非饱和土工程性质研究进展

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1、非饱和 土固 结理论 最近 发展郑乐琴(青海 省公路 科 研勘测设 计院 西 宁 810008)摘 要 介绍 国内外多 年来在非饱 和土固结理 论领 域 研 究 的 主 要 理 论 成 果 ,内 容 包 括 国 内 外 非 饱 和 土固 结理论研究 的概况 ,涉及线 性 、 非 线性 、 弹塑性和结 构性等方面 ,非饱 和土固结理 论的研究具 有非常好 的 应用前景 。 但非饱和 土固结理论 还很不成熟 ,有待 广大科研工 作者的进一 步研究 。关 键词 道路 工程 非 饱和土 固 结理论 新 进展1 引言在 荷载的作用 下 ,土体中产生 超静孔隙水 压力 ,导 致土中 孔隙水逐渐 排出 ,随

2、着时间 的发展 ,超静孔隙 水压力逐 步消散 ,土体中 有效应力逐 步增大 ,直至超静 孔隙水压 力 完 全 消 散 , 孔 隙 压 力 的 消 散 过 程 称 为 固 结 。 在固结 过程中 ,随着 孔 隙 水 的 排 出 ,土 体 产 生 压 缩 ,使土体的 强 度 提 高 。 通 常 认 为 , 太 沙 基 ( Te rza ghi ) 提 出的一维 固结理论和 有效应力 原理标志着 土力学学科 的 诞生 。 他在一系列假 定 的 基 础 上 ,建 立 了 著 名 的 一 维固结理 论 。 Re ndulic 把 Terza ghi 的 一 维 固 结 理 论 推广到二 维或三 维 的

3、情 况 ,但 存 在 一 定 的 缺 陷 。 Bio t 考 虑了土 体固结过程 中孔隙水 压力消散和 土骨架变形 之间的耦 合作用 ,提出了 Bio t 固 结 理 论 。 Bio t 固 结 理 论较 Terza ghi 固 结 理 论 更 为 合 理 完 整 , 但 计 算 较 为 困难 ,通常需要 采用 数 值 解 法 。 以 上 这 些 固 结 理 论 都 是针对饱 和土体的固 结 问 题 ,并 假 定 土 中 水 的 渗 流 服 从Da rcy 定律 ,土体变形 为小 变 形 ,且 是 弹 性 变 形 。 由 于土体的 复杂性 ,人们又 发展了考虑 土体大变形 、 考虑 非Da r

4、cy 渗流以 及 非饱和土的 各种固结理 论 。2 非饱和 土 的固结理 论研究非 饱和土在土 骨架形成 的孔隙中同 时含有气体 和水 ,气体在压 缩时会有 部分溶解于 水中 ,非饱和土的 压 缩性和 渗透性比饱 和土复杂 得多 。 因此 ,迄今 为止 ,还没有公 认为成熟的 非饱和土 固结理论 。 建立非饱和 土固结理 论的困难主 要有几个 方面 :(1) 饱和 粘土固 结 理 论 以 土 体 变 形 是 连 续 的 作 为基本假 设 。 对于非饱 和 土 而 言 ,土 体 中 气 体 具 有 很 高的压缩 性 ,同 时 ,部分 气 体 溶 解 于 水 中 ,很 难 满 足 严 格 的连续

5、条件 。(2) 非饱 和土的 渗 透性包括透 气性和透水 性 ,渗 透性与非 饱和土的基 质 吸 力 和 含 水 量 密 切 相 关 ,且 在 由 干到湿 和由湿到干 的 干 湿 循 环 过 程 中 ,相 同 含 水 量 的 土体 ,渗透性 并不一样 ,即渗 透性与含水 量不是单值 函数关系 , 因此 , 测量 渗透系数 不容易 。(3) 非饱 和土的 有 效 应 力 参 量 和 有 效 应 力 原 理 的参量 不易确定 。(4) 非 饱和 土 的 水 气 接 触 是 一 个 复 杂 的 物 理 化 学界 面 , Fre dl und 称 之 为 第 四 相 , 第 四 相 对 非 饱 和 土

6、的行 为有何影响 仍不得而知 。(5) 非 饱和土本 构 模型还没有 公认的理论 ,因此 建 立成 熟的非饱和 土固结理论 还需要时间 。2 . 1 国外 固结理论 的 研究概况非饱和土的 固 结 是 工 程 中 常 见 的 问 题 ,其 理 论 研 究内 容包括孔隙 水压力和孔 隙气压力随 土体变形而 变化以 及随时间增 长而消散的 规律 。 由于 在建立同时 适用于 不同土类固 结 的 普 遍 方 程 上 的 复 杂 性 ,很 多 研 究 者只 是针对某种 特定的土类 来寻求非饱 和土固结问 题的解 答 。 由于影 响 因 素 的 复 杂 性 ,研 究 中 总 是 做 出 某些简 化的假定

7、 ,并分为 一维 、 二维和三维 问题 。 大量 被研究 的主要是气 封闭的非饱 和土 ,气相以气泡 形态 (自由气 泡 、 吸 附气泡 ) 存 在 于 土 中 ,只 建 立 孔 隙 水 压 力 的 控制 方 程 , 如 Sco t t 、 B re htz 、 费 洛 林 、 黄 文 熙 和 蒋 彭 年等的 固结理论 ,至今 仍 有 人 沿 用 这 种 方 法 研 究 非 饱 和土 的 固 结 问 题 。 1941 年 B oit 对 含 有 封 闭 气 泡 的 非 饱 和土 提出了一般 性固 结 理 论 ,建 立 了 2 个 以 有 效 应 力( s uw) 和孔隙 水 压 力 uw 表

8、达 的 本 构 方 程 ,将 应 力 与应变 联系起来 。 换 言 之 ,当 时 已 经 认 识 到 区 分 总 应 力 和孔 隙水压力作 用的必要性 。 一个方程 建立孔隙比 与应力 状态的关系 ;另 一 个 方 程 建 立 含 水 量 与 土 的 应 力状 态 的 关 系 。 Boit 理 论 所 采 用 的 假 定 与 Te rza ghi 理 论采 用的类似 ,对于一 维固结 ,Boit 理论 得到的方程 也与 Terza ghi 得 到 的 方 程 式 相 似 , 只 是 其 固 结 系 数 Cv经过 修正 ,考 虑 了 孔 隙 流 体 的 压 缩 性 。 L a r mo ur 、

9、 Hill和 Ol so n 证 明 ,使 用 修 正 的 固 结 系 数 Cv , Te rza ghi 方程便 可 用 来 描 述 含 有 气 泡 的 非 饱 和 土 的 固 结 性 状 。Sco t t 将孔隙 比 的 变 化 及 饱 和 度 的 变 化 引 入 含 有 气 泡的非 饱和土的固 结 方 程 中 。 同 时 考 虑 变 形 、 孔 隙 水 压 力和 孔隙气 压 力 耦 合 作 用 的 固 结 模 型 首 先 是 由 Ba r2de n 提出 ,他利 用 水 、 气 连 续 方 程 、 Da rcy 定 律 、 吸 力 状 态 函 数 、 Bi shop 有 效应力公式 及孔

10、隙率 有效应 力 关9 ( n srw ) 和弹 塑性固结模 型 。 杨 代 泉 用 水 气 连 续 方 程 、 水 气 渗 9= 9z ( vw rw ) ;9t 流的 Da rcy 定 律 、 土 骨 架 的 平 衡 方 程 、 热 量 守 恒 方 程 、9 h sn ua + r s (1 - s) n = 9 ( va ra + h ua vw ) ; 吸力 状态方 程 等 19 个 方 程 求 得 19 个 未 知 量 : sij , ejj和 wi (土的位 移 ) ; u , u , Taw (温 度 ) 和 s (饱 和 度 ) 。 对 一维 固结条件 ,由于 在 孔 隙 气

11、体 未 进 入 完 全 封 闭 状 态之前 ,非饱 和土的固结 过程主要是 排气过程 ,而且固 结过程 中饱和度的 变化与瞬时 加荷后饱和 度的变化相 比 可以 忽略不计 ,故此 时 非 饱 和 土 的 固 结 问 题 就 变 成 孔隙气 压力的消散 问 题 。 从 而 求 得 了 简 化 的 解 析 解 ,证明 了 它 与 数 值 解 的 一 致 性 。 他 还 提 出 了 Fre dl u nd 关 于非 饱和土加载 瞬 时 不 排 水 、 不 排 气 分 析 方 法 中 存 在的问 题 ,提 出用水气连 续方程 、 土在加载 后的体变增 量方程 和吸力方程 作 为 封 闭 方 程 ,从

12、而 求 出 加 载 瞬 时 的u ,这 个 增 量 与 加 载 前 相 应 量 之 和 即 为 固 结 的 起 始 条 件 。陈正汉以混 合 物 理 论 的 场 方 程 为 基 本 框 架 ,以 在 本构 原理指导下 建 立 的 本 构 方 程 为 补 充 方 程 ,在 不 计热效 应 、 气 溶解和水蒸 发的条件下 ,建立 了非饱和土 固9tua - uw = f c ( n , , s) ;n = f n - ua + x ( ua -= f n - ua + f x ( n ,9z(1)uw ) , s) ( ua - uw ) 9u 9 ua w式 中 vw = kw , k = f

13、n ,w ( , s ; v) = ka , kaw a9z 9z= f a ( n , , s) , 代 表 土 的 结 构 性 ; n 为 亨 利 系 数 , 单 位压力下 溶解于单位 体积水中 的气体质量 。2 . 2 国内固 结理论 的 研究概况 国 内在非饱和土 固 结理 论 问 题 的 研 究 中 ,近 年 来取得了 较大的进展 。 非 饱 和 土 的 固 结 理 论 是 20 世 纪90 年代 研 究 的 热 点 ,陈 正 汉 ( 1989 年 , 1991 年 ) 、 杨 代 泉 (1992 年 ) 和殷宗泽 (1998 年 ) 曾 先 后 研 究 过 非 饱 和土的固 结理论

14、 ,李锡夔 、 陈正 汉 、 杨 代泉 、 孙长龙和殷 宗泽各自 独立的提出 了自己的 结论 。 其中 陈正汉和杨 代 泉的研 究结论都适 用于水 、 气各自 连通的非饱 和土 ,并可涵盖 饱和土的固 结 理 论 ; 孙 长 龙 和 殷 宗 泽 的 理 论 适 用于气 封闭的非饱 和土 。 从 控制方程数 和包含的独 立 变量来 看 ,陈 正 汉 的 有 5 个 ,杨 代 泉 的 有 6 个 ,孙 殷 的有 4 个 。 路 志 平 ( 1987 年 ) 用 三 轴 仪 研 究 了 气 封 闭状态非 饱和土的孔 压 (孔隙气压 = 孔隙水压 ) 、 体变 、 强度和非 线性本构关 系 。 陈正

15、汉用混合物 理论研究了 非 饱和土 的固结理论 , 建 立 了 非 饱 和 土 固 结 的 混 合 物 理论 ,他提出的 非饱和 土 固 结 理 论 是 一 个 完 整 的 理 论 体系 ,是对土力 学理论 的 创 新 ; 对 于 水 、 气 各 自 连 通 的 非 饱和土 , 杨代 泉根据 非 饱 和 土 的 非 线 性 本 构 模 型 建 立了包括 湿胀 、 湿陷和 热 运 动 的 非 饱 和 土 的 广 义 固 结 理 论 ;殷宗泽对 非饱和土 三维固结理 论进行了简 化 ,提 出了非饱 和土的二维 固 结 理 论 。 另 外 ,包 承 纲 ( 1998 年 ) 研究了 非饱和土固 结过

16、程中 孔压消散系 数和饱和度 之 间的关 系 。陈 正汉的理论 是以岩土 力学的公理 化理论体系 为 基础 ,用公 理 化 方 法 建 立 的 。 该 理 论 在 1989 年 用 全量形式 给出 ,不久改 用 增 量 形 式 ,其 数 学 模 型 ( 即 增 量 控制方 程组 ) 和一维问 题的解析 解 在 1991 年 5 月召 开的第 7 届国际岩 土 力学中计 算机方法与 发展会议上 发 表 。 1993 年 应 用数学和 力 学 中 、 英 文 版 同 时 发 表 了该理论 的比较完整 的成果 (详细的 建模过程 、 一维问 题解析解 和二维问题 的有限元 分析 ) ,此项 工作还先后 于1992 年和 1 995 年在国内 和国际学术 会议上报导 。 在陈正汉的增量 型 固 结 理 论 中 ,使 用 了 多 孔 介 质的有效 应力公式 ,该公 式仅对线性 变形成立 ,且不适 用 于描述 具有湿陷性 土类的湿 陷变形 。 若 把非饱和土 的 非线性 本构