非饱和土的应力状态变量研究

以热力学和连续介质力学的应力理论为基础,从非饱和土的土骨架平衡方程出发,导出了一系列应力状态变量,目前文献中所使用的应力状态变量都在其中。研究发现：非饱和土的应力状态变量有多种组合形式（5组以上）,不是惟一的;大多数应力状态变量与土的孔隙率、饱和度等物性指标孪生相伴;所有应力状态变量都具有应力的量纲,单纯孔隙率或饱和度及其组合都不构成应力状态变量;简化的Bishop有效应力公式和Fredlund倡导的两个应力状态变量都是简化了的应力状态变量,前者忽略了孔隙率的影响,而后者忽略了与孔隙率及饱和度的关联性。在选择应力状态变量时应考虑理论合理、应用方便、逻辑关系正确的原则,还应做一定的验证工作。     

非饱和土广义有效应力原理

综述了非饱和土有效应力的沿革,并就非饱和土有效应力的研究和发展中存在的问题进行了讨论。基于多相孔隙介质理论推导得到的变形功的表达式,提出了非饱和土广义有效应力原理。该原理认为,由非饱和土中的单应力变量的有效应力或双应力变量理论很难唯一地确定非饱和土的变形和强度。广义有效应力原理实质上就是要综合考虑影响非饱和土变形和强度的三种广义应力以及与其对偶的广义变形,给出考虑因素更为全面、理论基础更为坚实的广义有效应力原理。它为非饱和土基本性质的研究和本构方程的建立奠定了坚实而科学的理论基础。     

非饱和土毛细滞回内变量模型的修正

土-水特征关系是基质吸力和含水率之间关系。在反复干湿循环路径下土-水特征曲线呈现出毛细滞回特性。基于毛细滞回内变量理论和传统的土-水特征关系经验模型,提出了能模拟在任意干湿循环路径下土-水特征关系的修正模型。该模型比原模型增加了一个可逆参数,考虑了含水率的可逆变化,使扫描线在靠近边界线的时候斜率不会无限大,同时保留了原模型精度。通过与文献中的试验结果进行比较,修正模型可以更好地模拟非饱和土的土-水特征关系的循环滞回特性,并讨论了可逆参数的确定方法。     

非饱和土三剪强度准则及验证

基于材料三剪强度准则和非饱和土力学特性,提出了非饱和土的单应力变量和双应力变量三剪强度准则,并对其做了特征分析。分析表明,通过改变准则中的主应力影响系数b,所提准则就可以对其他强度准则进行非线性近似表达。在π平面的极限线中,所提强度准则覆盖了由内边界的单剪强度准则到外边界的三剪统一强度准则之间的所有外凸区域。因此,其适用于各种复杂应力状态下的非饱和土体,也能反映非饱和土单轴抗拉抗压强度不等的特征。另外,还用其他文献的真三轴试验数据对所提准则做了试验验证,其中,非饱和黏土砂的真三轴试验值与中主应力影响系数b=0.6时的三剪强度准则预测值吻合较好,双应力变量下准则的预测值比单应力变量下的预测值更符合试验值;非饱和黄土真三轴试验值与中主应力影响系数b=0.2时的三剪强度准则预测值吻合较好,两种应力变量下的三剪强度准则预测值差别较小。     

非饱和土的有效应力与抗剪强度

从孔隙土的存在状态出发，探讨了吸力的两种不同作用效果与非饱和形态的关系，从理论上论证了Bishop公式的正确性澄清了多年来一个基本概念上的误解。用新的观点阐述了非饱和土中抗剪强度分布不均匀及浸水湿陷的原因；同时还对Fredlund和卢肇钧提出的抗剪强度理论及参数的测试方法进行了分析，提出了各种抗剪强度理论在理论上都是相同的，其区别仅在于确定由吸力产生的那部分有效应力时采用的参数和测试 方法不同。为今后非饱和土的抗剪强度研究从理论转向实用提供了理论基础。     

考虑气-液交界面的非饱和土有效应力公式

在本构关系中如何确定有效应力是非饱和土力学界的重要课题之一。将非饱和土简化为气、液、固三相及其交界面组成的集合体。基于热力学原理,在Helmholtz自由能中考虑力-水耦合特性,将各相及其交界面的质量、动量、能量、熵守恒方程及相应的限制条件与自由能函数的物质导数联立代入熵不等式,根据该不等式适用所有热力学状态的条件推导出考虑气-液交界面面积密度的有效应力公式,并在利用该公式确定有效应力参数时将气-液交界面的面积密度表示为基质吸力与饱和度的函数。最后,利用已有文献中3种土的多阶段减、增湿三轴剪切试验结果,验证了该有效应力参数表达式相较于已有文献表达式在描述干湿循环下有效应力参数与基质吸力关系时的优势。     

非饱和土平均粒间应力的计算及应用

土体各相之间物理化学作用对环境及能源等岩土工程都有重要影响,有效应力原理是解决上述问题最重要的理论。而目前的有效应力表达式无法描述由于物理化学作用引起的土颗粒间接触应力的变化。针对上述问题,最近提出了一个平均粒间应力表达式可以表述非饱和土内部的物理化学作用。为了实现该平均粒间应力的定量化计算并验证其稳定性和有效性,首先阐述了平均粒间应力表达式中各部分的物理意义。通过参数分析,得到了平均粒间应力各部分随含水率和孔隙盐溶液浓度的变化规律。推导出了表面力势中表征固液界面相互作用部分的计算公式,实现了平均粒间应力的定量计算。计算了临界状态时的非饱和土平均粒间应力,并应用平均粒间应力对非饱和土化学力学加载试验进行模拟。结果表明,临界状态时平均粒间应力与剪切强度具有唯一关系,应用平均粒间应力的计算结果与试验结果符合较好,验证了平均粒间应力公式的稳定性和有效性。     

黄河下游堤防非饱和土边坡渗流分析

根据室内非饱和土的渗透试验得出的非饱和土的渗透参数,针对黄河下游堤防典型的非饱和土边坡,采用有限单元法系统地分析了堤防非饱和土边坡在降雨和洪水作用下的非饱和渗流场特征,并得出降雨与洪水对非饱和粉质黏土边坡渗流场的改变范围,该范围的大小为浸润线移动前方2 m之内。进一步分析了降雨与洪水共同作用对黄河下游堤防边坡非饱和渗流场的影响,分析结果表明降雨程度的大小和持续时间的长短直接影响着洪水对非饱和渗流场改变的难易程度。     

非饱和膨胀土的土-水特征曲线研究

在干旱和半干旱地区 ,土体中含水量的变化常会引发各种工程问题。研究表明 ,非饱和土的工程性质不仅取决于土的组成、结构和应力状态 ,还与土中的吸力密切相关。非饱和土的土 -水特征曲线表达了土体中含水量与吸力的关系 ,是非饱和土研究的重要内容之一。     

非饱和土损伤模型与应用

非饱和土应力状态是采用有效应力( –ua)和基质吸力(ua–uw)作为应力状态变量,相应的Mohr-Coulomb破坏包面是在有效应力、基质吸力和剪应力的三维坐标系中的曲面（通常在应用中假定为平面）。根据应变等效性原理定义损伤变量,由非饱和土给出损伤变量与偏应力的曲线,并得到非饱和土的损伤阈值与基质吸力呈指数函数关系。采用一非饱和土土坡开挖过程的算例,说明基于损伤演化描述的稳定性数值分析方法可行。     

非饱和土力学中几个基本问题的探讨

近些年非饱和土力学的研究非常活跃,但对一些基本问题的认识并不一致,有时甚至概念混淆。针对非饱和土力学的几个基本问题：非饱和土状态变量的选择、非饱和土有效应力变量的选择、吸力概念的界定和轴平移技术的局限性、非饱和土的结构的表征方法等问题进行了分析和探讨。其中非饱和土状态变量和有效应力的选择对于非饱和土力学的理论和相应本构模型的建立具有重要影响,因此,首先深入讨论了这一问题,概括论述了非饱和土有效应力的演变并深入探讨了目前各种形式有效应力的优缺点。其次,指出由于受负压孔隙水气化（液-气相变化）的影响,在实际场地中大于某一界限值的基质吸力是不存在的;目前被广泛使用的轴平移试验技术却掩盖了这一情况,而基于此所建立的非饱和土强度和变形理论的适用性需要进一步的研究和论证。再次,指出非饱和土的结构除了包括组构和颗粒之间作用力的综合效应外,还建议增加孔隙水和孔隙气的分布以及各相之间的相互作用和物理-化学作用。最后对一些容易混淆的概念进行了梳理。其目的是希望国内同行在今后的研究中对这些问题加以关注,并建立正确的认识,促进非饱和土力学沿着正确的方向发展。     

非饱和土壤Richards方程入渗求解探讨

根据理查兹(Richards)方程求解非饱和土壤垂直一维入渗率历时规律,因缺乏土壤水分特性函数K(θ)、D(θ)的一般有效公式,而采用与实际相差甚远的定值或线性函数假设,使成果隐含过多经验成分或需要反复迭代计算.笔者在文献[1]中提出的非饱和土壤水分特性函数的一般有效基础公式,用分离变量法直接求解Richards方程,用土壤水动力学方法分别导出了含有渗前土湿因子的新入渗公式.它摆脱了同类入渗公式对水分函数过于简单的概化假设和经验成分.为放弃迄今水文学产流计算中惯用的下渗容量曲线"截首留尾"的经验做法,以直接使用含有渗前土湿因子的下渗公式提供了理论依据,从而将有利于产流计算方法的改进和计算精度的提高.     

非饱合土的弹塑性模型研究

从孔隙水的存在状态出发，探讨了非饱和土的有效应力原理。利用非饱和土的有效应力原理，将饱和土的弹塑性模型推广到了非饱和土中，建立了能反映非饱和土渐近性破坏、湿陷湿胀等特性的剑桥修正模型。该模型中新引入的试验参数较少，确定时只需要水分特征曲线，其它可以利用饱和土的成果，能在工程实际中采用。     

Work and energy equations and the principle of generalized effective stress for unsaturated soils

The effective stress principle has been efficiently applied to saturated soils in the soil mechanics and geotechnical engineering practice; however, its applicability to unsaturated soils is still under debate. The appropriate selection of stress state variables is essential for the construction of constitutive models for unsaturated soils. Owing to the complexity of unsaturated soils, it is difficult to determine the deformation and strength behaviors of unsaturated soils uniquely with the previous single‐effective‐stress variable theory and two‐effective‐stress‐variable theory in all the situations. In this paper, based on the porous media theory, the specific expression of work is proposed, and the effective stress of unsaturated soils conjugated with the displacement of the soil skeleton is further derived. In the derived work and energy balance equations, the energy dissipation in unsaturated soils is taken into account. According to the derived work and energy balance equations, all of the three generalized stresses and the conjugated strains have effects on the deformation of unsaturated soils. For considering these effects, a principle of generalized effective stress to describe the behaviors of unsaturated soils is proposed. The proposed principle of generalized effective stress may reduce to the previous effective stress theory of single‐stress variable or the two‐stress variables under certain conditions. This principle provides a helpful reference for the development of constitutive models for unsaturated soils. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

非饱和土边坡稳定分析方法探讨

在对非饱和土边坡进行稳定分析时,应该全面地考虑基质吸力对边坡稳定的贡献。首先,分别探讨了基于Fredlund非饱和土强度表达式和Bishop非饱和土有效应力强度公式将强度折减有限元法推广到非饱和土边坡稳定分析中的具体方法;然后,开发了可以考虑基质吸力两种处理方法的强度折减有限元计算程序;最后,给出了一个非饱和土边坡稳定分析的对比算例,说明了二者的不同特点。     

非饱和土三轴压缩应力路径试验的数值模拟研究

应力路径对土的强度和变形性质具有重要影响。相对于饱和土而言,控制吸力条件下的非饱和土三轴压缩状态的应力路径研究更加复杂。随着非饱和土本构理论的不断发展,理论和试验研究结果表明,非饱和土弹塑性本构模型可以用来近似地描述非饱和土的强度和变形性质。因而,运用非饱和土弹塑性本构模型对控制吸力条件下的3种非饱和土三轴压缩应力路径试验进行数值模拟是一种有效的理论研究手段。采用Barcelona模型能够对此类试验进行较好的数值模拟,其研究结果表明,在控制吸力条件的三轴压缩状态下应力路径对非饱和土的强度和变形性质具有重要影响。