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1、 非饱和土力学非饱和土力学 同济大学地下建筑与工程系 2006 年 10 月 1 第一章第一章 绪绪 论论 非饱和土分布十分广泛 与工程实践紧密联系的地表土几乎都是非饱和土 干旱与半干 旱地区 由于蒸发量大于降水量 地下水位较深 这些地区的表层土是严格意义上的非饱和 土 土坝 铁路和公路路基填土 机场跑道的压实填土都是处于非饱和状态 亦即非饱和土 即使是港口平台 管道等离岸工程中所遇到的土 往往是含生物气的海相沉积土 其孔隙中 含有以大气泡 气泡直径远大于土粒直径 形式存在于孔隙中的生物气 另外 在地下水面 附近的高饱和土体 其孔隙水中溶解了部分以小气泡 气泡直径与土粒粒径相当 形式存在 于孔
2、隙中的气体 土体卸载以后 取样或开挖等 溶解于孔隙水中的气体逸出 以气泡形 式存在于孔隙水中 这两种含气泡的土也应属于非饱和土 可见 非饱和土才是工程实践中 经常遇到的土 饱和土是非饱和土的特例 真正意义上的饱和土在工程实践中很少见到 土力学发展至今 已形成了一套完善 独立的理论体系 然而 迄今为止的土力学主要 是把其研究对象 土 视为两相体 即认为土是由土粒和孔隙水组成 严格的讲 迄今为 止的土力学只能称之为饱和土力学 然而 实际工程中遇到的土多是以三相状态 土粒 孔 隙水 孔隙气 存在 经典的饱和土力学原理与概念并不完全符台其实际性状 有人甚至认 为在土中水一气的结合面上还存在第 4 相一
3、水气结合膜 土中气相的存在 使得土体性质复 杂 性状多变 将土作为饱和土对大多数工程来讲是一种合理的简化 但是 随着研究的逐 渐深入 人们已经注意到 对于某些特殊区域或特殊性质的土 这种简化将造成研究理论的 失误 如在膨胀土地基基础的设计中 如果单纯按照膨胀土的现有强度进行设计 则有可能 将强度参数估计过高 不安全 如果按其最低强度进行设计 又将造成浪费 因此 合理地 提出膨胀土在不同状态下的强度参数是工程的客观需要 此外 膨胀土等非饱和土的变形性 能也随饱和度而变化 这些问题都是饱和土力学难以解决的 由此观之 按多相 非饱和 状 态下研究土体的工程力学性质是土力学发展的趋势 一 非饱和土的四
4、相性 一般说来 根据饱和度和饱和介质 土可分为四类 两相饱和土 包括土颗粒和充满所有孔隙的水 三相饱和土 包括土颗粒 水和以封闭气泡形式存在的空气 三相非饱和土 包括土颗粒 水和连通的空气 四相非饱和土 包括土颗粒 水 空气和结合水膜 非饱和土力学研究的主要对象为非饱和土 就是由土粒 固相 孔隙水 液相 孔隙 气 气相 和液 气交界面构成的四相体系 Fredlund 1993 我们常说的非饱和土就是四相 非饱和土 其中的结合水膜将是影响这类土体性态的关键因素 非饱和土的气 液相交界面 的性质既不同于水 也不同于气体 是一个独立的相 该相在表面化学里被称为收缩膜 是 非饱和土中的第四相 非饱和土
5、的孔隙水和孔隙气的形态与非饱和土的含水量 饱和度 密 切相关 因此可以根据非饱和土的孔隙气和孔隙水的形态将非饱和土分为不同的类型 俞基 培和陈愈炯用高柱法试验 渗透试验和击实试验研究了非饱和击实粘土的孔隙气和孔隙水的 形态 将非饱和土分为三类 水封闭型 双开敞型和气闭型 Barden 1965 将非饱和土分 为五种类型 各类土之间的饱和界限分别为 S 50 50 S 90 S 90 w wopt wopt为最优含水量 90 95 包承纲 1979 1998 将非饱和土分为 2 四种类型 气相完全连通 气相部分连通 气相内部连通和气相完全封闭 并研究了不同类 型非饱和土的固结性态 他曾经在 19
6、78 年采用土壤的毛细压力试验 吸力与含水量关系试验 和气渗性试验研究了土壤在不同状态下的毛细水压力情况 他认为 非饱和土在负孔隙水压 力作甩下的气相状态可以分为上述 4 种形态 当孔隙中的气相以完全连通方式存在时 气渗 性与含水量无关 土体有效应力表达式为 ua 随着含水量的增大 孔隙中的气体体积 逐渐减少 并形成半封闭或封闭的气泡 孔隙气体以部分连通或内部连通状态存在 此时 土壤的负孔隙承压力 土中吸力 逐渐喊小 土体有效应力表达式中应当分别考虑孔隙气压力 和孔隙承压力的影响 当土壤中的含水量很高以后 气相完全为液体所包围 体积微小 并 只能随液体一起流动 可视为一种挟气水的二相体系 此时
7、 土体基本达到饱和状态 土壤 的气渗性极小 负孔隙承压力基本为零 土体有效应力表达式与饱和土相同 由此 他认为 非饱和土的关键问题就在于土中气体对土体性质的影响 而且这种影响是通过负孔隙承压力 产生的 也即非饱和土力学中所谓的土中吸力 suction 图 1 1 非饱和土中固 液 气三相介质示意图 二 岩土工程中的非饱和土问题 自然界中的地基土体是由土颗粒和颗粒间的孔隙组成的 在干旱和半干旱地区 许多 易于引发工程事故的问题土 如湿陷性黄土和膨胀土等均为典型的非饱和土 工程中所遇到 的土体大多数以非饱和土形态存在 即土颗粒孔隙中既含有液体 又含有气体 除土颗粒本 身的性质外 孔隙中水 气的含量
8、不同 也将导致土体的性质各异 对于上述工程问题 均 可采用非饱和土理论和试验进行研究 研究表明 经典土力学理论的不完善是没有反映土中 吸力的存在 由于土中吸力的影响 使得下述岩土工程问题更加复杂 1 路堤及土坝等工程填筑中的孔隙压力 堤坝等工程在建造过程中孔隙压力的消散过 程不能用经典土力学理论来说明 堤坝的变形由于孔隙气体的存在而发生变化 若仍由饱和 土力学理论来指导施工 势必影响填筑质量或施工进度 堤坝运行后 水位变动会使孔隙承 气的比例发生变化 从而使土体的固结 强度和渗流等情况都与饱和土力学理论所阐明的不 同 2 边坡稳定 天然边坡的稳定状态随时问 气候条件等因素发生变化 对常规的边坡
9、 稳定分析方法提出疑问 对长时问降雨后出现的滑坡的机理分析以及预测预报等均应当考虑 土体含水量变化的影响 3 3 深基坑等竖直挖方中的支护措施设计 深基坑支护设计及稳定分析应当考虑地下水 位的变动影响 由于开挖使得地下水位降低 基坑土体在一定范围内成为非饱和土 短期内 使土的抗剪强度增加 但随着时间的增长 土中吸力又会使非饱和区域孔隙水压力上升 强 度衰减 最终导致基坑失稳 此外 孔隙水压力的变化也会引起基坑周围建筑物的不均匀沉 陷 分析这种沉陷过程也需要用到非饱和土的固结理论 4 挡土墙和桩顶地粱上的侧向土压力计算 常规主动 被动土压力计算公式中 土的 抗剪强度是按饱和土考虑的 这与实际工程
10、中墙后土体通常处于非饱和状态是不相符的 此 外 还应当考虑墙后土体浸湿作用所产生的附加侧向土压力 5 膨胀土及黄土的变形分析及强度参数 膨胀土与黄土均是易受水份影响的土类 膨胀土的胀缩变形 内因是土体的矿物成分和天然结构 外因别是降雨 气候或地下水的共 同作用 膨胀土的胀缩性 裂隙性和超固结特性 实质上均与土体内部孔隙变化及水 气比 有关 膨胀土水份变化由孔隙气 水相互作用所控制 研究膨胀土 黄土等非饱和土的变形 及强度问题 必须探讨孔隙气 水的影响 如果简单地将其视为饱和土 必然导致理论分析 上的重大失误 这方面较典型的问题之一是 膨胀土的抗剪强度是变动的 干 湿强度相差 极大 设计值怎样取
11、定 有待研究 三 非饱和土力学发展状况 传统土力学理论是解决饱和土问题的 试验方法针对饱和土 所得出的规律也主要适用 于饱和土 工程中遇到的大量非饱和土问题是近似地用饱和土的方法处理的 但有些土在饱 和前后力学性质有很大变化 如膨胀土浸水后体积膨胀 黄土浸水后体积收缩 它们的强度 在浸水后都降低 用饱和土的方法难以反映由非饱和到饱和所引起的力学性质的变化 于是 非饱和理论提出来了 引入吸力解释了许多现象 揭示了一些规律 以 Fredlund 理论为代 表 形成了较完整的非饱和土理论体系 我国学者在非饱和土理论方面也做了大量的研究 取得显著成就 但非饱和土理论毕竟较年轻 许多规律有待进一步揭示
12、成为新的研究热点 是无疑的 目前在岩土工程界里能够应用于实际工程中的基本理论还主要是饱和土力学理论 造成 这种状况有以下几种原因 首先 大部分实验土力学较发达的国家的气候一般较温和 土壤 一般接近于饱和状态 其二 在大多数情况下 土力学在工程中的应用关系到土的抗剪强度 然而众所周知 土在饱和状态下的抗剪强度最低 如果工程设计基于饱和土强度 那么我们 就位于安全的一面 第三 饱和土属于二相材料 相比三相的非饱和土 我们了解各种水土 相互作用现象的困难要少很多 最后 非饱和土的研究通常需要特殊昂贵的设备 这就束缚 了非饱和土实验技术的发展 直到二十世纪七十年代 国内外土力学研究的重点开始转向非 饱
13、和土 且非饱和土力学研究逐渐发展成为当前岩土工程学科的前沿课题 世界某些国家像 法国 西班牙 加拿大 美国等才加大了这方面的投资 使非饱和土力学达到了现在的水平 与规模 在上海地区 虽然天然土体通常为处于饱和状态的软土 但表层粘土却常年处于变化着 的非饱和状态 另外 一些与工程建设紧密相关的软土也常因一些工程措施的采用 如堆土 井点降水和地基加固等 处于一种人工非饱和状态 这时软土的力学性状与其处于饱和状态 时有着很大的差异 可将其称为工程非饱和态软土 对于与非饱和土有关的工程问题 过去 人们常借助传统土力学的有效应力原理进行研究 不可避免地存在诸多缺陷 可将有关非饱 和土原理引入对上海地区表
14、层土和工程非饱和态软土的再认识研究 为解决当前上海软土地 区工程建设中存在的非饱和土问题提供新思路 诸如 浅基础工程 基坑工程 地基处理 高路堤稳定性和表层土隔绝污染等 4 第二章第二章 非饱和土中吸力非饱和土中吸力 水对非饱和土的性态起着主要作用 水与气共同占据土的孔隙空间 根据它们的体积含 量 土的孔隙大小及土的物理化学特性 水气状态是相对变化的 要么水占主导地位 气不 能自由移动 要么气占据大部分孔隙 水被固定在土颗粒之间 或者二者都可同时移动 水 除了与气作用通过弯液面效应产生毛细管张力之外 它还与土中的矿物质发生相互作用 这 种物理化学相互作用在粘土中尤为突出 此外 溶于水中的盐离子
15、浓度决定了渗透吸力的大 小 水在这种吸力的作用下会产生迁移现象 一 吸力的定义 土中吸力从岩土工程角度上的定义早在 1965 年就已做出了 按照热动力学原理 吸力 是一种与饱和土中水头相似的水的潜在能 这种定义类似于在电场中的电能 在同高度条件 下 把一定体积的自由水放到非饱和土中只需要利用土的吸附能力 按照能量原理 能量是 沿着递减的方向传播的 这说明土中的吸力是负压力 吸力的大小等于 在等温 等高和大 气压条件下 为从远离土的自由状态运输到土孔隙中的极少量水所做的单位水体积的功 从热力学角度对土中吸力及其组成下定义 土中吸力 土中水的自由能 与孔隙水的部 分蒸气压之间的热动力学关系为 00
16、 ln v v vw u uRT 2 1 式中 为土中总吸力 R为理想气体常数 8 31432J mol K 0w 为水密度的倒数 w 1 m 3 kg T 为绝对温度 v 为水蒸气的克分子量 18 016 kg kmol v u孔隙水的部分 蒸气压 kPa 0v u为同一温度下纯水 不含杂质或盐份的水 平面上方的饱和蒸气压 kPa 0vv uu为相对湿度即RH relative humidity 如当 20 C 时 式可写为 0 ln135020 v v u u 2 2 由吸力的定义可知 吸力为相对湿度的函数 而相对湿度是水蒸气的部分压力与饱和水 蒸气的压力比 它用百分比 表示 同一种土 如果把它放到二种不同的环境 比如一种为 干燥环境 40 的相对湿度 相当于经历一天的干燥日晒结果 另一种为湿润环境 95 的 相对湿度 相当于阴雨时的大气条件 我们一直等到土中含水量达到稳定为止 所得到的 土的状态会完全不同 在同湿度下 土的塑性越高 它的含水量越大 也就是说这种土的塑性反映了土对水的 吸附能力 在 72 的相对湿度条件下 Jossigny 粉土在平衡状态的含水量是 4 饱和度是 1
