置組成。兩者用一小管連接。小管通常用塑料做成，它的導(dǎo)熱性低而且不腐蝕。管和陶瓷頭用除去空氣的水充滿。將陶瓷頭插入預(yù)先挖好的孔中直到與土良好接觸。當(dāng)土和量測(cè)系統(tǒng)之間達(dá)到平衡時(shí)，張力計(jì)中的水將同孔隙水具有相同的負(fù)壓。因?yàn)閺埩τ?jì)中的水可能出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，使得90kPa90kPa以上時(shí)，張力計(jì)連接管中將出現(xiàn)氣泡，大大影響測(cè)量精度。當(dāng)孔隙氣壓力等于大氣壓時(shí)，測(cè)得的負(fù)孔隙水壓力在數(shù)值上與基質(zhì)吸力相等。當(dāng)孔隙氣壓力大于大氣壓時(shí)，張力計(jì)的讀數(shù)同周?chē)紫稓鈮毫ο嗉泳椭?。如果我們用一壓力傳感器代替土中U形壓力計(jì)，與測(cè)正壓力的情況相反，傳感器貼應(yīng)張力計(jì)法量測(cè)土中的負(fù)孔隙水壓力。張力計(jì)由高進(jìn)氣值陶瓷頭與壓力量測(cè)裝置組成。兩者用一小管連接。小管通常用塑料做成，它的導(dǎo)熱性低而且不腐蝕。管和陶瓷頭用除去空氣的水充滿。將陶瓷頭插入預(yù)先挖好的孔中直到與土良好接觸。當(dāng)土和量測(cè)系統(tǒng)之間達(dá)到平衡時(shí)，張力計(jì)中的水將同孔隙水具有相同的負(fù)壓。因?yàn)閺埩τ?jì)中的水可能出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，使得90kPa90kPa以上時(shí)，張力計(jì)連接管中將出現(xiàn)氣泡，大大影響測(cè)量精度。當(dāng)孔隙氣壓力等于大氣壓時(shí)，測(cè)得的負(fù)孔隙水壓力在數(shù)值上與基質(zhì)吸力相等。當(dāng)孔隙氣壓力大于大氣壓時(shí)，張力計(jì)的讀數(shù)同周?chē)紫稓鈮毫ο嗉泳瓦€可利用張力計(jì)對(duì)其它某些吸力量測(cè)設(shè)備在-85kPa范圍進(jìn)行率定。但這一點(diǎn)(尤其是在野外時(shí))不易確定。②陶瓷頭較脆弱、易開(kāi)裂，一旦開(kāi)裂便不能再用。個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。④量測(cè)范圍還會(huì)受陶瓷頭的進(jìn)氣值的限制：要保證陶瓷頭的進(jìn)氣值必須大限制用他們?cè)O(shè)計(jì)的儀器推到1500kPa。其主要原理是把水槽厚度減小到毫米水平，這樣可以英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)發(fā)明了一種快速高量程張力計(jì)，非常適用于測(cè)定非飽和土中基質(zhì)吸力設(shè)備。1993RidleyBurland1．8MPa1．7MPa的張力而不產(chǎn)生氣蝕。該張力計(jì)在陶重要的是抑制了氣泡的產(chǎn)生)1500kPa的吸力。只要張力計(jì)4OOOkPaLeicesterDruck公司生產(chǎn)的微型探頭PDCR813g6．5mm，達(dá)到否則，將比傳統(tǒng)張力計(jì)產(chǎn)生更大的測(cè)量錯(cuò)誤。Meilani等人改換高進(jìn)氣陶瓷板，使其與壓力0．41mm，用于測(cè)量三軸試樣的負(fù)孔隙水壓力(1)。試驗(yàn)表明，400kPa吸力延續(xù)了15h200kPa吸力延續(xù)了155h。術(shù)結(jié)合起來(lái)(ATM—tensiometertechnique)，對(duì)三軸實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，軸向荷載由油壓系統(tǒng)控制，徑向荷載由水壓系統(tǒng)產(chǎn)生，使張力計(jì)的量測(cè)范圍達(dá)到85～285kPa。且對(duì)孔隙水壓力和液體時(shí)的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在測(cè)量低于-100kPa的吸力時(shí)，選用高粘度的飽和液體(脫氣水中摻入一定重量比的甘油)，濕度平衡和維持平衡時(shí)間都將延長(zhǎng)。這對(duì)于某些情況下，希望達(dá)到Marinho也強(qiáng)調(diào)化學(xué)技術(shù)可以減少小氣泡(逐漸減小。1997PintoHCT張力計(jì)(high—capacitytensiometer)6003.5MPa。他在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：多孔陶瓷頭與土樣間涂上一些泥漿既可以減小張力計(jì)中水的1997Saskatchewan大學(xué)研制成功一種新熱傳導(dǎo)探頭，它是由特制陶瓷探頭和3.5MPa。他在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：多孔陶瓷頭與土樣間涂上一些泥漿既可以減小張力計(jì)中水的1997Saskatchewan大學(xué)研制成功一種新熱傳導(dǎo)探頭，它是由特制陶瓷探頭和時(shí)域反射計(jì)(TDR)是由陶瓷傳感器與短探桿組合做成的，用壓力板儀率定。它用駐波(. - –5.5×10-4ka+4.3×10，得到體積含水量)力。介電常數(shù)kaTDR200kPa多孔塊(Porousblock)測(cè)基質(zhì)吸力的原理是含水量(吸力)和電阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在多孔塊中IrrometerWatermark0～200kPa軸平移技術(shù)來(lái)源于首先由土壤學(xué)家們提出的氣壓法chrds1941。其原理為：一個(gè)密封容器的底部裝一陶瓷板，其上置土試樣。為保證陶瓷板的飽和狀態(tài)，它被放在一受大氣壓力的水容器里。像前面所提到的那樣，由于陶瓷板的孔極小，必須加到其進(jìn)氣值它才能變Jurn500ka的陶瓷板，其最大0.29μ。我們也可以用半透膜來(lái)代替陶瓷板，在這種情況下，只需要把半透膜放在常用透水石上面。在下一節(jié)里我們會(huì)看到這種半透膜是滲透法控制吸力的最基本的材料，只5nm左右，所以其進(jìn)氣值很（uw=0。應(yīng)用：軸平移技術(shù)適用于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，且最適于具有連續(xù)氣相的土應(yīng)用：軸平移技術(shù)適用于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，且最適于具有連續(xù)氣相的土.一般說(shuō)來(lái)，該技術(shù)的存在間翅：①采用軸平移技術(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期試臉時(shí)，很難保證水壓力量測(cè)系統(tǒng)中始終沒(méi)有質(zhì)吸力偏低。②陶瓷板的進(jìn)氣值與板的最大孔徑成反比，而滲透系數(shù)卻隨板孔徑的變大而sua十個(gè)MPa，這當(dāng)然又把儀器的安全尺寸提到了一個(gè)新的高度（Vilan1995溶液。聚乙二醇的分子很大，由碳?xì)洌–2H4）鏈組成。其摩爾質(zhì)量可從100020000。濃度越高，吸力就越大。Delage1998，WilliamsShaykewich1969給出了至今不同作者得到的吸力與濃度的關(guān)系曲線。其中聚乙二醇的摩爾質(zhì)量包括1500，4000，6000和20000。很明顯，吸力濃度關(guān)系與摩爾質(zhì)量無(wú)關(guān)，只不過(guò)大的摩爾重量只能用來(lái)獲得較低的吸力，而小的摩爾質(zhì)量吸力的范圍較寬，從零到12MPa。值得提出的是，小摩爾質(zhì)量意味這樣平衡周期就長(zhǎng)。因此在滲析法的使用中，重要的是根據(jù)土中吸力的大小合理選擇聚乙6.25MPa（s2.5s11c4-5天時(shí)間，當(dāng)平衡達(dá)到后，土樣被從半透膜中取出，平移法相反，12MPa的吸力可以在不采取任何安全措施的條件下達(dá)到。3-319861967FawcettColli-GeorgeParcevaux的曲土，水蒸氣將從土樣進(jìn)入濾紙，并達(dá)到平衡。量測(cè)達(dá)到平衡時(shí)濾紙的含水量。因?yàn)V紙的含ASTM標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。濾紙應(yīng)為燃WhatmanNo.42Schleicher或SchuellNo.589。同一品牌的濾紙可認(rèn)為是相同的，其含義為具有相同的率定曲線。迄今為Amraouilogs5.327ASTM標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。濾紙應(yīng)為燃WhatmanNo.42Schleicher或SchuellNo.589。同一品牌的濾紙可認(rèn)為是相同的，其含義為具有相同的率定曲線。迄今為Amraouilogs5.327wf當(dāng)logs2.412wffwflogs5.334logs2.478wff（kP，fM r1a nms3-53-5紙使其從土樣中吸收水份以達(dá)到平衡。率定曲線都是用起始狀態(tài)為干的濾紙進(jìn)行率定得到0.0001g0.52g30%，濾紙中的水份僅為0.16g左右。Amraoui推薦的使用濾紙法量測(cè)土中吸力的具體步驟：(1)準(zhǔn)備一些圓柱形的土另取一張濾紙懸掛于土樣附近，用以量測(cè)土中的總吸力；(4)將所有這些東西放置于一個(gè)密封良好的儲(chǔ)罐中，大約經(jīng)過(guò)十天之后，罐內(nèi)的土與濾紙之間的水汽交換趨于穩(wěn)定；(5)量測(cè)濾紙的含水率并計(jì)算吸力；(6)量取土樣的含水率并繪制土樣的水滯留曲線。濾國(guó)外學(xué)者對(duì)濾紙法與濕度計(jì)測(cè)量的總吸力值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：①濾紙不接觸法測(cè)量總吸力靈敏。而接觸法測(cè)量基質(zhì)吸力與C52濕度計(jì)相近。因此濾紙不接觸法不適合測(cè)量低吸力；受濾紙測(cè)吸力方法受濾紙測(cè)吸力方法啟示，Montrasio提出了一種用海綿(而不是濾紙)測(cè)量非飽和土的飽線，目的是用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。其實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3-6曲3-6海綿吸力探100kPa的高吸力在吸力越高時(shí)越明顯。②接觸濾紙法較宜用于測(cè)量低吸力。在高吸力(低含水最)時(shí)，水與時(shí)測(cè)出的很可能是總吸力，而不是基質(zhì)吸力。③濾紙必須是無(wú)塵定量分析型濾紙符合ASTME832標(biāo)準(zhǔn))。同一商標(biāo)的濾紙可認(rèn)為是“完全相同的”，即同一商標(biāo)的濾紙具有相同的率定曲線。測(cè)量時(shí)所用的濾紙應(yīng)與率定時(shí)所用的濾紙規(guī)格相同。④在量測(cè)平衡含水量時(shí)0.0001克的高精天平及烘箱等儀器，故必須在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用取自野外的原狀或擾(同一規(guī)格的濾紙只要一條率定曲線)圍很大，理論上是全范圍；④對(duì)環(huán)境溫度要求不高，只要保持整個(gè)平衡過(guò)程中溫度大致不變(溫度變化在10C以內(nèi))即可。局限性：①濾紙法難以自動(dòng)化，目前都是人工操作，尤其在數(shù)據(jù)獲取階段對(duì)人工技術(shù)要求很高，結(jié)果受操作人員以及實(shí)驗(yàn)室條件的影響很大，準(zhǔn)確程度難以保證；②平衡時(shí)間7~10天，若初始為濕濾紙，則一般要21~25天水（鹽3-7氣相法控制吸力示意圖（該方法適用于10MPa以上的高吸力值試驗(yàn)，有文獻(xiàn)表明的實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中達(dá)到了262MPa的吸力值。由于通過(guò)蒸氣達(dá)到平衡，對(duì)于環(huán)境溫度應(yīng)有很?chē)?yán)格的控制，所需的試驗(yàn)轉(zhuǎn)變，因此達(dá)到平衡所需時(shí)間較長(zhǎng)，一般需10幾天或者更長(zhǎng)。平衡時(shí)間與吸力大小和土樣3-2水（鹽3-7氣相法控制吸力示意圖（該方法適用于10MPa以上的高吸力值試驗(yàn)，有文獻(xiàn)表明的實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中達(dá)到了262MPa的吸力值。由于通過(guò)蒸氣達(dá)到平衡，對(duì)于環(huán)境溫度應(yīng)有很?chē)?yán)格的控制，所需的試驗(yàn)轉(zhuǎn)變，因此達(dá)到平衡所需時(shí)間較長(zhǎng)，一般需10幾天或者更長(zhǎng)。平衡時(shí)間與吸力大小和土樣3-23-3給出了不同鹽飽氫氧化鉀（KOH，常溫下吸力可達(dá)到331.9MPa，相對(duì)濕度達(dá)到9%。值得一提的是常用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于不同作者（Spencer1926，Schneider1960，Weast1998對(duì)濕度大于76%段標(biāo)定（Lang1967。RidleyWray（1995）介紹了一些其它方法。一種很早開(kāi)發(fā)的方法是使用已知其含水范圍在50kPa和3MPa之間，它對(duì)水中的鹽度變化反映很靈敏，現(xiàn)在已不太常用，還有一種利Fredlund1989。這幾種吸力計(jì)使用性能都不是很理想。此外，中子和第四講非飽和土的應(yīng)力狀態(tài)變量第四講非飽和土的應(yīng)力狀態(tài)變量1969土的力學(xué)性狀(亦即體變和抗剪強(qiáng)度性狀)取決于土中的應(yīng)力狀態(tài)。土的力學(xué)性狀可用飽和土的有效應(yīng)力(σ-uw)常常被看作是一個(gè)物理法則。實(shí)際上，它只是一個(gè)可用于描一直較難建立適用于非飽和土的、較理想的應(yīng)力狀態(tài)變量。只是到最近，才對(duì)可實(shí)際（1應(yīng)力狀態(tài)描述的歷史發(fā)展過(guò)程；些原理(如Mohr圖)同樣適用于非飽和土。有效應(yīng)力概念已被普遍接受用于研究飽和土。曾經(jīng)試圖對(duì)非飽和土也建立類似的有效土力學(xué)作為一門(mén)科學(xué)，在解決涉及飽和土的許多巖土工程問(wèn)題中取得了很大成功。這要?dú)w功于工程師能夠?qū)⒂^察到的土的性狀同土中的應(yīng)力狀態(tài)聯(lián)系起來(lái)。Terzaghi(1936)對(duì)控土體中任意點(diǎn)的應(yīng)力可以從作用于該點(diǎn)的總主應(yīng)力σ1、σ2、σ3uwuw，稱為中性(或孔隙水)壓力。二是差值部分σ1’=σ1-uw、σ2’=σ2-uw、σ3’=σ3-uwuw壓縮、畸變和抗剪強(qiáng)度變化，都是由于有效應(yīng)力σ1’、σ2’和σ3’＝σ（4-式中：σ’一一有效法向應(yīng)力；σ——總法向府力；uw(亦即(σ—uw))有效應(yīng)力概念已成為飽和土力學(xué)的重要基礎(chǔ)。飽和土的所有力學(xué)性質(zhì)均由有效應(yīng)力控吸引作用。吸力只作用于顆粒濕潤(rùn)部分，很明顯，吸力越小濕潤(rùn)部分面積越大。Jennings和對(duì)于細(xì)顆粒土，除了毛細(xì)管張力外，脫水還會(huì)逐漸提高粘土部分中的吸附作用，所引從以上分析我們得出結(jié)論，從現(xiàn)象上看，吸力的作用不同于正孔隙水壓力的作用。從人們?cè)噲D把太沙基有效應(yīng)力理論應(yīng)用到非飽和土上來(lái)，在上世紀(jì)60年代全世界范圍內(nèi)人50年代。眾多學(xué)單思路（Croney1958，Aitchinson1961，Bishop1959，Jennings1961。1941年，Biot提出適用于含有封閉氣泡的非飽和土的普遍固結(jié)理論。在聯(lián)系應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)公式中采用了有效應(yīng)力(uw和孔隙水壓力uw兩個(gè)參數(shù)。換言之，它已認(rèn)1941年，Biot提出適用于含有封閉氣泡的非飽和土的普遍固結(jié)理論。在聯(lián)系應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)公式中采用了有效應(yīng)力(uw和孔隙水壓力uw兩個(gè)參數(shù)。換言之，它已認(rèn)1958年，Croney（4-其中 為結(jié)合系數(shù)，以反映土中有助于提高抗剪強(qiáng)度的結(jié)合點(diǎn)的數(shù)目來(lái)，有效應(yīng)力由式（4-3）Fua,uauwuafuauw（4-Bishop（1959）建議把此函數(shù)取為簡(jiǎn)單的線性函數(shù)，提出了被廣泛引用的有效應(yīng)力(ua)(uauw（4-式中引入了參數(shù)χ，其取值范圍在0到1之間，當(dāng)土完全干燥時(shí)取0，當(dāng)土飽和時(shí)取1Bisho和Donald（1961）嘗試著用ua控制的三軸實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證式（4-4。其驗(yàn)證方法是：假定式gSrBishop的公式在一段時(shí)間內(nèi)得到了巖土工程師們的認(rèn)可。那段時(shí)間其他人（Croney和Coleman1961；Aitchison1961；Jennings1961）也相繼提出了一些與式（4-4）相似形式的應(yīng)力狀態(tài)的變量應(yīng)當(dāng)與土的性質(zhì)無(wú)關(guān)（Fung,1977）。Morgenstern(1979）指出：應(yīng)力公式中（4-（JenningsBurland1962）也表現(xiàn)出擴(kuò)展到非飽和土的有效應(yīng)力概念的局限性。在濕陷性Picardrè黃土試樣在固結(jié)儀中在等含水量條件下（吸力大于零）被逐級(jí)加載到σVo-＝200kPa的豎向應(yīng)力，之后在等應(yīng)力下試樣被加水飽和。結(jié)果發(fā)現(xiàn)加水過(guò)程中試樣出現(xiàn)濕e1＝0.65e2＝0.62。加水后對(duì)土樣的再加載所得的壓縮曲AB，吸力從某一正值變?yōu)榱?，通過(guò)式（4-4）我們可以簡(jiǎn)單地看出，土的有效應(yīng)力降低。按照太沙基的有認(rèn)為認(rèn)為χSr以外的因素有關(guān)。當(dāng)通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)χ與吸力本身有關(guān)時(shí)，他們不得不重新回uafuauwRichards（1966）在有效應(yīng)力公式中加入了溶質(zhì)吸力分量(ua)m(hmua)sua（4-為考慮基質(zhì)吸力的有效應(yīng)力參數(shù) 為考慮溶質(zhì)吸力的有效應(yīng)力參數(shù)。該公式以其sAitchison（1965）提出相似公式(ua)mpms（4-非飽和土的性狀比飽和土的性狀復(fù)雜。非飽和土通常被認(rèn)為是三相系(Lambe和whitman,1979)。最近，收縮膜亦即水—?dú)夥纸缑姹徽J(rèn)為是獨(dú)立的第四相(Fredlund和飽和土的有效應(yīng)力概念最好能延伸應(yīng)用于非飽和土。所提出的許多非飽和土“有效應(yīng)性質(zhì)納入應(yīng)力狀態(tài)描述導(dǎo)致許多困難。描述應(yīng)力狀態(tài)的變量應(yīng)當(dāng)與土的性質(zhì)無(wú)關(guān)路徑、不同土類具有不同的數(shù)值大小(JenningsBurland,1962Coleman1962；BishopB1ight，1963；Burland，1964；BurIand，1965；Blight，l965)。最近，出現(xiàn)對(duì)非飽和土采用另一方式解決應(yīng)力狀態(tài)變量問(wèn)題的趨勢(shì)。換言之，有效應(yīng)力公式被分成兩個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力狀態(tài)變量，從而在土的應(yīng)力狀態(tài)描述中不再需要出現(xiàn)土的性的合理性(Fredlund和Morgenstern，1977)在無(wú)法用單一有效應(yīng)力變量全面分析非飽和土力學(xué)特性的情況下，我們需要用兩個(gè)應(yīng)和吸力（ua-uw）分開(kāi)考慮來(lái)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的，分析內(nèi)容包括體積變化、抗剪強(qiáng)度，這種方法之后得到了很大的發(fā)展。特別需要指出的是，Matyas和Radhakrisma（1968）在描述非飽和土的體變性態(tài)時(shí)引入了“狀態(tài)參數(shù)”的概念。認(rèn)為體變可以用狀態(tài)參數(shù)(ua(uauw分開(kāi)考慮。FredlundMorgenstern（1977）個(gè)單值的有效應(yīng)力或應(yīng)力狀態(tài)變量不足以描述非飽和土的受力狀態(tài)，在ua、uwuauwua和uauwua和uwuw和uauwuauwua和uauwua和uwuw和uauw以（σ-ua）和（ua-uw）σ、uauw提高相同的增⊿σ＝⊿ua＝⊿uwongiovi和rntino（1998）通過(guò)對(duì)吸力跟蹤也證明了這一點(diǎn)：在保持試樣體積不變的條件下，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)σ-ua）增加時(shí)，所引起的吸力變化與其增加值相等。標(biāo)量（ua-uw）對(duì)應(yīng)吸力，有具體的物理意義在大多數(shù)情況下，ua等于大氣壓，按習(xí)慣取零值，這樣總凈應(yīng)力的表達(dá)式得以xzxyzyuaz u uauw4-1(ua-uw)(σy-ττ(ua-τ(ua-τττ4-1 u0aua u0auax zxyzywz而沒(méi)有第二應(yīng)力張量，因?yàn)槲a-uw）趨向零。非飽和土第一應(yīng)力張量中的孔隙氣壓力uw3.2中。上述表明，從非飽和土到飽和土，或從飽和土到非飽和土，應(yīng)力狀態(tài)有一平順的過(guò)渡。土結(jié)構(gòu)的平衡方程也可以改為采用孔隙水壓力uw或總法向應(yīng)力σ作為基準(zhǔn)(見(jiàn)附錄合將是(σuw)、(uauw)和(uw)。如果采用總法向應(yīng)力σ作為基準(zhǔn)，那么從土結(jié)構(gòu)的平衡方程中得出的應(yīng)力狀態(tài)變量組合將是(σ一ua)、(σ一uw)和(σ)。3．1所示。這三組應(yīng)力狀態(tài)變量是根據(jù)三個(gè)不同的基準(zhǔn)(ua、uw和σ)從土結(jié)構(gòu)的平衡方程中推導(dǎo)得出的。在這三組中,(σ—ua)和(ua一uw)這組最適合于在工程實(shí)踐中應(yīng)用(FredIund，1979；FredlundRahardjo，1987)，因?yàn)榭偡ㄏ驊?yīng)力變化造成的影響可以最簡(jiǎn)單合理而便于應(yīng)用。本書(shū)中一律采用(σ一ua)和(ua—uw)這組應(yīng)力狀態(tài)變量，并稱前者“一組正確的獨(dú)立應(yīng)力狀態(tài)變量應(yīng)當(dāng)是：當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)變量的個(gè)別組成部分有所改變而應(yīng)中采用軸平移技術(shù)(Hilf，1956)。Bishop和Donald(1961)對(duì)非飽和粉土做過(guò)類似的抗剪強(qiáng)度FredlundMorgenstern1977年發(fā)表了驗(yàn)證非飽和土應(yīng)力狀態(tài)變量的“零位”試驗(yàn)資料。他們改變應(yīng)力狀態(tài)變量各個(gè)組成部分(亦即σ，ua和uw)的數(shù)值，但保持應(yīng)力狀態(tài)變量本身(亦即(σ一ua)、(ua—uw)和(o—uw))的數(shù)值不變。換言之，應(yīng)力狀態(tài)變量的各組向等壓外力。由于將吸力視為法向方向上的等效外力，則吸力(uauw)與法向外力(ua乘以系數(shù)，然后才能與(ua用畢肖普有效應(yīng)力原理式來(lái)研究非飽和土問(wèn)題簡(jiǎn)稱為單變量理論，用(ua(uauw第五非飽和土第五非飽和土中水的滯留特性水的滯留是非飽和土最基本的特性之一，土水特征曲線在非飽和土力學(xué)中具有重要意非飽和土吸收水和保留水的能力可以通過(guò)其水的滯留曲線（土水特征曲線SoilWater力）（uauw）和重力含水量w（gwgs，或體積含水量（Vw/V（Vw/Vv的吸力范圍內(nèi)（01500kPa）5-1是一01000000kPa時(shí)，土就由飽和狀含水量變化的規(guī)律來(lái)分為兩種（5-1）：即干燥（脫水）曲線和浸濕（吸水）曲線。而干燥（脫水0圖5- 1.主要特如果試驗(yàn)的吸力范圍較?。?-1500kPa，土水特征曲線可在普通的坐標(biāo)上標(biāo)繪。而當(dāng)吸力范圍很大時(shí)，則常采用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)繪制曲線（如圖5-1。土水特征曲線的主要特性(1)進(jìn)氣進(jìn)氣值aev（airentryvalue，又稱氣泡壓力uau干燥（脫水0圖5- 1.主要特如果試驗(yàn)的吸力范圍較小（0-1500kPa，土水特征曲線可在普通的坐標(biāo)上標(biāo)繪。而當(dāng)吸力范圍很大時(shí)，則常采用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)繪制曲線（如圖5-1。土水特征曲線的主要特性(1)進(jìn)氣進(jìn)氣值aev（airentryvalue，又稱氣泡壓力uauwb或b（bubblingpressuremV(2)殘余飽和殘余飽和度傳統(tǒng)意義上，土水特征曲線被定義在01500kPa的吸力范圍內(nèi)。吸力1500kPa具有重剪強(qiáng)度。當(dāng)應(yīng)用包含整個(gè)吸力范圍（即0-1000000kPa）1飽和度11000000kPa沿曲線作另一條延長(zhǎng)線，則殘余飽和度可定義為上述兩條延長(zhǎng)線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的飽和度（見(jiàn)圖5-1。(3)可區(qū)分的階通過(guò)前文提到的進(jìn)氣值以及殘余飽和度，土的減飽和過(guò)程由此可分為三個(gè)階段（(4)高吸基于有限吸力范圍0-100kP）上的土水特征曲線模型，并不適用于預(yù)測(cè)低含水量、300kPa11000000kP即011000000kPa沿曲線作另一條延長(zhǎng)線，則殘余飽和度可定義為上述兩條延長(zhǎng)線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的飽和度（見(jiàn)圖5-1。(3)可區(qū)分的階通過(guò)前文提到的進(jìn)氣值以及殘余飽和度，土的減飽和過(guò)程由此可分為三個(gè)階段（(4)高吸基于有限吸力范圍0-100kP）上的土水特征曲線模型，并不適用于預(yù)測(cè)低含水量、300kPa11000000kP即0-100000kP）的土水特征曲線來(lái)就顯得很有必2.幾種土的典型土水特征曲線圖5-2是幾種加拿大土在整個(gè)吸力范圍內(nèi)的土水特征曲線。表1是這些土的級(jí)配和塑性參Indian0圖5- 1飽和度減飽和（見(jiàn)圖5-2。Richards方法（1941減飽和（見(jiàn)圖5-2。Richards方法（1941）實(shí)現(xiàn)的，在每一級(jí)吸力達(dá)到平衡后，土樣在LogS-w里所得到的曲線稱為滯留曲線。有時(shí)lgS-Sr坐標(biāo)和lnS-坐標(biāo)，表示體積含水量，其定義為：V5-35-3土水特征曲線一般呈現(xiàn)“S”形LPIndianHeadRegina82———Sakatchewan大學(xué)Fredlund土的礦物成分，包括土顆粒的礦物成分以及孔隙中可溶鹽成分。其影響反映在土孔隙結(jié)構(gòu)，包括孔隙大小、級(jí)配和組成結(jié)構(gòu)等?？紫督Y(jié)構(gòu)影響土水作用面積和收吸力等于10kPa時(shí)，砂土幾乎干燥，而粘質(zhì)細(xì)砂和粘土仍處于近飽和狀態(tài)吸力等于40kPa時(shí)，粘質(zhì)細(xì)砂脫水程度明顯，而粘土的飽和度還很高吸力等1000kPa時(shí)，粘質(zhì)細(xì)砂幾乎達(dá)干燥狀態(tài)，而粘土的體積含水量仍等于0.28。針對(duì)以上因素,劉艷華等（2002）開(kāi)展了一系列的對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)土水特征曲線的性質(zhì)和北棗陽(yáng)土樣的基本性狀為：粘粒含量47%～59%，天然含水量25%～35%，自由膨脹率58%～88，液限含水量wL70.8%,塑性指數(shù)IP=47.3含量48.7%～56%，天然含水量23.4%～26.4%，自由膨脹率70%～77%，密度1194～2104g/cm3，液限含水量wL=52.2%～66.6%，塑性指數(shù)IP=24.5～38.9。固結(jié)壓力的影和Morgenstern的強(qiáng)度理論相符合圖5-4圖5-4將南陽(yáng)擊實(shí)土制成兩種不同孔隙比的試樣，飽和后的初始孔隙比e0分別為0.66和0.83。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5-5，初始孔隙比較大的土體進(jìn)氣值較小，當(dāng)吸力繼續(xù)增加時(shí)，兩條曲線出現(xiàn)圖5-5取南陽(yáng)和棗陽(yáng)兩種不同土性的原狀土作比較試驗(yàn),南陽(yáng)土IP26.5,棗陽(yáng)土IP47.3，它們的初始含水量和其它物理指標(biāo)都相似，所得結(jié)果見(jiàn)圖5-6。可以看出兩條曲線的進(jìn)氣值和儲(chǔ)水系數(shù)都有差別，反映出高塑性粘土脫水速度較慢、持水性好的特點(diǎn)。圖5-7是對(duì)一種風(fēng)狀較為完整的土水特征曲線?？梢钥吹?風(fēng)化砂的進(jìn)氣值要遠(yuǎn)比粘土的進(jìn)氣值小,圖5-6圖5-7圖5-6圖5-7(4)原狀樣和擊實(shí)樣的土水特征曲為了探討土體結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)比了同一種土原狀樣和擊實(shí)樣的土水特征曲線，如圖58圖5-8南陽(yáng)A圖5-8南陽(yáng)A、B土原狀樣、擊實(shí)樣的土水特征曲該土樣中粘粒含量49%，粉粒占44%，砂為7；其液限68%，塑限29%。土樣在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下風(fēng)干，研細(xì)后過(guò)2mm篩。按目標(biāo)含水量30%，土樣分薄層噴水后密封靜置24小5-9）表5-1圖5-9試樣圖5-9試樣ZY-OS制備完成后即置于固結(jié)儀中注水飽和，按常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)方法分6級(jí)加載，至最大包裹于半透膜內(nèi)置入PEG溶液中。測(cè)得的土樣含水量與吸力間關(guān)系示于圖5-10圖5-10應(yīng)力歷史對(duì)土-a.b.吸力－體積含水量曲線a.b.吸力－體積含水量曲線ZY-3.5。分別用半透膜包裹好，也置于吸力值為50、100、200、500、1000、2000kPa的PEG溶圖5-11-相同，-制備完成后也按常規(guī)固6800kP800kP應(yīng)力歷史的土樣孔隙比從0.930.580.76300kP。稱重并量測(cè)23～4。用滲析技術(shù)法測(cè)得其土水特征曲線。從圖5-11中Z-OD與ZY-CD結(jié)果的比較可以看出吸力及應(yīng)力歷史對(duì)棗陽(yáng)膨脹土的土水特接近經(jīng)歷過(guò)固結(jié)試驗(yàn)者;吸力減小到100、50kPa時(shí)，ZY-CD的含水量偏離曲線,明顯小于ZY-圖5-11吸力歷史對(duì)土-eS式中Gs為土的比重，e為孔隙比；體積含水量w定義為水的體積式中Gs為土的比重，e為孔隙比；體積含水量w定義為水的體積Vw與土的總體積V Vww 1達(dá)的土水特征曲線見(jiàn)圖5-12?？梢钥闯?，本試驗(yàn)中壓實(shí)土樣的初始吸力略小于100kPa。當(dāng)表5-2圖5-12脫水過(guò)程中，當(dāng)所加吸力對(duì)應(yīng)于大徑孔時(shí)，與其并聯(lián)的小徑孔不脫水，結(jié)果使含圖5-12脫水過(guò)程中，當(dāng)所加吸力對(duì)應(yīng)于大徑孔時(shí)，與其并聯(lián)的小徑孔不脫水，結(jié)果使含1969直接測(cè)量法：壓力板吸力儀，張力計(jì)砂土中吸力的形成主要由于毛細(xì)作用，土水特征曲線由土的孔隙尺寸及分布決定。細(xì)土水特征曲線的干燥曲線;壓力逐級(jí)減小時(shí)土樣吸水，同樣測(cè)量各級(jí)吸力下相應(yīng)的含水量，1.以對(duì)數(shù)函數(shù)的冪函數(shù)形式表達(dá)的數(shù)學(xué)模型ψmax]，ψmax為土體含水量θ=0時(shí)，所能達(dá)到的最大基質(zhì)吸力。由此可見(jiàn)，公式(1)適用于全但公式(1)2.冪函數(shù)形式的數(shù)學(xué)模型VanGenuchten通過(guò)對(duì)土水特征曲線的研究，得出非飽和土體含水量與基質(zhì)吸力之間的基質(zhì)吸力ψ的取值范圍為：ψ∈[0，ψr)。公式(2)適用于描述基質(zhì)吸力變化范圍為ψ∈[0，ψr)3.土水特征曲線的分形模型土水特征曲線的分形模型基于土體質(zhì)量分布具有分形特征,具有分形關(guān)系的認(rèn)識(shí)。依據(jù)分形孔隙數(shù)目與孔徑之間關(guān)系和Young-Laplace方程得到分形模式中，Dv為孔隙體積分布的分維值，Dv<3。公式(3)中，體積含水量θψr]的土水特征曲線。實(shí)際上，公式(3)4.對(duì)數(shù)函數(shù)形式的數(shù)學(xué)模型氣值和殘余含水量?jī)蓚€(gè)特征點(diǎn)之間近乎為一條直線。于是建議以對(duì)數(shù)方程來(lái)表征土水特征其中ψb(3)大為簡(jiǎn)化，其精度能滿足一般工程需求5.土水特征曲線的級(jí)數(shù)展開(kāi)式上述4考慮到基質(zhì)吸力ψ的取值范圍，在公式(1)、公式(2)中，ψ0處函數(shù)皆有定義，但公式(1)中的1/{ln[e+(ψ/a)b]}c項(xiàng)，公式(2)中的1/[1+(ψ/a)b](1-1b)項(xiàng)，在ψ=0處的n階導(dǎo)數(shù)不四類數(shù)學(xué)模型的函數(shù)皆有定義且存在n階導(dǎo)數(shù)，因此，可以將公式(1)、公式(2)、公式(3)式(4)在ψ=ψb處展開(kāi)為T(mén)aylor6.非飽和土土水特征曲線的通用表達(dá)式分析擬合（表1），相關(guān)系數(shù)為89～99。對(duì)該試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用文中提出的“通用表達(dá)式”進(jìn)行達(dá)到99%以上。其擬合的效果明顯優(yōu)于冪函數(shù)表達(dá)式擬合的效果。由表1、表2可以看出：的次數(shù)最高為三次,即可達(dá)到99%的擬合相關(guān)系數(shù)。表2中常數(shù)項(xiàng)數(shù)值接近1。符合土體在飽1.預(yù)測(cè)1.預(yù)測(cè)滲透系數(shù)10個(gè)數(shù)量級(jí)。滲透系數(shù)如此大的變化范圍已成為分析滲流問(wèn)題的主有10個(gè)數(shù)量級(jí)的變化范圍。個(gè)關(guān)系具有明顯的滯后效應(yīng)（圖12.預(yù)測(cè)抗剪強(qiáng)度第六非飽和土的第六非飽和土的滲透性還可能有空氣通過(guò)液相而移動(dòng)的情況，即空氣通過(guò)孔隙水的擴(kuò)散(圖6-1)。6-1圖6- 圖6- 左邊的基質(zhì)吸力可能小于右邊(第一種情況)、等于右邊(第二種情況)或大于右邊(流動(dòng)。甚至在第二種情況下，基質(zhì)吸力為0，空氣和水仍將流動(dòng)。1.廣義達(dá)西定律Richards于1931年擴(kuò)展了達(dá)西定律的應(yīng)用范圍，用以描述非飽和土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。位也是cm/s，公式為：qvk()na snk()na snk() k(s)ss或、sk()、k(s)分別為以、s為函數(shù)的非飽和土體的導(dǎo)水率n、a、bs為飽和體積含水量，故/s定含水量下，對(duì)于作用于非飽和土上的不同水力梯度(即此時(shí)僅變化重力頭)6-32.非飽和土中的水流方程的水量與流出微分體的水量差，即dt時(shí)段內(nèi)微分體的含水量變化，可得水流連續(xù)方程：vxvy vk()vk()vk()yxz；； k() k(yzxvk()vk()vk()yxz；； k() k(yzx1.氣相的Fick定律非飽和土中氣相有兩種形式，即連續(xù)氣相和封閉氣泡。一般當(dāng)飽和度大于90%時(shí)，氣相封閉，空氣流動(dòng)變成通過(guò)孔隙水?dāng)U散；飽和度低于85%FickJaayyC M P(1S)n(1VaaMawauaPaa這里，Ma為空氣體積；Va為空氣體積；S為飽和度；nua為空氣絕對(duì)壓力；waJ aaaaP(1 *JD*a a aaa 令aa2．氣相的滲透系數(shù)Da透氣性系數(shù)與飽和度的關(guān)系kakw成反比。Brooks和Corey(1964)kakw成反比。Brooks和Corey(1964)用相對(duì)透氣性系 （％）表達(dá)透氣性系數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系Se對(duì)壓實(shí)土的透氣性曾進(jìn)行過(guò)一些研究。透氣性系 系隨土的含水量或飽和度的增加而小。圖6-13kakw近最優(yōu)含水量的，透氣性系數(shù)急劇降低。在最優(yōu)含水量這一點(diǎn)上，氣相變成封閉的。同都比透水性大得多(6-13)。透氣性系數(shù)比透水性系數(shù)大的一個(gè)理由是水和空氣的粘度不()101.3kPa20攝氏度56倍。假設(shè)土的體積－質(zhì)量性質(zhì)與完全飽和及完56倍。gDaka1．水相滲透系數(shù)的量測(cè)（1）水滲透系數(shù)的直（1）水滲透系數(shù)的直接量測(cè)方法試驗(yàn)室試驗(yàn)方法(1ut，]972)所有方法都假設(shè)達(dá)西定律是適用酌，它表述為滲透系數(shù)是流速與水力梯度的比值，這兩者都是試驗(yàn)過(guò)程中通常()，或者是隨試驗(yàn)時(shí)間而穩(wěn)態(tài)方量測(cè)水滲透系數(shù)的穩(wěn)態(tài)方法是通過(guò)非飽和土試驗(yàn)，其水力梯度保持常數(shù)的情況下進(jìn)行kw可以計(jì)算穩(wěn)態(tài)方法的試驗(yàn)設(shè)備用于穩(wěn)態(tài)方法的設(shè)備示于圖6-13即位于試件頂部的Pl及底部的P2。兩支張力計(jì) 安裝于試件的不同MP1種Mariotte瓶提供常水頭hw1，如圖6-14所示。也可以采用一種簡(jiǎn)單溢流系統(tǒng)。單向水流通過(guò)P1、土試件及陶瓷板P2。用控制出逸點(diǎn)高程的方法使出逸水流在陶瓷板hw2。閥門(mén)S1S2之下保持一隙氣壓力(hm表示)的方法將基質(zhì)吸力(ua-uw)設(shè)置于某一特定值?？紫端畨?-13T1T2得到的壓頭分別為+hp3及-hp4這樣一個(gè)常水力梯度作用于土試件，并由水頭 來(lái)描述。當(dāng)流入和流出的速率等，且張力計(jì)讀數(shù)隨時(shí)間保持常數(shù)時(shí)就達(dá)到穩(wěn)態(tài)流動(dòng)條件。在t時(shí)間內(nèi)流過(guò)土斷面積A測(cè)得dt有影響(Klute，1972)dt有影響(Klute，1972)圖6- 6-14Mariotte用于測(cè)定水滲透系數(shù)的瞬時(shí)截面法等19741982可以得到在不同時(shí)刻的吸力和含水量截面（Daniel1982。在時(shí)刻ti式中為吸力，x等所建議的瞬時(shí)截面法6-17示出Hamilton等人(1981)6-1790kPa左右。熱電偶濕度計(jì)可用于量測(cè)約100～800kPa范圍內(nèi)的吸力。張力計(jì)或濕度計(jì)通過(guò)滲透儀上的預(yù)留孔插入，并延伸到土試件圖6- 6-1833種吸力截面。應(yīng)防止在土的任何部位有0.2～0.5cm3／d一般是合適的。每隔一定時(shí)間(24h)90kPa的含水量與吸力相互關(guān)系的結(jié)果也可以用于確定土水特征曲線。整個(gè)試驗(yàn)可能要進(jìn)行2～3（2）氣滲24h)90kPa的含水量與吸力相互關(guān)系的結(jié)果也可以用于確定土水特征曲線。整個(gè)試驗(yàn)可能要進(jìn)行2～3（2）氣滲透系數(shù)的直接量測(cè)方法因此不會(huì)影響其滲透系數(shù)值。YoshimiOsterberg（1963）提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)量設(shè)備，它氣壓，所加氣壓由U其值不能超過(guò)8kPa。Blight（1975）通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)氣壓低8kPa時(shí)，氣在土中的滲流量與空氣密度關(guān)系不大，可使用常數(shù)滲透系數(shù)的達(dá)西定律來(lái)描的閥門(mén)，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，氣體從底朝上穿過(guò)土樣，從而造成U形管氣壓隨時(shí)間的降低。我們可以在不同時(shí)間讀出U形管中不同的氣壓。YoshimiOsterberg（1963）推導(dǎo)證明時(shí)間t時(shí)的氣壓P(t)與初始?xì)鈮篜(0)的比值的對(duì)數(shù)ln[P(t)/P(0)]與時(shí)間呈線性關(guān)系。他們也給出了基于5-7 ka tSPa4（5-：V氣容器體積；hS試樣高度和截面積；a氣的動(dòng)粘滯系數(shù)；PaDelage等（2000）eae(1Sr（5-kaae(1Srn第七非飽和土的強(qiáng)度理論與土的抗剪強(qiáng)度有關(guān)。Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論可非常準(zhǔn)確的確定飽和土第七非飽和土的強(qiáng)度理論與土的抗剪強(qiáng)度有關(guān)。Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論可非常準(zhǔn)確的確定飽和土的抗剪強(qiáng)度，這早于粒間壓力，其力學(xué)性質(zhì)遠(yuǎn)比飽和土復(fù)雜,因此飽和土的有關(guān)強(qiáng)度理論不能簡(jiǎn)單的推廣到非土邊坡（如膨脹土）的失穩(wěn)，導(dǎo)致各種工程建筑物的嚴(yán)重破壞，所以研究非飽和土抗剪強(qiáng)1．最大主應(yīng)力差準(zhǔn)則，是以(13)max(1ua)(3ua)。2．最大主應(yīng)力比準(zhǔn)則，是以(3(uw利用摩爾庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則和有效應(yīng)力概念（Terzaghi,1936）c(uw)ftan(uw式中c為有效粘聚力，為有效內(nèi)摩擦角，f為破壞時(shí)的法向有效應(yīng)力。上切線，包線的坡角為有效內(nèi)摩擦角 ，它在縱坐標(biāo)上的截距叫做有效粘聚力c。Mohr圓與Mohr圓上的切點(diǎn)代表破壞τ法向有效應(yīng)力（）圖3.3與抗剪強(qiáng)度有關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大部分是通過(guò)直剪實(shí)驗(yàn)和三軸實(shí)驗(yàn)所得到的土在破壞狀態(tài)τ法向有效應(yīng)力（）圖3.3與抗剪強(qiáng)度有關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大部分是通過(guò)直剪實(shí)驗(yàn)和三軸實(shí)驗(yàn)所得到的土在破壞狀態(tài)GuadalixJossigny粉土卻呈現(xiàn)了相反uffour（1984，DrumrightNelson（1995）通過(guò)對(duì)兩種以色列粘土的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)吸力對(duì)摩擦角無(wú)影響。Bastos等（1998）通過(guò)對(duì)一種松散土（ei＝0.97）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摩擦角隨吸力增加而減小。Juca等（1998）發(fā)現(xiàn)對(duì)于膨脹粘土，摩擦角隨吸力的提高而增大?？侭ishop抗剪強(qiáng)度公式和Fredlund的雙變量抗剪強(qiáng)度公式兩類。1．Bishop述非飽和土抗剪強(qiáng)度的準(zhǔn)則。在Bishop（1959）提出的非飽和土有效應(yīng)力理論的基礎(chǔ)上，c[(ua)(uauw)]tan式中χ應(yīng)在破壞狀態(tài)下取值。此準(zhǔn)則的合理性討論可參考前面對(duì)有效應(yīng)力理論有效性的討χχ＝Sr。Bishop的非飽和土有效應(yīng)力公式及抗剪強(qiáng)度理論公式提出后，相繼有許多學(xué)者從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究不同類型土的有效應(yīng)力參數(shù)c的確定，研究表明參數(shù)χ與非飽和土的結(jié)等（1998）利用14種土的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了14種土的有效應(yīng)力參數(shù)χ和基質(zhì)吸力ua-uw種土的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，繪出了參數(shù)χ和基質(zhì)吸力比(ua-uw)/(ua－uw)b合曲線，得到了一個(gè)考慮土的進(jìn)氣值(ua種土的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，繪出了參數(shù)χ和基質(zhì)吸力比(ua-uw)/(ua－uw)b合曲線，得到了一個(gè)考慮土的進(jìn)氣值(ua－uw)b的參數(shù)χuu uauwbKhalili等用上式確定參數(shù)χ的值，用Bishop的非飽和土的抗剪強(qiáng)度公式計(jì)算了兩種非飽和土的抗剪強(qiáng)度值，理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)測(cè)得值的比較如圖7.2(a)和圖7.2(b)。從圖7.2中看出理飽和土的抗剪強(qiáng)度簡(jiǎn)單易行。Khalili等的這一研究表明，盡管非飽和土有效應(yīng)力參數(shù)c與很多因素有關(guān)不易精確測(cè)定，但可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到χ圖7．2非飽和土樣的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)2．Fredlund的雙變量抗剪強(qiáng)度公Fredlund等(1978)根據(jù)非飽和土的雙應(yīng)力變量理論，提出了非飽和土抗剪強(qiáng)度理論c(ua)c(ua)tan(uauw)tan式中 ，τ（uabtantgb上式顯示了兩種準(zhǔn)則的相似性。由此式可以看出 與χ有關(guān)。前面提到過(guò)χ不是常數(shù)bb自然也不可能為常數(shù)。因此一個(gè)合理的準(zhǔn)則必須滿足這種非線性。Fredlund等（1987）建部分取 ＝φ′，而在大于進(jìn)氣值的高吸力部分對(duì) 取常數(shù)bb有關(guān)外，還與吸力有關(guān)。吸力引起的這部分強(qiáng)度(uauwtan記為usbfcus(ua)tanMohr圓系列得到的，Mohr圓的公切線。如圖3.3所示，對(duì)于非飽和土的情況，與破壞條件一致Mohr圓繪在三維圖上3.4所示。此三維圖中的縱坐標(biāo)為剪應(yīng)力τ，而橫坐標(biāo)為兩個(gè)Mohr圓上的切點(diǎn)與極點(diǎn)的連線來(lái)確定，破壞時(shí)的Mohr圓上7.3c′。此破壞包絡(luò)面與－ua）和（ua－uw）軸之間的坡角分別為′和b，兩者都假定是常數(shù)。粘聚c′，以及坡角(u-)aO凈法向應(yīng)力(-Mohr-coulomb破壞包7.3(u-)aO凈法向應(yīng)力(-Mohr-coulomb破壞包7.3非飽和土引伸7.4c(uauw)cbcusMohr-Coulomb包絡(luò)面與剪應(yīng)力軸的截距，又可稱為總粘聚力。將c′3非飽和土的力學(xué)性狀受凈、法向應(yīng)力變化的影響不同于受基質(zhì)吸力變化的影響（Jennings和Burland，1962）。摩擦角 說(shuō)明抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力的增加而增加的情況剪應(yīng)力Vanpalli(1994)、karube(1988)、Drumright(1989種土是一常量。而角 說(shuō)明抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力的增加而增加的情況。在Fredlund的bb剪強(qiáng)度理論公式提出初期時(shí)曾假設(shè)非飽和土抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力成線性正比關(guān)系，對(duì)破壞包絡(luò)一土樣吸力內(nèi)摩擦系數(shù)Vanpalli(1994)、karube(1988)、Drumright(1989種土是一常量。而角 說(shuō)明抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力的增加而增加的情況。在Fredlund的bb剪強(qiáng)度理論公式提出初期時(shí)曾假設(shè)非飽和土抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力成線性正比關(guān)系，對(duì)破壞包絡(luò)一土樣吸力內(nèi)摩擦系數(shù)tanb也不是常數(shù)，而是隨基質(zhì)吸力的變化而變化[7]角隨基質(zhì)年)收集了所測(cè)得的各種土的典型 值，試驗(yàn)結(jié)果表明 往往小于或等于內(nèi)摩擦角 。Gan、b等b證明在土中吸力低于某特定值時(shí)（如土的進(jìn)氣值，當(dāng)基質(zhì)吸力超過(guò)某一吸力范bb圍時(shí)（進(jìn)氣值是非線性的，并隨著吸力增加而減少。對(duì)于大多數(shù)土來(lái)說(shuō)，變量，表現(xiàn)出非線性抗剪強(qiáng)度特征。從下圖的的試驗(yàn)資料可以明顯看到抗剪強(qiáng)度與吸力的uw與（7.4的非線性關(guān)系（Gan1986很多學(xué)者也紛紛提出了反映吸附強(qiáng)度非線性的表達(dá)式。Escario和Saez,OlooFredlundVanapallietal.，RassamWilliams吸力的非線性變化。和把這種強(qiáng)度和吸力之間的非線性變化關(guān)系解釋為隨著(uFredlundVanapallietal.，RassamWilliams吸力的非線性變化。和把這種強(qiáng)度和吸力之間的非線性變化關(guān)系解釋為隨著(uu)rtan 式中r為殘余飽和度，上式反映了殘余飽和度的影響，殘余體積含水量或者是殘余飽和度0[6]sstan)d(uau(1sw0rBrook&CoreMcKee&Bumb7.5Fredlund等Sb a b、 Sb a b、 aa1ssppa為試驗(yàn)參數(shù)，at , s在這個(gè)模型中，吸附強(qiáng)度與吸力的非線性關(guān)系被表達(dá)為在（）上的直線。此外他還曾為非飽和膨脹土建立一個(gè)飽和度與吸力強(qiáng)度usa11Sr4.c(ua)tanmpsc(ua)tanb(uauw)c是飽和黃土的內(nèi)摩擦角，b和d是兩個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)隨土陜西彬縣非飽和黃土的抗剪強(qiáng)度曲面如圖5，從圖中可以清楚的看到在不同法向壓力ó7.65.Si'Sc7.65.Si'ScSa 7.7結(jié)構(gòu)及環(huán)境化學(xué)等的變化而變化的,可將對(duì)土顆粒間有效應(yīng)力有貢獻(xiàn)的此三種吸力的總和稱Mohr-Coulomb強(qiáng)fsi'tan(ua)tan[sd'(sm'sa'sc')]tanBishop和tanbS'/(uu)tantan 基于總吸力的廣義抗剪強(qiáng)度理論對(duì)Donald在非飽和土試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的砂性土抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)第八非飽第八非飽和土的變形理論些變形模型和固結(jié)理論。非飽和土本構(gòu)模型研究已有30年以上的歷史。Coleman、Blight、力原理在這里適用。根據(jù)Gouy-Chapman雙層理論和Graham等人的試驗(yàn)結(jié)果，膨脹土微觀結(jié)構(gòu)的體應(yīng)變(以下簡(jiǎn)稱微觀體變vm是有效應(yīng)力(S-p)的函數(shù)，即vm=（S-p，其它因素式中S是總吸力，為基質(zhì)吸力(matricsuction)和滲透吸力(osmoticsuction)之和。對(duì)于給定的土．在特定的穩(wěn)定狀態(tài)下，微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)原有顆粒間的斥力與吸力是平衡的。此時(shí)S+p將發(fā)生變化以調(diào)整其排斥力，使斥力與S相等，此時(shí)宏觀上表現(xiàn)為體積膨脹或收縮。脹土微觀變形一般是可逆的，表現(xiàn)為濕則脹，干則縮，而且與宏觀開(kāi)放結(jié)構(gòu)的變形以下簡(jiǎn)稱宏觀變形)基本無(wú)關(guān)。但是，微觀變形會(huì)反過(guò)來(lái)影響宏觀變形，會(huì)改變宏觀孔隙尺寸，可原狀黃土具有非常開(kāi)放的宏觀結(jié)構(gòu)，即粒狀架空結(jié)構(gòu)，不具有超緊密的微觀結(jié)構(gòu)，也不具有高活性礦物成份，通常只產(chǎn)生濕陷性變形。濕陷性變形的太小主要取決于：①結(jié)構(gòu)的開(kāi)經(jīng)濕化飽和，其應(yīng)力應(yīng)變曲線最終逼近初始飽和試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖l所示。圖l是Maswoswe于1985年用靜力壓實(shí)砂性粘土進(jìn)行單軸側(cè)限濕化變形試驗(yàn)時(shí)得出的壓縮曲線。圖中4C表示飽和試樣的壓縮曲線；4B表示常應(yīng)力作用下浸水濕化飽和后再壓縮的曲線；4A則表示在常孔隙比條件下浸水濕化飽和后再壓縮的曲線。ErolElRuwaih1982年Lawton1989l所示類似的Fredlund（1976，1979）假定土是各向同性的線彈性體，用應(yīng)力狀態(tài)變量(經(jīng)濕化飽和，其應(yīng)力應(yīng)變曲線最終逼近初始飽和試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖l所示。圖l是Maswoswe于1985年用靜力壓實(shí)砂性粘土進(jìn)行單軸側(cè)限濕化變形試驗(yàn)時(shí)得出的壓縮曲線。圖中4C表示飽和試樣的壓縮曲線；4B表示常應(yīng)力作用下浸水濕化飽和后再壓縮的曲線；4A則表示在常孔隙比條件下浸水濕化飽和后再壓縮的曲線。ErolElRuwaih1982年Lawton1989l所示類似的Fredlund（1976，1979）假定土是各向同性的線彈性體，用應(yīng)力狀態(tài)變量(ua)和xusxyzaEyEHyxzaEEHzusz ExEHGGGH是與基質(zhì)吸力變化有關(guān)的土結(jié)構(gòu)彈性模量，E和μdmd u)mss md u)ww dadvsddd 分別是孔隙水和孔隙氣體變，1和1分別是與基式中[C]是彈性參數(shù)矩陣，其中包含兩個(gè)參數(shù)；cd為剪(脹)系數(shù)；cb為濕陷(脹)式中[C]是彈性參數(shù)矩陣，其中包含兩個(gè)參數(shù)；cd為剪(脹)系數(shù)；cb為濕陷(脹)的剪切變化，并用P1andtl。Reuess流動(dòng)法則算出各分量，因此這一模型并非單純的非線性3，1-3,S式中[D]i0和但是．式(3)SeSe0Sb0分別表示原狀土的沂減吸力和結(jié)構(gòu)吸力，qm和s分別為法向應(yīng)力和切應(yīng)力；S’式中[C]EP為彈塑性柔度矩陣，可以利用飽和土的彈塑性模型確定；ees分別為實(shí)際孔隙13個(gè)材料參數(shù)，每個(gè)參數(shù)都具有確定的幾何意義或物理意義，且確定全部參數(shù)只需做兩種三軸試驗(yàn)(即控制凈平均應(yīng)力的三KwtHwtKwtHwta、b（一）KarubeKarube用三軸壓縮儀研究了非飽和高嶺土的性狀，運(yùn)用臨界狀態(tài)土力學(xué)(CSSM)概念建對(duì)值是f(s)，破壞線的方程變(-v/)f為剪脹指數(shù)；=2(1-3)/3；S＝ua-uw，qf=(1-3)f；p=(1+2+3)/3-ua；M’式中(-v/)f為剪脹指數(shù)；=2(1-3)/3；S＝ua-uw，qf=(1-3)f；p=(1+2+3)/3-ua；M’式中式中cVc為軸向壓縮開(kāi)始時(shí)的應(yīng)變，=q/pTollv是比體積(v＝1+e)；e是孔隙比；Ma、Mw、aw、a、wKarube（二）Alonso模型一）二維應(yīng)力空間（p,S）內(nèi)的模型公式（1）ppp1sv圖飽和與非飽和土的壓輔曲屈服常應(yīng)力v圖3屈服吸力的定31 1非飽和土體積變形的許多特性都可以在二維應(yīng)力空間（p,S）內(nèi)進(jìn)行研究，這里ppmuaua非飽和土一經(jīng)飽和后的再壓縮曲線與初始飽和壓縮曲線重合（1非飽和土體積變形的許多特性都可以在二維應(yīng)力空間（p,S）內(nèi)進(jìn)行研究，這里ppmuaua非飽和土一經(jīng)飽和后的再壓縮曲線與初始飽和壓縮曲線重合（1為（見(jiàn)圖2）：VN(S)(S)ln(pcdVp式中(S是對(duì)應(yīng)于應(yīng)力p的壓縮指數(shù)，隨吸力S增加而減小；pcc).對(duì)于低活性土，干濕循環(huán)能產(chǎn)生不可逆的體積變形，Yong，JappHowJosa等人的試驗(yàn)結(jié)果表明，初始吸力為的土體一經(jīng)干燥能產(chǎn)生較大的不可逆體積變形，如圖3LloretAlonsodVs(S ；dVs(Spat式中sS的壓縮指數(shù)，與平均應(yīng)力有關(guān)，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)可假定其為常數(shù)；s為相應(yīng)于吸力S的回彈指數(shù)；pat為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值。—collapse)，其表達(dá)式為(Spp00pc cp 式中0為飽和條件下的先期固結(jié)應(yīng)力 Sr(r(S是一個(gè)常數(shù)；是一個(gè)控制c隨吸力S增長(zhǎng)的速率的參數(shù)。)s彈性區(qū)pp0圖 LC和SI屈服曲s式(8)SI屈服曲線(aftersuctionincrease)4路徑(4(b))都將引起土體產(chǎn)生不可逆的體積收縮，LC屈服線的最終位置是相同的，兩種路徑具有同等效果。SI屈服線的屈服(S>S0)會(huì)引起體積收縮，同樣會(huì)引起土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致路徑(4(b))都將引起土體產(chǎn)生不可逆的體積收縮，LC屈服線的最終位置是相同的，兩種路徑具有同等效果。SI屈服線的屈服(S>S0)會(huì)引起體積收縮，同樣會(huì)引起土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致LC屈服線的右移，如圖4(C)所示。前面第二部分提到當(dāng)土體內(nèi)部宏觀結(jié)構(gòu)比較開(kāi)放時(shí)，C路徑(浸水濕化)引起的濕陷變形隨外加應(yīng)力p的增大而增大，并在某一應(yīng)力作用下出現(xiàn)峰值，之后又隨應(yīng)力p的繼續(xù)增大而減小，公式(6)無(wú)法描述這一變形特性，因?yàn)樗荒茴A(yù)報(bào)連續(xù)增長(zhǎng)的濕陷變形。為了再現(xiàn)內(nèi)式中0和 含義同前；是一個(gè)控制屈服曲線形狀的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；m是一個(gè)大于或等于1的ppvpmax0max的函數(shù) vpmax為最大濕陷體積應(yīng)變，0maxp vpmax相對(duì)應(yīng)的外加應(yīng)力)vpmax0試驗(yàn)中得到。從式(9)和式(10)可以看出：①對(duì)應(yīng)于不同的0存在一個(gè)不同的mp吸力相同的情況下，m0m00，0時(shí)出現(xiàn)一個(gè)峰值(濕陷變形最太開(kāi)始漸漸隨之后又隨0l濕陷變形為零)。為了和式(6)有所區(qū)別，定義式(6)和式(9)分別為模型I和模型Ⅱ。(2)硬化定LCSI屈服線，0S0LCSIp (3)NLvp+Sp+S=constant5NL線p+Sp+S=constant5NL線(neutralloadingline)p+S減小時(shí)，NL線向下移動(dòng)，土體發(fā)生膨脹變形，同時(shí)引起LCp+S增大初始值時(shí)，NL線向上移，土體產(chǎn)生部分收縮變形。在一個(gè)干濕循環(huán)中，只有部分變形，即微觀變形是可恢復(fù)的。由上可見(jiàn)，NL線實(shí)際上相當(dāng)于應(yīng)力屈服線。實(shí)際的應(yīng)力屈服線也許不是直線，但為簡(jiǎn)單起見(jiàn)不妨先作此假定，待以后有了新發(fā)現(xiàn)后再修正。NL式中Sh為常數(shù)。盡管式(13)還不成熟，但它已經(jīng)可以定性地描述膨脹土的許多變形特性，如5NL屈服線與膨脹變形的關(guān)二）三維應(yīng)力空間（q,p,S）眾所周知，修正的劍橋模型可以較好地描述飽和粘土的變形特性。下面以此模型為基礎(chǔ)，來(lái)建立非飽和土的本構(gòu)模型。對(duì)于非飽和土，其模型必須考慮：①吸力對(duì)先期固結(jié)應(yīng)(q，p)平面內(nèi)的給出(q，p，S)67所示，其表達(dá)式在(q，p，S)67隨吸力(ua-相應(yīng)于f1和對(duì)f1和應(yīng)變sV=1+e，e為孔隙比；Ge相應(yīng)于f1和對(duì)f1和應(yīng)變sV=1+e，e為孔隙比；Geq非飽和臨界狀態(tài)線M飽和臨界狀態(tài)線Msp pps0s1彈性區(qū)pp0圖6(q，p)和(p，S)qppspp圖7（q,p,S）三）s1彈性區(qū)pp0圖6(q，p)和(p，S)qppspp圖7（q,p,S）三）10II則p11個(gè)參數(shù)，即將I中的，換成0max、 vpmax和。這些參數(shù)可以通過(guò)飽和試驗(yàn)的等向壓是 用靜力擊實(shí)低塑性砂性粘土所做的控制吸力的三 壓縮和濕化試驗(yàn)結(jié)果。圖8圖8三軸K0Brackley指出非飽和粘性土的粘粒不是均勻分布的，粘粒組成一個(gè)個(gè)“封閉”的團(tuán)塊，②屈服狀態(tài)時(shí)，應(yīng)力P隨S呈曲線相關(guān)，試驗(yàn)結(jié)果與理論曲線一致；③屈服面在(q，p)平面上②內(nèi)部存在雙層結(jié)構(gòu)的活性膨脹土，在物理的(力和水)和化學(xué)的(鹽質(zhì)等)影響因素作SI屈服面可以用于模擬土體因干化(吸力增大)出現(xiàn)吸力屈服而產(chǎn)生的不可逆收縮變形，而NL屈服面則初步再現(xiàn)了膨脹性土微觀變形特性；(q，p，S)空間內(nèi)的橢圓屈服面合理再現(xiàn)了剪應(yīng)力、平均正應(yīng)力和吸力對(duì)土體在荷載的作用下，土體中產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，導(dǎo)致土中孔隙水逐漸排出，隨著時(shí)問(wèn)散，孔隙壓力的消散過(guò)程稱為固結(jié)?。在固結(jié)過(guò)程中，隨著孔隙水的排出，土體產(chǎn)生壓縮，使土體的強(qiáng)度提高。通常認(rèn)為，太沙基(Terzaghi)提出的一維固結(jié)理論和有效應(yīng)力原理標(biāo)志在荷載的作用下，土體中產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，導(dǎo)致土中孔隙水逐漸排出，隨著時(shí)問(wèn)散，孔隙壓力的消散過(guò)程稱為固結(jié)?。在固結(jié)過(guò)程中，隨著孔隙水的排出，土體產(chǎn)生壓縮，使土體的強(qiáng)度提高。通常認(rèn)為，太沙基(Terzaghi)提出的一維固結(jié)理論和有效應(yīng)力原理標(biāo)志著土力學(xué)學(xué)科的誕生。他在一系列假定的基礎(chǔ)上，建立了著名的一維固結(jié)理論。Rendulic把Terzaghi的一維固結(jié)理論推廣到二維或三維的情況，但存在一定的缺陷。Biot考慮了土體固Biot固結(jié)理論。Blot固結(jié)非飽和土在土骨架形成的孔隙中同時(shí)含有氣體和水，氣體在壓縮時(shí)會(huì)有部分溶解于水飽和粘土固結(jié)理論是以土體變形是連續(xù)的作為基本假設(shè)。對(duì)于非飽和土而言，土非飽和土的滲透性包括透氣性和透水性，滲透性與非飽和土的基質(zhì)吸力和含水量非飽和土的有效應(yīng)力參量和有效應(yīng)力原理的適用性較窄，有效應(yīng)力公式中含有與非飽和土本構(gòu)模型還沒(méi)有公認(rèn)的理論，因此建立成熟的非飽和土固結(jié)理論還需（一）非飽和土的固結(jié)是工程中常見(jiàn)的問(wèn)題，其理論研究?jī)?nèi)容包括孔隙水壓力和孔隙氣壓力隨土體變形而變化以及隨時(shí)間增長(zhǎng)而消散的規(guī)律。由于在建立同時(shí)適用于不同土類固結(jié)的普遍方程上的復(fù)雜性，很多研究者只是針對(duì)某種特定的土類來(lái)尋求非飽和土固結(jié)問(wèn)題的解答。由于影響因素的復(fù)雜性，研究中總是做出某些簡(jiǎn)化的假定，并分為一維、二維和三維問(wèn)題。()存在于土中，Sott、rht、費(fèi)洛林、黃文熙和蔣彭年等的固結(jié)理論，至今仍有人沿用這種方法研究非飽和土的固結(jié)問(wèn)題。1941Boit力BoitTerzaghi理論采用的類似，對(duì)于一維固結(jié)，Boit理論得到的方程也與Terzaghi得到的方程式相似，只是其固結(jié)系數(shù)經(jīng)過(guò)修正，考慮了孔隙流體的壓縮性。Larmour、HillOlson證明，使用修正的固結(jié)系數(shù)Cv，Terzaghi方程便可用來(lái)描述含有氣泡的非飽和土的固結(jié)性狀。Scott將孔隙比的變化及飽和度的變化引入含有氣泡的非飽和土ka=fa(n,,s)，代表土的結(jié)構(gòu)性；n為亨利系數(shù)，單位壓力下溶解于單位體積水中的氣由上述控制方程可以解出未知量ua，uw，s和n。Barden針對(duì)壓實(shí)非飽和粘土的不同類Fredlund等人提出的固結(jié)方程，其中最為流行的為Fredlund固結(jié)理論。FredlundHasan將壓縮，氣水分界面又沒(méi)有體積變化，則非飽和土微體的總體積變化n必等于液相和氣相體2應(yīng)力狀態(tài)變量和應(yīng)變狀態(tài)變量相關(guān)的本構(gòu)關(guān)系。他采用了(-ua)和(uauw)為應(yīng)力狀態(tài)變量，外加應(yīng)力(-ua)和吸力(ua-uw)Lloret和Alonso(1980年)以狀態(tài)面代替本構(gòu)方程，并結(jié)合連續(xù)方程及滲水滲氣的遞與壓力梯度聯(lián)系起來(lái)的Fick擴(kuò)散定律。Barden(1965年，1974年)Darcy定律描述DarcyFick定律分別應(yīng)用于液相數(shù)。也就是說(shuō)，2個(gè)偏微分方程中包含了考慮滲透系數(shù)變化項(xiàng)，2個(gè)方程聯(lián)立求解，該方法和與飽和兩種情況之間可以平順過(guò)渡。LioretAlonso(1981年)也提出過(guò)類似的固結(jié)方程。Chang和Duncan(1983年)研究了非飽和土的彈塑性固結(jié)問(wèn)題，但實(shí)際上他們研究的是Dakshanamurthy(1984年)等人將非飽和土的固結(jié)理論延伸到三維的情況。在三維公式Rahardjo(1990年)在特別設(shè)計(jì)的圓筒儀中對(duì)非飽和粉砂進(jìn)行一維固結(jié)試驗(yàn)。儀器滿足加荷條件，并可在整個(gè)試樣上同時(shí)測(cè)定孔隙氣壓力和孔隙水壓力。試驗(yàn)過(guò)程中還獨(dú)立地量測(cè)了總體積和液相體積的變化，結(jié)果表明試驗(yàn)用土的超孔隙氣壓力基本上是瞬時(shí)消散的。另一力學(xué)》一書(shū)中又推導(dǎo)出了非飽和土三維固結(jié)的控制方程組，包含5個(gè)獨(dú)立變量。Kitamura(1996年)WongTai(1998年)進(jìn)行了非飽和土耦合固結(jié)的數(shù)值研究，介紹了耦合公式在非飽和土Mandel—Cryer問(wèn)題對(duì)開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行驗(yàn)證，以用于多維Mandel—Cryer效應(yīng)，Loret，Benjamin[21(2000年)把混合物理論應(yīng)用于三相介質(zhì)，提出了確定非飽和土本構(gòu)Saix(2000年)介紹了非飽和粘質(zhì)粉砂固結(jié)中的熱力學(xué)耦合作用。通過(guò)對(duì)與固結(jié)力學(xué)特性(與熱有關(guān))有關(guān)的溫度影響來(lái)分析這種耦合作用(與總豎向應(yīng)力有關(guān))，并通過(guò)熱固結(jié)和力Loret，Benjamin2002年)提出了一種用于非飽和多孔介質(zhì)的有效應(yīng)力彈塑性模型，模AusilioE．(2002年)在外荷載或基質(zhì)吸力增加的情況下，對(duì)非飽和土一維固結(jié)進(jìn)行了AusilioConte提出的簡(jiǎn)單方程，把非飽和土沉降速率與平均固結(jié)度聯(lián)系起來(lái)?？紤]了由Rahardjo和Fredlund進(jìn)行的粉砂試驗(yàn)結(jié)果，著重論述了應(yīng)用太沙基經(jīng)典（二）國(guó)內(nèi)在非飽和土固結(jié)理論問(wèn)題的研究中，近年來(lái)取得了較大的進(jìn)展。非飽和土的固結(jié)2090(19891991年)(1992年)(1998)曾先后研究過(guò)非飽和土的固結(jié)理論，李錫夔、陳正漢、楊代泉、孫長(zhǎng)龍和殷宗澤各自獨(dú)立的提出了自己的結(jié)論。其中陳正漢和楊代泉的研究結(jié)論都適用于水、氣各自連通的非飽和564個(gè)。路志平(1987年)用三軸儀研究了氣封閉狀態(tài)非飽和土的孔壓(孔隙氣壓=孔隙水壓)、體變、強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)的非飽和土的廣義固結(jié)理論；殷宗澤對(duì)非飽和土三維固結(jié)理論進(jìn)行了簡(jiǎn)化，提出了非飽和土的二維固結(jié)理論。另外，包承綱(1998年)研究了非飽和土固結(jié)過(guò)程中孔壓消散系數(shù)和1989年用全量形式給出，不久改用增量形式，其數(shù)學(xué)模型(即增量控制方程組)年《應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)》中、英文版同時(shí)發(fā)表了該理論的比較完整的成果(詳細(xì)的建模過(guò)程、一維問(wèn)題解析解和二維問(wèn)題的有限元分析)19921995在陳正漢的增量型固結(jié)理論中，使用了多孔介質(zhì)的有效應(yīng)力公式，該公式僅對(duì)線性變形成立，且不適用于描述具有濕陷性土類的濕陷變形。若把非飽和土的非線性本構(gòu)關(guān)系和Alonso彈塑性模型引入陳正漢的固結(jié)理論，就可得到非飽和的非線性固結(jié)模型和彈楊代泉用在陳正漢的增量型固結(jié)理論中，使用了多孔介質(zhì)的有效應(yīng)力公式，該公式僅對(duì)線性變形成立，且不適用于描述具有濕陷性土類的濕陷變形。若把非飽和土的非線性本構(gòu)關(guān)系和Alonso彈塑性模型引入陳正漢的固結(jié)理論，就可得到非飽和的非線性固結(jié)模型和彈楊代泉用水氣連續(xù)方程、水氣滲流的Darcy定律、土骨架的平衡方程、熱量守恒方程l9個(gè)未知量：ij，ijwi土的位移l9，T溫度S()。對(duì)一維固結(jié)條件，由于在孔隙氣體未進(jìn)入完全封閉狀態(tài)之前，非飽和土的固Frdlund，△s，△n陳正漢以混合物理論的場(chǎng)方程為基本框架，以在本構(gòu)原理指導(dǎo)下建立的本構(gòu)方程為補(bǔ)充方程，在不計(jì)熱效應(yīng)、氣溶解和水蒸發(fā)的條件下，建立了非飽和土固結(jié)的物理數(shù)學(xué)模型，252555個(gè)未知量：ua，uw和xsi15個(gè)基本未知量，體現(xiàn)了應(yīng)力、變形、滲水、滲氣的Laplace變換，求得了一維固結(jié)的理論解，直接從控制方程同時(shí)2001年陳正漢等把非飽和土的增量非線性本構(gòu)模型及改進(jìn)的Alonso等人提出的飽和2003（三）Fredlund的非飽和土固結(jié)理90年代研究的熱點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)指出，F(xiàn)redlund教授在1979年提出了非飽和土的一維固結(jié)理論，1993年在他的《非飽和土力學(xué)》一書(shū)中推導(dǎo)出了非飽和土三d(u)msd(uuv V0u)mwd(ud(u)msd(uuv V0u)mwd(uumdw V0dVamad(u)mad(uu V0msms 11）2）土的體積變化系數(shù)（1k、 1k和2）在固結(jié)過(guò)程中保持常數(shù)。然而，在、不考慮空氣通過(guò)水的擴(kuò)散、空氣在水中的溶