非饱和土粒间吸力研究的若干思考和进展

非饱和土粒间吸力是建立非饱和土有效应力原理和抗剪强度理论的基础前提,从各力的本质、概念、大小等不同角度出发,对目前非饱和土研究中常见的几种吸力进行了详细地对比和分析。基质吸力表示土壤吸水的趋势,强调的是土颗粒与水之间的相互作用,并非土颗粒间的相互作用,与有效应力概念的本质不符,是Bishop和Fredlund强度理论中分别存在着物理意义不明确参数x和φb的根本原因;广义吸力虽然考虑了结构吸力的作用,但仍将基质吸力作为有效应力的一部分,使原本“实用、简化”的目标更加复杂化;附加内压力将基质吸力以及表面张力的作用进行叠加,存在力作用大小上的重复,同时未考虑结构吸力的作用;张力吸力将表面张力沿两土颗粒连线方向的分量——张力吸力和基质吸力进行叠加,一是仍将基质吸力作为有效应力的一部分,二是同样未考虑结构吸力的作用;粒间吸力（湿吸力和结构吸力）考虑了因土体结构性引起的结构吸力作用,同时也考虑了气液界面上收缩膜的效应——湿吸力的作用,基于粒间吸力的非饱和土有效应力及强度理论不仅符合有效应力定义的本质,而且合理地解释了非饱和土中诸如收缩膜张力的方向性、土中应力概念的平均性、土体物理本质的唯一性、随含水率变化的连续性以及对不同类型土的适应性等众多现象。因此,从粒间吸力的角度出发来研究非饱和土的有效应力原理是正确、可行的。     

非饱和土的本构模型研究

引用平均土骨架应力的概念,研究推导出非饱和土的刚度参数随吸力变化而变化的关系式,进而推导得到用平均土骨架应力表述的非饱和土LC屈服面函数以及硬化规律。从土力学原理推导,得到土样由于在净应力和吸力作用下产生体积变形引起土样饱和度变化的关系式。由平均土骨架应力推广,得到三轴应力状态的椭圆屈服函数,这一非饱和土本构模型的优点在于考虑了应力作用后土样饱和度的变化,通过对已有试验数据的初步验证,表明提出的非饱和土本构模型的合理性和适用性。     

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。     

非饱和土的承载结构与岩土广义结构性

鉴于非饱和土的复杂性,经典的3相模型过于简单,不利于分析相间相互作用及正确定义土中应力。将非饱和土视为一种特殊结构,并细分为6相,定义了其承载结构--广义土结构,进而分析了饱和土与非饱和土的主要差异：承载结构和孔隙流体均不同。基于承载结构的共性,提出了一套定性描述土体结构特点的指标--广义结构性,其普遍适用于描述不同土的承载结构特点。结合实际现象,分析了各指标的合理性,指出湿陷的本质是广义土结构的弱化。此后,分析了两种代表性相间相互作用,揭示了中性应力的物理意义,并合理定义了吸应力,最终明确了土骨架总应力就是“有效应力”。     

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。     

低饱和度非饱和土的抗剪强度理论及其应用

从非饱和土的微观结构入手,提出并推导了土颗粒间毛细吸力引起的基质吸力与附加有效应力关系的近似解,并进一步得到了低饱和度非饱和土的抗剪强度公式。通过试验资料和理论分析验证了所推公式的合理性、正确性。最后分析了土颗粒半径差异、土体平均粒径大小对非饱和土强度的影响。     

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。     

颗粒体系中的骨架及力链网络

颗粒物质是大量离散的固体颗粒相互作用而组成的复杂体系,具有非连续和接触耗散等基本特征,其物理机制研究是近20年科学前沿之一。砂土就是典型的颗粒物质,土体中的有效应力是作用在土体骨架上的平均应力,土体变形主要来源于骨架上的颗粒位置,但对土体骨架并没有一个清晰的物理描述。近期颗粒物质力学研究认为,体系中颗粒相互接触形成的网络结构是外荷载传递路径的物理基础,可能就是土力学所指的骨架。同时还发现,较大的力通常沿着准直线的路径传递,人们常把传递较大力、与该准直线路径对应的若干颗粒组成的链状结构,称为强力链;弱力链则传递较小力。力链结构及其演变规律的描述是颗粒物质研究的核心之一。以单轴侧限压缩数值模拟为例,对比说明了土体颗粒骨架与力链结构的关系,明确提出强力链网络决定颗粒体系的宏观力学行为。     

考虑吸附水的非饱和土耗散本构关系研究

为了探索土水吸附特征对非饱和土力学特性的影响,根据赋存环境把土中水分为储存在毛细管内液面张力吸纳作用占主导的自由水和包裹在土颗粒周围基质静电吸着作用占主导的吸附水。通过把土颗粒基质与吸附水一起共同视为非饱和土骨架相,自由水视为液相、土中气视为气相,获得了考虑吸附水的非饱和土功表达式。根据热力学耗散理论,利用功表达式和局部热力学平衡假定,获得非饱和土在绝热变形过程中的熵流和熵产。基于热力学吸附平衡理论获得土中吸附水的吸附方程,进而提出具有实用性的吸附水土-水特征曲线。利用熵产表达式中的热力学共轭量和耗散空间的Drucker 塑性公设,采用纯简化有效应力和有效吸力这一对双应力变量,建立了考虑吸附水的土水完全耦合的非饱和土弹塑性理论框架,据此获得采用净应力和吸力表示的弹塑性柔度矩阵,用于采用上述本构理论建模时理论模型与土工试验成果之间直接相互验证。     

饱和土动力反应中两类压缩波的独立作用分析

饱和土动力反应中存在2种类型的压缩波，它们有不同的特性，第1类压缩波类似于单相体中的压缩波；第2类压缩波由于有粘滞阻尼而衰减很快，由于数学分析和实验观测的复杂性，这两类压缩波在饱和土动力反应中的独立作用并不为人熟知，沿有J.Yang提出的方法求解基岩上的饱和土层在地表受到竖向均布简谐荷载作用下的稳态反应，通过分离变量得到解析解，定量比较了两类压缩波对土骨架位移、土体总应力、孔隙水压的独立作用。还讨论他粘性和荷载频率对两类压缩波的影响。     

非饱和土渗透函数方程的间接确定

利用应力应变控制式非饱和土三轴仪,测定了非饱和土的基质吸力和体积含水量,由此得出粉质粘土一系列的土-水特征曲线,并由非线性曲线拟合得出土-水特征曲线方程,根据其与渗透函数的关系,推导出Mualem渗透函数方程的具体形式,由其计算得出的非饱和土的渗透系数和直接测量法得到的渗透系数较为一致,从而进一步证明了Mualem方程的具体形式的合理性。     

冻融循环下初始含水率对非饱和膨胀土剪切特性试验

为探究冻融循环条件下初始含水率对膨胀土偏应力-应变关系和剪切特性的影响,本文对不同初始含水率的非饱和膨胀土进行了不固结不排水三轴剪切试验。结果表明：1）非饱和膨胀土的偏应力-应变曲线的形式随含水率增大由应变软化逐渐转变为应变硬化,偏应力峰值随含水率增大而降低;2）非饱和膨胀土的抗剪强度随初始含水率的增加呈线性下降趋势;3）非饱和膨胀土在第1次冻融循环后偏应力及抗剪强度大幅度下降,在3~7次冻融循环后达到稳定。初始含水率是影响非饱和膨胀土力学性质的主要原因。     

层状非饱和土地基的轴对称稳态动力响应

考虑土颗粒、孔隙流体的压缩性及各相物质间的黏性、惯性耦合作用,采用理论上更加严谨的饱和度本构关系式,建立了非饱和土的动力控制方程。该组方程与饱和土的经典Biot波动方程完全兼容,因此,具有更广泛的适用性。通过引入一组状态向量,在圆柱坐标系下将非饱和土满足的波动方程转化为状态方程组,利用Hankel变换,求解状态方程组,得到了传递矩阵。结合边界条件及层间接触连续条件,求解了层状非饱和地基的稳态动力响应问题。数值算例表明：土层对地表动位移的影响主要集中在临界深度范围内;软硬土层的相对次序对地表动位移幅值有显著影响;饱和度增大会引起土的物理参数发生相应的改变,尤其是动剪切模量通常降幅较大,而动剪切模量是决定位移幅值的关键因素,最终的结果是导致地表动位移幅值明显增大。     

一种适用于孔隙体积应变的有效应力方程

土力学奠基石Terzaghi有效应力原理被广泛应用于油藏孔隙和渗透率应力敏感研究中,然而其对于岩石孔隙体积应变的适用性存在争议。对颗粒不可压缩和颗粒可压缩的多孔介质分别进行了受力分析,推导了总体积、颗粒骨架、孔隙体积的有效应力表达式,与Biot、Skepmton有效应力方程对比,建立了适用于孔隙体积应变的新型有效应力方程,并进行了试验论证和应用举例。研究表明:在颗粒不可压缩多孔介质中,有效应力为超出平衡孔隙流压之外的颗粒间宏观等效应力;在颗粒可压缩变形多孔介质中,有效应力为其相同应变下的等效应力,有3种有效应力分别适用于总体积应变、颗粒体积应变、孔隙体积应变;新提出的孔隙体积有效应力方程与孔隙度、岩石总体积压缩系数、颗粒压缩系数、总应力和流压相关,4个理论计算式计算结果在3种多孔介质试验测试结果中的偏差均在5%以内;孔隙体积有效应力系数解决了如何定量增总应力来等效模拟储层降流压生产过程这一关键问题,3个压缩系数关系式理论计算准确方便。     

颗粒间的毛细作用以及吸应力特征曲线分析

颗粒之间的毛细作用是分析湿颗粒体系力学特性的一个重要方面。考虑两球形颗粒与粒间弯液面的相互作用,采用打靶法求解得到了粒间气-液-固交界面的几何形状与基质吸力关系的精确解答,并与环形近似方法和数据拟合方法得到的粒间作用力进行了比较,分析了两种简化方法的精确度。在此基础上,分析了不同粒间间距、液-固接触角以及基质吸力时,两球形颗粒间由毛细作用引起的吸应力特征曲线。分析结果表明,当液体体积较小时,拟合方法得到的结果更好,而当液体体积较大时,采用环形近似得到的结果要比拟合方法更接近精确解,为非饱和土中吸力的认识以及非饱和土力学微观分析提供了一定的理论指导。     

非饱和土应力变量选取原则刍议

在非饱和土本构模型研究中,所选取的变量是否是非饱和土合适的应力变量往往被研究人员所忽视,这会阻碍本构模型的进一步发展。从土体的微观结构、能量守衡及力学平衡这3方面对非饱和土应力变量进行研究,以此提出了非饱和土应力变量选取应遵循的3个原则,强调指出非饱和土应力变量与应力状态变量的区别,并对本构模型研究中常用的应力变量进行分析,发现基质吸力、净法向应力并非为非饱和土应力变量,而有效应力和吸应力为其应力变量。建议使用有效应力来建立本构关系,其除了能满足文中提出的选取原则外,还能与饱和土理论之间有很好的过渡。文中的非饱和土应力变量选取原则还不成熟,但其重要性不容忽视,该研究还有待进一步补充和完善。     

非饱和土弹塑性模型参数的试验确定及有限元法

简要介绍广泛应用的非饱和土Alonso模型的原理与发展,并通过3组共7个试样的非饱和土三轴试验,得到模型的11个参数。在饱和土Cam本构关系的基础上,推导出一个基于非饱和土Alonso模型的应力-应变增量方程的计算公式,该方程与饱和土的本构方程形式相同。编制了能够考虑净应力和吸力二者对土体硬化规律影响的有限元程序,从而为非饱和土弹塑性计算提供一条途径,便于进一步应用于实际工程。     

剪切对非饱和土土-水特征曲线影响的探讨

用净平均应力和吸力等于常数、偏应力增大的三轴排水剪切试验，探讨了剪切对非饱和土水量变化的影响。试验结果表明，土-水特征曲线依赖于偏应力，改进了非饱和土中水量变化的本构关系，建立了含水量．吸力．净平均应力．偏应力形式的土．水特征曲线。     

非饱和土的一种分类方法

根据理想模型中土颗粒和孔隙水之间的几何关系、热力学原理和土力学基本理论,研究了土的非饱和性在非饱和土中引起的力系。给出了张力吸力和吸力比的定义,并在考虑基质吸力作用面积的基础上定义了等效吸力的概念。按照孔隙水弯液面是否与土颗粒表面搭接,将非饱和土分为搭接非饱和土和不搭接非饱和土两类。进而根据搭接状态将搭接非饱和土细分为水封闭非饱和土和搭接双开敞非饱和土,根据孔隙气状态将不搭接非饱和土细分为不搭接双开敞非饱和土和气封闭非饱和土。在搭接非饱和土中,出现张力吸力并对土体的强度产生增强作用;在不搭接非饱和土中,表面张力只是沿着液面传播,不对土的强度产生效应。另外,张力吸力只对强度问题有贡献,它不是渗流问题的驱动力。