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。     

球形颗粒紧密堆积状态时的吸力分析

根据圆液面假设和热力学基本原理,研究了球形颗粒紧密堆积模式在水封闭状态（状态2）时的吸力特性,得到了状态2中3类吸力和3类等效吸力与饱和度的定量关系和以接触角和饱和度或饱和半径为参数的吸力比表达式。进一步的研究表明,在状态2中吸力比都小于1,与基于松散堆积模式在水封闭状态（状态1）时得到的结果比较后可知,随着颗粒排列密实度的增大,相对于基质吸力,张力吸力的作用将有所降低但仍然不可忽视。另外,随饱和度变化,状态2中的3类吸力,特别是3类等效吸力的变化趋势与基于状态1得到的结论基本一致。在状态2中,对数吸力比与饱和半径呈明显的线性关系,吸力比与饱和度也呈明显的线性关系,前者与状态1中的吸力演化规律一致,而后者则存在较大不同。     

区分毛细和吸附作用的非饱和土抗剪强度模型

基于对非饱和土中孔隙水毛细和吸附作用的区分,得到了一种机制明确的非饱和土抗剪强度模型。首先,假定两种非饱和土的特殊状态,即只存在毛细作用的理想毛细状态和只存在吸附作用的理想吸附状态。分别给出了这两种理想状态的抗剪强度模型,其中毛细作用的影响可表示为考虑气化过程的有效饱和度和吸力的乘积,吸附作用的影响可初步简化表示为表观黏聚力的最大值。其次,利用二元介质模型,认为非饱和土中土-水作用是由这两种理想状态的不同权重组合而成。通过气化概率分布函数,表示了实际非饱和土中两种理想状态的参与比重,建立了适用于较广吸力变化范围的非饱和土抗剪强度模型。最后,通过与试验结果及当前流行的模型拟合结果的对比,验证了所建立的模型的合理性。研究表明,在考虑吸力对非饱和土力学性质的影响时,应该区分吸力的不同作用。     

非饱和土微观结构与粒间吸力的研究进展

吸力是非饱和土研究的重点也是其难点。重点在于自然界中诸多物理现象可以用吸力去解释，难点在于非饱和土吸力的量化测试技术现在还不成熟。非饱和土作为地球表层广泛存在的三相组合材料，其力学性质远远比饱和土复杂，归根结底在于土中水气界面形成的弯液面收缩膜，导致了土体孔隙产生吸力。非饱和土体的强度变形特征就是其内部吸力不断变化的宏观表现形式，其宏观物理力学性质与吸力之间存在一个桥梁——微观结构。对非饱和土微观结构和吸力理论、试验研究的整体把握是完善土力学的一个重要方法。开展对非饱和土液桥动态结构演化及吸力力链分布特性的研究，是全面了解非饱和土力学性能的重要基础之一，也是深入把握和量化非饱和土吸力的重要手段。     

非饱和膨胀土SWCC研究

研究土体吸力与含水量关系,对于非饱和土的变形和强度问题,有重要的应用价值。利用非饱和土三轴仪对膨胀土进行试验研究,比较系统地分析了矿物成分、孔隙结构、土体应力状态、应力历史等因素对土-水特征曲线的影响。尤其土的矿物成分和孔隙结构是主要的影响因素。综合考虑各种因素的影响,通过室内和野外吸力量测,对土-水特征曲线进行拟合、比较,建立了幂函数模型。由土-水特征曲线可知,室内干湿循环土-水特征曲线具有明显的差异性,野外土-水特征曲线的差异性不明显,并与室内浸湿曲线相似。将野外曲线和浸湿曲线结合起来,推算非饱和状态下土的渗透性、抗剪强度等指标,可以较好地解决岩土力学问题。     

吸力对弱膨胀土强度贡献的试验研究与预测分析

对部分应用土-水特征曲线来预测非饱和土抗剪强度的公式进行了归纳分析。应用压力板仪与非饱和三轴仪,测试了荆门原状弱膨胀土的土-水特征曲线和控制吸力的非饱和三轴抗剪强度参数,并将试验结果与各抗剪强度公式的预测值进行对比,分析了各强度公式的局限性。试验结果表明,非饱和原状膨胀土的净法向应力摩擦角随着吸力的不同而变化,根据双应力变量理论确定的吸力对强度的贡献与围压有关,不同围压下吸力对强度的贡献不同,表观凝聚力 与吸力间符合乘幂函数关系。     

轴平移技术在基质吸力测控中的局限性和误差分析

为了揭示非饱和土在自然环境和轴平移环境两种条件下,基质吸力测试数据存在差异的原因,分别研究了表面张力系数和难充水微孔隙在相同吸力作用下对含水率的影响。一方面,表面张力系数随压力的增大而小幅减小,同一基质吸力条件下采用轴平移技术时对应的含水率较自然状态有偏小的趋势;另一方面,由于一端封闭微孔隙的存在,较高的孔隙气压力必然促使土中水进入部分难充水微孔隙,从而同一基质吸力条件下轴平移技术对应的含水率较自然状态又有升高的趋势。因此,在特定基质吸力条件下,轴平移方法得到的含水率较自然状态偏大还是偏小取决于上述两方面的综合效应。毛细上升试验和针对一端封闭微孔隙模型的研究表明,一端封闭微孔隙的存在对土-水特征曲线的影响远远大于表面张力系数变化的影响。针对石英砂、砂土和黏土的两种SWCC测试结果表明,随土颗粒逐渐变细,轴平移技术对SWCC的影响越来越大。从而进一步印证,张力计法和轴平移方法在测试黏土土-水特征曲线方面存在差异的原因在于一端封闭微孔隙的存在。     

初始孔隙比对高吸力下非饱和土土水特性的影响

在我国西北干旱半干旱地区,处于高吸力范围内的非饱和土广泛存在于各种岩土工程中。非饱和土土水特性的研究是非饱和土渗流、强度与变形研究的基础。为研究高吸力下不同初始孔隙比非饱和土的土水特性,以一种粉土试样作为研究对象,采用饱和盐溶液蒸汽平衡法控制土试样的吸力,利用阿基米德原理量测不规则土试样的体积,通过修正的Van-Gen...     

考虑基质吸力变化时非饱和土的一维本构模型

当地下水位上升或地面遇水浸润时,土的饱和度将因毛细作用而变化,以此使土体产生变形。其中由于含水量增加而使土的重度增大,从而引起压缩变形;同时含水量的增加而使基质吸力下降,从而引起土的回弹变形,因此最终变形取决于上述两种变形趋势的综合效应。根据广义Hook定律、Fredlund的双应力状态变量及Brooks和Corey关于基质吸力与饱和度之间的经验关系,建立了K0状态下非饱和土的一维本构模型。将这一模型与分层总和法相结合,可以计算基质吸力变化时土的竖向变形。通过研究发现,非饱和土的地面变形不仅取决于土的性质与土层的厚度,而且依赖于土中吸力变化前后的分布及应力状态等因素。所建议的一维本构模型可以用于非饱和土地基上基础的沉降估算。     

水膜理论在非饱和土中吸力的应用研究

非饱和土中总吸力问题一直是非饱和土土力学研究的一个重要分支。本文引用并引伸了水膜理论,把水膜理论的水膜范围扩展到包括结合水和毛细作用及基质吸力等引起的自由水（重力水）等部分,相应的水膜分离压也包括基质吸力和毛细作用,因此,非饱和土中的总吸力相应地可表示为扩展后的水膜分离压。从广义水膜理论及土性方面分析非饱和土总吸力,探讨了非饱和土中水膜对总吸力的影响,导出了广义非饱和土水膜理论下的总吸力公式,给出了非饱和土总吸力当土颗粒大小不同时与饱和度的关系。理论计算与试验结果吻合较好,表明了广义水膜理论对研究非饱和土总吸力具有一定的指导意义。     

高吸力下黏性土的抗剪强度和体变特性

非饱和土中土-水之间的相互作用可区分为毛细作用和吸附作用,已有的非饱和土力学特性的研究大都局限于较低吸力、毛细作用占优范围。实践中由于环境的变化,地表土体常经历干湿循环及处在低含水率、高吸力状态,此时吸附作用占优。针对高岭土-河砂配制的非膨胀性黏性土,采用饱和盐溶液蒸汽平衡法,从脱湿和吸湿两种吸力路径下对土体施加高吸力。测试了高吸力下土体的强度和变形特性,试验中选用了0（接近无侧限）、25、50、100 kPa共4组小围压。试验结果表明,高吸力下土体表现为应变软化型破坏和剪胀性。随着围压的施加,土体从沿纵向开裂的张裂破坏过渡为剪切破坏。验证了修正后的Bishop非饱和土强度公式不适用于描述高吸力时峰值抗剪强度的变化,得到了高吸力下峰值抗剪强度可用相对于净应力的临界状态强度和剪胀作用来表示。分析发现,高吸力时土体的抗剪强度和比表面积直接相关,吸力对土体抗剪强度的作用取决于土体集聚体组构的形成和发展程度及其导致的剪胀作用。     

3D stability of unsaturated soil slopes with tension cracks under steady infiltrations

Most classical approaches for evaluating the stability of soil slopes with cracks are performed under two-dimensional (2D) condition. Three-dimensional (3D) effect and suction-induced effect of unsaturated soils are generally neglected in assessing the slope stability. This paper develops a 3D limit analysis method to evaluate the stability of an unsaturated soil slope with tension cracks under steady infiltrations. The boundary-value problem is formulated based on the 3D rotational failure mechanism by taking the effects of suction, effective unit weight, and tension crack into account. A simplified method is proposed to calculate the work rate of unsaturated soil weight. A layer-wise summation method is developed based on the divergence theorem to calculate the internal energy dissipation rate. Detailed discussions are conducted to investigate the effects of suction and Poisson's ratio on the stability of unsaturated soil slopes. Examples are given to illustrate the 3D effect, the suction-induced effect as well as the effects of infiltration and water in cracks on the slope stability.     

吸力历史对非饱和土力学性质的影响

现在被广泛公认的由Fredlund提出的非饱和土力学的双参数理论,即净应力和吸力为非饱和土的应力状态变量,不能直接考虑吸力历史及其饱和度对非饱和土的应力-应变关系和强度的影响。非饱和土三轴试验结果表明,即使净应力和吸力相同的条件下,经过干-湿循环试样与未经过干-湿循环试样的应力比-应变关系和强度是不相同的。在其他条件相同时,经历过干-湿循环的试样比未经过干-湿循环试样的应力比-应变关系要高、强度大和体变小。经过干-湿循环试样的饱和度低而强度高,主要是由于经过先期较高的吸力,相当于受过较大的前期有效压力,使试样成为超固结土。更多不同吸力历史的对比试验有待于进一步研究,以便为非饱和土的水力-力学特性耦合弹塑性本构模型定量地表示上述非饱和土的性质提供基础性试验数据。     

基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响

在自然界和工程实践中遇到的土大多数是非饱和土,研究吸力对非饱和土抗剪强度的作用,对于工程实践具有重要的意义。通过压力板仪和直剪仪组合试验,探讨了击实土抗剪强度和基质吸力的关系。试验结果表明：凝聚力在饱和度为40%-60%时最大,而内摩擦角则随饱和度增加而有所减少。进一步对比土-水特征曲线与抗剪强度的关系,并整合前人研究成果,指出了非饱和土中吸力对其抗剪强度影响的规律。对于无黏性土,在边界效应区不产生假凝聚力,且内摩擦角不变;在过渡区与非饱和残余区,假凝聚力和基质吸力的关系存在峰值且变化较大,内摩擦角则随吸力增加而增加。对于黏性土,残余体积含水率所对应的最小吸力可能是影响抗剪强度的界限值,小于此吸力值,φb可近似为常数。但在非饱和残余区,凝聚力将随土状态路径的不同而变化。对于重塑土,凝聚力降低;而对于原状土,则凝聚力可能不变或增加。     

非饱和土稳态孔隙比变形理论研究

非饱和湿陷性土与湿胀性土分别具有亚稳态孔隙比结构和超稳态孔隙比结构,广义吸力是维持这种结构稳定的主要因素。随着广义吸力的丧失,两种结构均处于一个不稳定的孔隙状态,土体会向一个更加稳定的孔隙比结构发展。超孔隙比结构孔隙比增大,土体产生膨胀,亚稳孔隙比减小,土体产生收缩。基于这一稳态孔隙比理论,建立了广义吸力丧失引起的孔隙比的增量方程,来统一考虑非饱和土的湿陷性和湿胀性变形特性,并通过经典试验数据验证了增量方程的合理性     

A unified bounding surface plasticity model for unsaturated soils

A unified constitutive model for unsaturated soils is presented in a critical state framework using the concepts of effective stress and bounding surface plasticity theory. Consideration is given to the effects of unsaturation and particle crushing in the definition of the critical state. A simple isotropic elastic rule is adopted. A loading surface and a bounding surface of the same shape are defined using simple and versatile functions. The bounding surface and elastic rules lead to the existence of a limiting isotropic compression line, towards which the stress trajectories of all isotropic compression load paths approach. A non‐associated flow rule of the same general form is assumed for all soil types. Isotropic hardening/softening occurs due to changes in plastic volumetric strains as well as suction for some unsaturated soils, enabling the phenomenon of volumetric collapse upon wetting to be accounted for. The model is used to simulate the stress–strain behaviour observed in unsaturated speswhite kaolin subjected to three triaxial test load paths. The fit between simulation and experiment is improved compared to that of other constitutive models developed using conventional Cam‐Clay‐based plasticity theory and calibrated using the same set of data. Also, the model is used to simulate to a high degree of accuracy the stress–strain behaviour observed in unsaturated Kurnell sand subjected to two triaxial test load paths and the oedometric compression load path. For oedometric compression theoretical simulations indicate that the suction was not sufficiently large to cause samples to separate from the confining ring. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

An improved shear strength model of unsaturated soils over a wide suction rangeEI北大核心

不同类型的非饱和土在自然界中广泛存在。由于不同类型土的颗粒级配和矿物组成成分的不同,其强度特性存在较大的差异。为了建立一种适用于不同类型非饱和土的强度预测统一模型,本研究系统地分析了土体类型对非饱和土强度演化趋势的影响,在综合考虑两种常用模型优越性的基础上,提出了一种改进的非饱和土抗剪强度模型,同时,利用现有常用的强度模型,对不同类型土在广吸力范围内的强度特性进行了预测,并对拟合结果进行了对比分析。研究结果表明:(1)在广吸力范围内,不同类型土的强度演化规律可分为两类,山峰型和增长稳定型;(2)改进模型可以较为准确地预测不同类型土在广吸力范围内的强度特性;(3)明确了改进模型中各参数的物理意义,并初步给出了改进模型在应用于不同类型土时各参数取值的建议范围。