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。     

饱和度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量,不能直接考虑饱和度或含水率对非饱和土的应力-应变关系和强度的影响。在非饱和土三轴试验结果表明,即使在净应力和吸力路径相同的条件下,具有不同饱和度试样的应力-应变关系和强度也是不同的。其他条件相同时,试样饱和度越高,其应力比-应变关系曲线越高,强度越大。最新的水力-力学特性耦合的弹塑性本构模型可以定量地表示上述非饱和土的性质     

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。     

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。     

真三轴条件下Q3原状黄土的力学特性

为了模拟实际工程中黄土在不排水条件下的破坏,在控制含水率不变条件下,利用非饱和土真三轴仪对不同初始吸力非饱和原状黄土进行了等向固结试验和不同中主应力参数b值的剪切试验,研究了非饱和原状黄土的力学特性。研究结果表明：真三轴等向压缩屈服应力随着初始吸力的增大而增大,吸力随着净平均应力的增大而减小,净平均应力对吸力的影响程度随着初始吸力的增大而增大。不同 值条件下,广义剪应力和净平均应力破坏状态线近似呈平行直线关系,广义剪应力和有效净平均球应力试验点可归一为饱和土的排水剪切破坏状态线;剪切破坏时吸力随着b值的增大基本呈线性增大趋势;孔隙比和净平均应力对数临界状态线近似呈线性平行关系,其斜率比饱和土大,且大于等向压缩屈服前的斜率;非饱和土孔隙比和有效净平均球应力对数临界状态线与饱和土的临界状态线近似呈线性平行关系;不同净围压条件下,不同 值非饱和土与饱和土的破坏状态孔隙比的比值与气体饱和度的试验点分布于1.0～1.2的直线带内,但同一净有效球应力条件下可以归一为一条非线性曲线。     

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.     

Generalized stress framework for unsaturated soil: demonstration and discussion

The long-lived debate on the principle of effective stress is rooted in the obscure physical significance of stresses. For the sakes of clarifying stress concepts and establishing a reasonable principle of effective stress, unsaturated soil is divided into six phases and the bearing structure of it, named generalized soil structure, is defined based on considering soil as a special structure. Then the essence of effective stress equation, named stress relation equation, is derived according to analysis of interphase interactions and independent-phase equilibrium. The stress relation equation indicates the corresponding relation between two series of stress variables used in mixed and multiphase continuum models, respectively. Furthermore, a reasonable concept of suction stress is redefined to describe interparticle connection properties. Then, a generalized stress framework is constructed by associating stress relation equation with suction stress. After demonstrating the concept of neutral stress, a generalized principle of effective stress is established and the total soil skeleton stress is searched out, which is the predominant stress controlling the strength and deformation of soil. Finally, the collapse phenomenon is analyzed and the time- and spatial-dependent stress frameworks are developed.

     

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。     

非饱和土土力学工程应用方法

通过引入文[1]提出的广义朗肯土压力计算公式,本文针对非饱和土主动(被动)土压力计算问题提出了工程应用方法,能够把非饱和土土压力理论应用于实际工程。该方法可以推广到非饱和土地基承载力、边坡稳定等其他领域,从而为非饱和土土力学理论应用于工程实践提供了一个新的思路。     

Effective stress concept in unsaturated soils: Clarification and validation of a unified framework

The effective stress principle, conventionally applied in saturated soils, is reviewed for constitutive modelling purposes. The assumptions for the applicability of Terzaghi's single effective stress are recalled and its advantages are inventoried. The possible stress frameworks applicable to unsaturated soil modelling are reassessed in a comparative manner, specifically the Bishop's single effective stress, the independent stress variables approach and the generalized stress framework. The latter considerations lead to the definition of a unified stress context, suitable for modelling soils under different saturation states. In order to qualify the implications brought by the proposed stress framework, several experimental data sets are re‐examined in the light of the generalized effective stress. The critical state lines (CSLs) at different saturation states tend to converge remarkably towards a unique saturated line in the deviatoric stress versus mean effective stress plane. The effective stress interpretation is also applied to isotropic paths and compared with conventional net stress conception. The accent is finally laid on a second key feature for constitutive frameworks based on a unified stress, namely the sufficiency of a unique mechanical yield surface besides the unique CSL. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。