非飽和土力學(xué)

1、謝 定 義非飽和土基本特性的非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)與思考學(xué)習(xí)與思考西安理工大學(xué)巖土工程研究所 前言前言 第一個(gè)問(wèn)題第一個(gè)問(wèn)題，即材料特性問(wèn)題 特性與量測(cè) 研究非飽和土在其濕、密、構(gòu)、力狀態(tài)變化下， 強(qiáng)度發(fā)揮的規(guī)律與變形發(fā)展的規(guī)律， 包括 相態(tài)特性，吸力特性，應(yīng)力特性，滲透特性 強(qiáng)度特性，變形特性，本構(gòu)特性，固結(jié)特性 第二個(gè)問(wèn)題第二個(gè)問(wèn)題，即土體穩(wěn)定問(wèn)題 理論與應(yīng)用 研究非飽和土體在增減荷（應(yīng)力邊界條件變化）、 增減濕（流量邊界條件變化）耦合變化時(shí)的反應(yīng)，包括 土體滲流理論滲透穩(wěn)定問(wèn)題 土體極限平衡理論強(qiáng)度穩(wěn)定問(wèn)題 土體固結(jié)理論變形穩(wěn)定問(wèn)題 非飽和土力學(xué)非飽和土力學(xué)非飽和土力學(xué)非飽和土力學(xué)孔隙流

2、體系統(tǒng)孔隙流體系統(tǒng)液相 、氣相流動(dòng)規(guī)律（流動(dòng)模型） 土體骨架系統(tǒng)土體骨架系統(tǒng)固相、氣液交界面（收縮膜）變形規(guī)律（變形模型）對(duì)它應(yīng)該注意從變形和流動(dòng)兩方面的耦合影響來(lái)分析在非飽和土中在非飽和土中氣相的存在和液相的多少氣相的存在和液相的多少是非飽和土性質(zhì)復(fù)雜化的根本原因是非飽和土性質(zhì)復(fù)雜化的根本原因 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)1、非飽和土的相態(tài)特性非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)1、非飽和土的相態(tài)特性、非飽和土的相態(tài)特性自態(tài)、互態(tài)、變態(tài)自態(tài)、互態(tài)、變態(tài)三相的自態(tài)特性三相的自態(tài)特性 固相的顆粒大小級(jí)配（比表面積）、礦物成分、電性質(zhì)、松密狀態(tài) 液相的

3、型態(tài)（吸著水、結(jié)合水、自由水）、化學(xué)成分、冰水狀態(tài) 氣相的型態(tài)（吸附氣體、溶解氣體、密閉氣體、自由氣體）、 成份（主要是空氣，含量最多的是水汽、碳酸氣、氮?dú)狻?甲烷碳酸氣鐳以及其他，氧氣含量少） 連通情況（氣單連通、水單連通、水氣雙連通）三相的互態(tài)特性三相的互態(tài)特性固、液相之間雙電層（固相周圍受電分子力作用、由近向遠(yuǎn)漸變的吸著水層與結(jié)合水層） 氣、液相之間收縮膜（水與氣的交界面，或彎液面）固、氣、液相之間結(jié)構(gòu)性（表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，由粘聚力、咬合力、膠結(jié)力及吸力等組成，非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)1、非飽和土的相態(tài)特性、非飽和土的相態(tài)特性三相的變態(tài)特性三相的變態(tài)特性（溫度、壓力變化

4、引起的相變）液相的汽化、凝結(jié)、凍結(jié)氣相的溶解、擴(kuò)散固相的液化、軟化非飽和土的相態(tài)特性涉及到一系列重要定律： Fick定律 ， Darcy定律，Henry定律，亞佛加德羅定律，道爾頓(Dolton)分壓定律， Kelvin定律，熱力學(xué)第一定律，第二定律 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)1、非飽和土的相態(tài)特性、非飽和土的相態(tài)特性非飽和土的相態(tài)特性表明：非飽和土的相態(tài)特性表明：非飽和土三個(gè)組成相的相態(tài)特性決定了土的物理狀態(tài)（粒度、濕度、密度、構(gòu)度）和土的化學(xué)、電學(xué)性質(zhì)。它們和不同條件下壓力和溫度的變化相結(jié)合，可以使非飽和土的雙電層特性、收縮膜特性以及結(jié)構(gòu)性特性均發(fā)生相應(yīng)的綜合性變化，導(dǎo)致

5、了非飽和土十分復(fù)雜的力學(xué)性質(zhì)。非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)1、非飽和土的相態(tài)特性2、非飽和土的吸力特性、非飽和土的吸力特性非飽和土的土水勢(shì)一般包括非飽和土的土水勢(shì)一般包括溫度勢(shì)、壓力勢(shì)、重力勢(shì)、基質(zhì)勢(shì)和溶質(zhì)勢(shì)溫度勢(shì)、壓力勢(shì)、重力勢(shì)、基質(zhì)勢(shì)和溶質(zhì)勢(shì)在等溫、等壓、等高（不計(jì)重力）的情況下，土中水的溫度勢(shì)、壓力勢(shì)、重力勢(shì)保持不變，自由能的變化只有基質(zhì)勢(shì)和溶質(zhì)勢(shì)的變化。如將它們分別稱之為基質(zhì)吸力基質(zhì)吸力和溶質(zhì)吸力溶質(zhì)吸力，它們之和，即此時(shí)的自由能，稱為總吸力總吸力，則有 總吸力等于基質(zhì)吸力與溶質(zhì)吸力之和總吸力等于基質(zhì)吸力與溶質(zhì)吸力之和 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)2、非飽和土的吸力特性基質(zhì)吸力基質(zhì)吸力土中水自由能

6、的毛細(xì)部分（對(duì)純水）,來(lái)源于表面張力.表面張力愈大，彎液面曲率愈小。為了維持彎曲型收縮膜的平衡，收縮膜氣一側(cè)的應(yīng)力為正壓力，為了維持彎曲型收縮膜的平衡，收縮膜氣一側(cè)的應(yīng)力為正壓力，收縮膜水一側(cè)的應(yīng)力為負(fù)壓力，它們的差值即為基質(zhì)吸力收縮膜水一側(cè)的應(yīng)力為負(fù)壓力，它們的差值即為基質(zhì)吸力.基質(zhì)吸力是非飽和土三相活動(dòng)最實(shí)質(zhì)、最活躍的代表?；|(zhì)吸力是非飽和土三相活動(dòng)最實(shí)質(zhì)、最活躍的代表。將基質(zhì)吸力引入到非飽和土及土體變形強(qiáng)度穩(wěn)定的研究與分析中去是當(dāng)前非飽和力學(xué)研究發(fā)展的一條基本線索非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)2、非飽和土的吸力特性非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)2、非飽和土的吸力特性溶質(zhì)吸力溶質(zhì)吸力土中水自由能的溶質(zhì)部分

7、（對(duì)溶劑）來(lái)源于溶質(zhì)濃度，溶質(zhì)的濃度愈大，溶劑平面上方的蒸氣壓比純水平面上方的蒸氣壓愈小，即相對(duì)濕度愈小，水從濃度的高梯度向低梯度的滲透作用愈強(qiáng)，溶質(zhì)吸力愈大。純水表現(xiàn)出從溶液中吸水補(bǔ)充自己的能力，稱為溶質(zhì)吸力、或滲透吸力，或滲析吸力。 總吸力總吸力總吸力與相對(duì)濕度呈線性關(guān)系(Aitchison,1965)，故蒸汽壓力可量測(cè)總吸力。蒸汽壓力愈大，相對(duì)濕度愈大，總吸力愈大。如果在測(cè)定土的基質(zhì)吸力時(shí)，如果在測(cè)定土的基質(zhì)吸力時(shí)，土中的水已經(jīng)是含有一定溶質(zhì)的自然條件下的水，土中的水已經(jīng)是含有一定溶質(zhì)的自然條件下的水，則測(cè)得的吸力已非常接近總吸力。則測(cè)得的吸力已非常接近總吸力。 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)2

8、、非飽和土的吸力特性 土水特征曲線土水特征曲線基質(zhì)吸力與濕度狀態(tài)（飽和度、重量含水量、體積含水量）之間的關(guān)系 。干燥曲線（飽和減濕曲線）要高于浸濕曲線（干燥增濕曲線），二者形成滯回圈形態(tài)，表明一個(gè)飽和度可以對(duì)應(yīng)于兩個(gè)基質(zhì)吸力值。一個(gè)飽和度可以對(duì)應(yīng)于兩個(gè)基質(zhì)吸力值。對(duì)于干燥、增濕往返作用時(shí)干燥曲線與增濕曲線的變化特性也成了人們開始注意的問(wèn)題。已提出了由干燥曲線預(yù)測(cè)增濕曲線，或由增濕曲線預(yù)測(cè)干燥曲線的方法（Phan H。Q，2003) 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)2、非飽和土的吸力特性土水特征曲線形態(tài)的重要參數(shù)土水特征曲線形態(tài)的重要參數(shù)由于土中的水分可以有結(jié)晶水、吸著水、結(jié)合水（薄膜水）和自由水等具有不

9、同屬性的不同類型。含水量變化時(shí)，土中水有不同的類型，氣有不同的連通， 從而造成了土水特征曲線的復(fù)雜形態(tài)，出現(xiàn)了一系列的重要特征參數(shù)。對(duì)飽和度Sr有殘余飽和度殘余飽和度 和有效飽和度和有效飽和度 。對(duì)吸力S有氣浸入值氣浸入值（進(jìn)氣壓力值）Sa 和水浸入值水浸入值 Sw。非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)2、非飽和土的吸力特性殘余飽和度殘余飽和度殘余飽和度反映了土中結(jié)合水的實(shí)質(zhì)，飽和度低于它時(shí)不會(huì)再對(duì)已經(jīng)很高的吸力有所影響，飽和度大于它時(shí)，飽和度的少許增大可以使吸力大幅度降低，反映了毛細(xì)水以至重力水的出現(xiàn)和增多，使相鄰的彎液面由擴(kuò)大，相連，至完全飽和時(shí)消失。有效飽和度有效飽和度為由殘余飽和度起算的飽和度稱為有

10、效飽和度。有效飽和度為零時(shí)的吸力稱為有效吸力。還有孔隙大小分布指數(shù)它是孔隙大小分布指數(shù)它是有效飽和度與吸力雙對(duì)數(shù)關(guān)系曲線的斜率，數(shù)值愈大，表示孔隙尺寸的分布范圍愈窄，孔隙愈均勻。非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)2、非飽和土的吸力特性氣浸入值氣浸入值（進(jìn)氣壓力值） Sa氣開始入浸土的孔隙使重力水排出時(shí)對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力。實(shí)用上，它對(duì)應(yīng)于脫濕時(shí)的吸力曲線在高飽和度下的拐點(diǎn)，它是土中最大孔隙尺寸的一種量度，水浸入值水浸入值 Sw重力水開始入浸土孔隙時(shí)所對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力。實(shí)用上，它對(duì)應(yīng)于增濕曲線在高飽和度下的拐點(diǎn)。 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)2、非飽和土的吸力特性影響土水特征曲線的因素影響土水特征曲線的因素土水特征曲線一

11、直是土壤學(xué)土壤學(xué)研究的重要問(wèn)題，它只研究了基質(zhì)吸力與含水量的關(guān)系。從土力學(xué)土力學(xué)的角度，基質(zhì)吸力不只與含水量有關(guān)。土的干密度、初始結(jié)構(gòu)、擾動(dòng)情況，增濕與加載歷史（正常干燥與超干燥等），甚至土中的應(yīng)力狀態(tài)的變化，都會(huì)影響到基質(zhì)吸力的測(cè)值或土水特征曲線的變化。對(duì)不同的應(yīng)力應(yīng)變歷史，土水特征曲線的滯回曲線可有邊界滯回曲線（邊界干燥曲線和邊界增濕曲線），有主滯回曲線，甚至二次滯回曲線。 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)2、非飽和土的吸力特性3、非飽和土的應(yīng)力特性、非飽和土的應(yīng)力特性明確確定非飽和土的應(yīng)力特性是研究應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及強(qiáng)度問(wèn)題的基礎(chǔ)。非飽和土的應(yīng)力特性研究必須首先正確揭示和反映收縮膜張力、孔隙水壓力、孔

12、隙氣壓力及基質(zhì)吸力間的特點(diǎn)、實(shí)質(zhì)聯(lián)系及其對(duì)土骨架變形強(qiáng)度變化的作用機(jī)理。非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)3、非飽和土的應(yīng)力特性非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)3、非飽和土的應(yīng)力特性單一有效應(yīng)力型的應(yīng)力狀態(tài)變量單一有效應(yīng)力型的應(yīng)力狀態(tài)變量人們?cè)趯で蠓秋柡屯恋膽?yīng)力狀態(tài)變量時(shí)，首先想到了單一有效應(yīng)力型的應(yīng)力狀態(tài)變量它不是一般的純力學(xué)量，而是一個(gè)材料有關(guān)的力學(xué)量，與材料的本構(gòu)關(guān)系有著密切的聯(lián)系（如飽和土力學(xué)中的有效應(yīng)力）。研究提出具有真實(shí)合理性的有效應(yīng)力表達(dá)式是當(dāng)前的主要任務(wù)。對(duì)已經(jīng)提出的各種表達(dá)式還需要作出認(rèn)真的選擇與檢驗(yàn)。雙應(yīng)力型的應(yīng)力狀態(tài)變量雙應(yīng)力型的應(yīng)力狀態(tài)變量 當(dāng)前，雙應(yīng)力型的應(yīng)力狀態(tài)變量得到了廣泛的傳播與應(yīng)用

13、。它用凈總應(yīng)力和基質(zhì)吸力作為兩個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力狀態(tài)變量。它是一種純粹力學(xué)量，與材料性質(zhì)無(wú)關(guān)（如固體力學(xué)中的應(yīng)力）。對(duì)用它研究非飽和土變形強(qiáng)度的理論與方法也需要作出進(jìn)一步的完善與分析非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)3、非飽和土的應(yīng)力特性對(duì)應(yīng)力特性的一些新探討對(duì)應(yīng)力特性的一些新探討 收縮膜張力、孔隙水壓力、孔隙氣壓力及基質(zhì)吸力的 特點(diǎn)、實(shí)質(zhì)聯(lián)系與力學(xué)效應(yīng)問(wèn)題涉及到對(duì)于非飽和土承擔(dān)荷載的機(jī)理，對(duì)于孔隙水壓力、孔隙氣壓力與基質(zhì)吸力以及對(duì)于收縮膜張力的認(rèn)識(shí)非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)3、非飽和土的應(yīng)力特性關(guān)于非飽和土承擔(dān)荷載的機(jī)理關(guān)于非飽和土承擔(dān)荷載的機(jī)理 土骨架、孔隙水、孔隙氣各自應(yīng)力的大小應(yīng)該取決于各自的相對(duì)壓縮性。

14、在孔隙流體不能排出的條件下，土受力后的孔隙水壓力和孔隙氣壓力的增量是一種超孔隙壓力（超過(guò)加荷前土中孔隙水壓力和孔隙氣壓力的值）；在容許孔隙流體排出的條件下，這種超孔隙壓力會(huì)隨時(shí)間的增長(zhǎng)和土的壓密而逐漸消散，使各相所承擔(dān)應(yīng)力的比例協(xié)調(diào)地發(fā)生變化，最終，在消散終結(jié)時(shí)，荷載仍全部由土骨架（包括收縮膜）來(lái)承擔(dān)。飽和土在消散終結(jié)時(shí)飽和土在消散終結(jié)時(shí),孔隙壓力，即孔隙水壓力等于零?？紫秹毫?，即孔隙水壓力等于零。非飽和土在消散終結(jié)時(shí)非飽和土在消散終結(jié)時(shí),孔隙壓力，即孔隙水壓力和孔隙氣壓力孔隙壓力，即孔隙水壓力和孔隙氣壓力都不會(huì)等于零。都不會(huì)等于零。它們?nèi)匀灰Ａ糁c土達(dá)到固結(jié)時(shí)的濕密狀態(tài)相對(duì)應(yīng)、且與此時(shí)變化

15、了的收縮膜狀態(tài)相平衡的孔隙水壓力和孔隙氣壓力值，它們是該狀態(tài)下土物理屬性的反映。非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)3、非飽和土的應(yīng)力特性非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)3、非飽和土的應(yīng)力特性關(guān)于孔隙水壓力、孔隙氣壓力及基質(zhì)吸力關(guān)于孔隙水壓力、孔隙氣壓力及基質(zhì)吸力 Wheeler S。J。 et al （2003）認(rèn)為Bishop的有效應(yīng)力公式反映了總應(yīng)力、充氣孔隙中的孔隙氣壓力以及充水孔隙中的孔隙水壓力對(duì)土顆粒骨架所傳遞應(yīng)力的貢獻(xiàn)，并假定三者在顆粒接觸點(diǎn)處對(duì)力產(chǎn)生相同的變化，它沒有反映彎液面環(huán)狀水的存在所提供的穩(wěn)定影響，因此，需要再有第二個(gè)應(yīng)力狀態(tài)變量來(lái)直接或間接地反映彎液面環(huán)狀水的影響他依據(jù)他依據(jù)Houlsby(

16、1997)關(guān)于非飽和土單位體積上關(guān)于非飽和土單位體積上所出入的能量增量關(guān)系采用了孔隙比與基質(zhì)吸力的乘積所出入的能量增量關(guān)系采用了孔隙比與基質(zhì)吸力的乘積作為第二個(gè)應(yīng)力狀態(tài)變量，在應(yīng)力空間內(nèi)作為第二個(gè)應(yīng)力狀態(tài)變量，在應(yīng)力空間內(nèi)來(lái)研究非飽和土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。來(lái)研究非飽和土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)4、非飽和土的強(qiáng)度特性孔隙水壓力和孔隙氣壓力分別在土的孔隙水體和孔隙氣體中是各向等壓的靜水壓力型應(yīng)力孔隙水壓力和孔隙氣壓力各自作用在其與土顆粒接觸部分的表面上，其差值對(duì)土骨架的作用不會(huì)是各處相等的。當(dāng)孔隙水為彎液面環(huán)狀水時(shí)，吸力只在接觸點(diǎn)的法向上作用；當(dāng)孔隙水為有彎液面的體積水時(shí)，所產(chǎn)生的吸力

17、必然有法向和切向兩個(gè)方向上分力的作用。國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了濕吸力與牽引力的提法（湯連生）?；|(zhì)吸力不能一般地作為靜水壓力型應(yīng)力。非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)3、非飽和土的應(yīng)力特性非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)3、非飽和土的應(yīng)力特性關(guān)于收縮膜張力關(guān)于收縮膜張力收縮膜張力直接通過(guò)它與土骨架的接觸點(diǎn)作用在土的骨架上，在它兩側(cè)的孔隙水壓力和孔隙氣壓力既確定了收縮膜的形狀，或收縮膜張力的作用方向，又確定了收縮膜張力的大小。因此，基質(zhì)吸力只是收縮膜張力在土骨架上作用大小的一種量度，它卻沒有反映作為力三要素中關(guān)于收縮膜張力作用方向和作用點(diǎn)的特性。收縮膜張力在土骨架上的作用其實(shí)是有方向性的（非靜水壓力型）。在用基質(zhì)吸力研究非飽和土

18、中力的作用時(shí)，不能將它視為各向均等的。非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)3、非飽和土的應(yīng)力特性Li X.I (2003)將有效應(yīng)力表示為凈應(yīng)力項(xiàng)與一個(gè)吸力相關(guān)、且能反映基質(zhì)吸力剪切效應(yīng)項(xiàng)之和。認(rèn)為對(duì)非飽和土，土顆粒的一部分上作用有孔隙氣壓力，另一部分上作用有孔隙水壓力，它們的作用一般是不平衡的、變化的，而且它的方向并不與凈應(yīng)力的方向相一致，明確了基質(zhì)吸力可引起一種剪切效應(yīng)的結(jié)論。本文作者(1999)用有效球應(yīng)力和有效偏應(yīng)力表示的有效應(yīng)力型應(yīng)力狀態(tài)變量明確地表明了以基質(zhì)吸力反映的收縮膜張力為非靜水壓力型應(yīng)力的這種特性。4、非飽和土的強(qiáng)度特性、非飽和土的強(qiáng)度特性基本思路基本思路 非飽和土的抗剪強(qiáng)度被視為符合庫(kù)

19、侖強(qiáng)度公式，并等于土飽和時(shí)抗剪強(qiáng)度與非飽和土基質(zhì)吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)（稱為吸附強(qiáng)度）之和，因飽和土抗剪強(qiáng)度表達(dá)式已經(jīng)很清楚，故非飽和土抗剪強(qiáng)度的研究工作就主要集中在吸附強(qiáng)度正確的表示方法和形式上。非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)4、非飽和土的強(qiáng)度特性吸附強(qiáng)度的表達(dá)式吸附強(qiáng)度的表達(dá)式 目前提出了很多的強(qiáng)度的表達(dá)式，其中以Bishop表達(dá)和Fredlund表達(dá)式最為著名。在其它一些研究者所提出的表達(dá)式中，在其它一些研究者所提出的表達(dá)式中，有的反映了有效基質(zhì)吸力的影響，如Mckee&Bumb表達(dá)式（1984），Brooks&Corey表達(dá)式（1964）， 有的反映了吸附強(qiáng)度的非線性，如Fredlund&Xin

20、g表達(dá)式（1994），YuShenggang等的表達(dá)式（1998），沈珠江表達(dá)式（1996）有的反映了殘余飽和度的影響，如Vanapalli,表達(dá)式（1998） 有的作了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，如盧肇鈞表達(dá)式（1992），李靖等的表達(dá)式（1997）非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)4、非飽和土的強(qiáng)度特性吸附強(qiáng)度的求取的其他思路吸附強(qiáng)度的求取的其他思路Parashar,S.P.等（1994）將非飽和土的UU強(qiáng)度（應(yīng)變速率為 1.52mm/min.，破壞歷時(shí)小于2mim）和飽和后的CD強(qiáng)度（應(yīng)變速率0.004mm/min）之差視為吸力對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn) Fredlund（1994）提出用土水特征曲線來(lái)確定抗剪強(qiáng)度的方法， 以反

21、映強(qiáng)度隨吸力變化的非線性。在吸力小于進(jìn)氣壓力值時(shí)，含水量的變化不大，吸力在發(fā)揮剪阻力方面與凈法向應(yīng)力的效用相同；在吸力高于進(jìn)氣壓力值時(shí)，吸力對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)隨含水量的減小而降低，呈非線性變化。 賈其軍（2004）由于土平均粒徑愈細(xì)，吸力引起的吸附強(qiáng)度愈大，土粒的級(jí)配愈好吸力帶來(lái)的影響愈大，故可以從土的顆粒與級(jí)配出發(fā)，研究任意排列不等粒徑顆粒間收縮膜張力在粒間引起的有效附加應(yīng)力，將它乘以內(nèi)摩擦系數(shù)即為土的吸附強(qiáng)度。非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)4、非飽和土的強(qiáng)度特性雖然非飽和土強(qiáng)度表達(dá)式的多樣性雖然非飽和土強(qiáng)度表達(dá)式的多樣性往往使人難予作出正確的選擇，往往使人難予作出正確的選擇，但無(wú)論如何，但無(wú)論如何，在非

22、飽和土抗剪強(qiáng)度的研究中開始考慮到在非飽和土抗剪強(qiáng)度的研究中開始考慮到它的非線性、結(jié)構(gòu)性殘余飽和度的影響等，它的非線性、結(jié)構(gòu)性殘余飽和度的影響等，并努力尋求合適的有效應(yīng)力表達(dá)式并努力尋求合適的有效應(yīng)力表達(dá)式是一個(gè)很好的現(xiàn)象。是一個(gè)很好的現(xiàn)象。非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)4、非飽和土的強(qiáng)度特性非飽和土在干、濕循環(huán)時(shí)的非飽和土在干、濕循環(huán)時(shí)的抗剪強(qiáng)度曲線抗剪強(qiáng)度曲線 非飽和土在干、濕循環(huán)時(shí)的抗剪強(qiáng)度曲線也有滯回圈型的變化正常干燥樣與超干燥樣的強(qiáng)度曲線不同。超干燥樣的曲線在正常干燥樣曲線形成的主圈以內(nèi)，且干、濕的兩枝基本平行。對(duì)比于超干燥樣的曲線，正常干燥樣的曲線在低基質(zhì)吸力時(shí)偏高，在高基質(zhì)吸力時(shí)偏低。非飽

23、和土基本特性的學(xué)習(xí)4、非飽和土的強(qiáng)度特性將非飽和土強(qiáng)度歸結(jié)為飽和土強(qiáng)度與吸附強(qiáng)度之和的基本思路，對(duì)于無(wú)、或弱結(jié)構(gòu)性的非飽和土是基本正確的。對(duì)于結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)的非飽和土，上述的基本思路尚有進(jìn)一步考慮并探求直接測(cè)取非飽和土抗剪強(qiáng)度方法的必要。因不同初始含水量下的非飽和土在應(yīng)力固結(jié)或水分增減后的密度、結(jié)構(gòu)狀態(tài)均會(huì)有所不同，故即使最終均達(dá)到了飽和，其所測(cè)得的凝聚力和內(nèi)摩擦角會(huì)不是一個(gè)常值。 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)4、非飽和土的強(qiáng)度特性5、非飽和土的滲透特性、非飽和土的滲透特性基本定理基本定理非飽和土的滲透特性要研究非飽和土中孔隙水和孔隙氣兩種流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。（通常，水、氣的運(yùn)動(dòng)在等溫條件下討論）水的運(yùn)動(dòng)服

24、從以流量變化為基礎(chǔ)的Darcy定理（滲水速度與水的滲透梯度成正比，比例常數(shù)為滲水系數(shù)kw）氣的運(yùn)動(dòng)服從以質(zhì)量變化為基礎(chǔ)的Fick定理（滲氣的質(zhì)量速度與空氣質(zhì)量濃度梯度成正比，比例常數(shù)為空氣的傳導(dǎo)系數(shù)Da（也可用Darcy定理）非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)5、非飽和土的滲透特性滲透函數(shù)滲透函數(shù)既然非飽和土的滲透特性可以用滲水系數(shù)、既然非飽和土的滲透特性可以用滲水系數(shù)、滲氣系數(shù)來(lái)表示，那么滲氣系數(shù)來(lái)表示，那么研究非飽和土的滲透特性常需要建立研究非飽和土的滲透特性常需要建立滲水系數(shù)、滲氣系數(shù)與土性參數(shù)滲水系數(shù)、滲氣系數(shù)與土性參數(shù)（粒度、密度、濕度、結(jié)構(gòu)參數(shù)）（粒度、密度、濕度、結(jié)構(gòu)參數(shù)）之間的關(guān)系，稱之為

25、滲透函數(shù)。之間的關(guān)系，稱之為滲透函數(shù)。在水單連通的土中是滲水，要建立滲水的滲透函數(shù)在氣單連通的土中是滲氣，要建立滲氣的滲透函數(shù)在水、氣雙連通的土中，既有滲水，又有滲氣，要建立滲水、滲氣的滲透函數(shù)非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)5、非飽和土的滲透特性滲水和滲氣的滲透函數(shù)滲水和滲氣的滲透函數(shù)當(dāng)對(duì)一定的土在其密度無(wú)變化的情況下研究時(shí)，滲透函數(shù)只是濕度（吸力或飽和度）的函數(shù)（結(jié)構(gòu)和粒度的影響包含在函數(shù)的參數(shù)中）。對(duì)它們已經(jīng)提出了一系列的統(tǒng)計(jì)模型（Mualen做過(guò)總結(jié)性的工作，1986）。對(duì)滲水有 Garderner&Fireman（195Philip（1986），Arbhablirama&Kridakonn（1

26、968），Gardner（1956），Davidson（1969），Compbell（1956）等及其它。對(duì)滲氣有 Brooks&Corey的關(guān)系式等。對(duì)密度有變化時(shí)滲水的滲透函數(shù)也做了一些研究，如Mitchell, et al（1965）式，Donglas and Mckyes式（1978,膨脹粘土），Lloretet.and Alonso式（1980）以及Chang and Duncan式（1983）等，但深入的研究不多。 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)5、非飽和土的滲透特性滲透函數(shù)與土水特征曲線滲透函數(shù)與土水特征曲線關(guān)于非飽和土滲透函數(shù)的研究多以土水特征曲線為基礎(chǔ)建立相對(duì)滲透系數(shù)（某一含水量下滲

27、透系數(shù)對(duì)飽和含水量下滲透系數(shù)之比）與含水量、吸力之間的關(guān)系，并且引入了土水特征曲線的一系列特征參數(shù)。但不同滲透函數(shù)與不同土水特征曲線相的組合適應(yīng)于不同的土類非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)5、非飽和土的滲透特性Agus S .S.等比較了：土水特征曲線型式土水特征曲線型式（Gardner,1958; Van Genachte1980; Fredlund&Xing,1994）與滲透函數(shù)型式滲透函數(shù)型式(ChildsCollisGeorge,1950; Burdine,1953; Mualen,1976)的組合得出：得出：對(duì)不同土類來(lái)說(shuō)，CCG函數(shù)與FX曲線的組合對(duì)粘土的相關(guān)最高;M函數(shù)與FX曲線的組合對(duì)砂

28、土的相關(guān)最高;修正的CCG函數(shù)比CCG函數(shù)更好;對(duì)砂土比粘土更高；對(duì)于不同的飽和度來(lái)說(shuō)，CCG函數(shù)與G曲線的組合在0。81。0間相關(guān)最高;CCG函數(shù)與FX曲線的組合在00。2間相關(guān)最高;M函數(shù)與+FX曲線的組合在0。20。8間相關(guān)最高，并且得到了對(duì)前面三種函數(shù)的一般表達(dá)形式，非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)5、非飽和土的滲透特性流體的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)流體的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)流體的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)包括氣相的過(guò)水?dāng)U散和液相的化學(xué)擴(kuò)散，也是非飽和土滲透性研究的內(nèi)容。也是非飽和土滲透性研究的內(nèi)容。 研究表明：氣相的過(guò)水?dāng)U散可用Fick定理（氣相通過(guò)水?dāng)U散時(shí)，擴(kuò)散質(zhì)量的流動(dòng)率與擴(kuò)散空氣的濃度梯度成比例）液相的化學(xué)擴(kuò)散也可用Fick定理（化

29、學(xué)物質(zhì)濃度為C的水向純水中擴(kuò)散時(shí)，擴(kuò)散質(zhì)量的流動(dòng)率與化學(xué)物質(zhì)濃度梯度成正比） 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)5、非飽和土的滲透特性6、非飽和土的變形特性、非飽和土的變形特性體積變形理論體積變形理論氣相的壓縮為土體變形的主要來(lái)源，它不僅量大，而且完成也很快，使得液相的壓縮，無(wú)論在變形量上，還是在變形速率上，均處于次要地位。從而使研究非飽和土體積變形理論的工作得到了較廣泛的重視（偏應(yīng)力部分只引起形變，而不引起體變，在體積變形理論中可將其忽略，只考慮球應(yīng)力的影響）本構(gòu)模型理論本構(gòu)模型理論用體積變形理論得不到土在不同方向上的變形量，非飽和土本構(gòu)理論的研究也同樣得到了普遍的重視，彈塑性本構(gòu)模型的研究成了彈塑性本

30、構(gòu)模型的研究成了當(dāng)代本構(gòu)理論研究的主流當(dāng)代本構(gòu)理論研究的主流 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)6、非飽和土的變形特性非飽和土的體積變形理論非飽和土的體積變形理論應(yīng)力狀態(tài)變量應(yīng)力狀態(tài)變量雙應(yīng)力變量的靜總應(yīng)力和基質(zhì)吸力變形狀態(tài)變量變形狀態(tài)變量孔隙比的變化（或體應(yīng)變的變化） 含水量的變化（或體積含水量的變化）建立的應(yīng)力狀態(tài)變量與變形狀態(tài)變量之間的關(guān)系：建立的應(yīng)力狀態(tài)變量與變形狀態(tài)變量之間的關(guān)系：孔隙比本構(gòu)面孔隙比本構(gòu)面（土骨架本構(gòu)面）只在單調(diào)加、卸荷時(shí)有唯一性含水量本構(gòu)面含水量本構(gòu)面（液相本構(gòu)面）只在單調(diào)增、減濕時(shí)有唯一性 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)6、非飽和土的變形特性、非飽和土的變形特性

31、土骨架本構(gòu)面、液相本構(gòu)面有不同的形式 各種形式中的土性參數(shù)均需通過(guò)等吸力試驗(yàn)與等凈總應(yīng)力試驗(yàn)求得。加荷條件不同（如單軸加荷、三軸加荷、等壓加荷、平面應(yīng)力加荷、加荷條件不同（如單軸加荷、三軸加荷、等壓加荷、平面應(yīng)力加荷、平面應(yīng)變加荷、以及平面應(yīng)變加荷、以及K0加荷等）加荷等）都會(huì)得到不同的土性參數(shù)值，都會(huì)得到不同的土性參數(shù)值，加荷與卸荷、增濕與減濕也會(huì)對(duì)參數(shù)有影響。加荷與卸荷、增濕與減濕也會(huì)對(duì)參數(shù)有影響。非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)6、非飽和土的變形特性 非飽和土的本構(gòu)模型理論非飽和土的本構(gòu)模型理論應(yīng)該既建立土骨架的本構(gòu)模型，即骨架的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系方程，稱為變形模型；又建立流體的本構(gòu)模型，即流體的梯度

32、與流量關(guān)系方程，稱為流動(dòng)模型。這兩種本構(gòu)關(guān)系都含有孔隙水壓力和孔隙氣壓力，二者之間用吸力狀態(tài)方程來(lái)協(xié)調(diào)。非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)6、非飽和土的變形特性 流體的本構(gòu)模型流體的本構(gòu)模型流動(dòng)模型（流體的梯度與流量關(guān)系方程，含吸力）液相的連續(xù)方程，氣相的連續(xù)方程液相運(yùn)動(dòng)方程，氣相運(yùn)動(dòng)方程土骨架的本構(gòu)模型土骨架的本構(gòu)模型變形模型（骨架的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系方程，含吸力）非線性彈性模型，彈塑性模型，結(jié)構(gòu)損傷模型非線性彈性模型，彈塑性模型，結(jié)構(gòu)損傷模型因流動(dòng)模型均較容易寫出，故變形模型成了本構(gòu)模型研究的中心。故變形模型成了本構(gòu)模型研究的中心。 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)6、非飽和土的變形特性非飽和土的非線性彈性模型非飽

33、和土的非線性彈性模型 關(guān)鍵是確定切線模量和切線泊桑比，通常以Duncan&Chang模型為基礎(chǔ)，但需將吸力的影響在確定切線模量或切線泊桑比時(shí)反映進(jìn)去對(duì)此，不同的學(xué)者采用了不同的方法，F(xiàn)redlund-Rahardgio在計(jì)算壓縮的切線模量時(shí)，將吸力的影響反映在應(yīng)力上，（強(qiáng)度仍采用Bishop的強(qiáng)度公式）。陳正漢陳正漢在計(jì)算壓縮的切線模量時(shí)，將吸力的影響既反映在應(yīng)力上（ 但用Fredlund的強(qiáng)度公式），又反映在Duncan&Chang模型的模量系數(shù)k上，而且，對(duì)吸力和圍應(yīng)力分別得到了土骨架的體積切線模量和液相的體積切線模量的表達(dá)式。沈珠江沈珠江將吸力的影響反映在應(yīng)力上（對(duì)Et仍用Fredlun

34、d的思路），但用Mt代替了切線泊桑比,Gatmiri&Delage采用EK模型，直接引入吸力來(lái)計(jì)算體積切線模量Kt,，Robert Lytton采用E-模型,將應(yīng)力利用八面體應(yīng)力表示， 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)6、非飽和土的變形特性非飽和土的彈塑性模型（非飽和土的彈塑性模型（Alonso模型）模型）應(yīng)力狀態(tài)變量球應(yīng)力，基質(zhì)吸力應(yīng)變狀態(tài)變量球應(yīng)變，偏應(yīng)變，應(yīng)變均分為彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變，而且考慮應(yīng)力對(duì)應(yīng)變之間的交叉影響。假定吸力不引起偏應(yīng)變時(shí)，只需求出6個(gè)應(yīng)變與應(yīng)力之間的關(guān)系。 *在q=0時(shí)的s-p平面內(nèi)，有LC和SI兩類屈服面：將它們的硬化參量與土的塑性應(yīng)變聯(lián)系起來(lái)，可得新的后繼屈服面。*在q不等

35、于零時(shí)一定吸力下q p平面內(nèi)的屈服面隨硬化參量p0而變化， 上述在s-p平面和p-q平面內(nèi)的屈服面用 -ps=-ks , 了聯(lián)系起來(lái)。 本模型適用于略具膨脹性的低塑性非飽和土（沙、粉沙、粘質(zhì)沙、沙質(zhì)粘土及粘土）。由于用了硬化塑性理論和極限狀態(tài)模型，對(duì)反應(yīng)強(qiáng)烈的應(yīng)力路徑依賴性提供了改進(jìn)。 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)6、非飽和土的變形特性非飽和土的彈塑性模型（非飽和土的彈塑性模型（Kato Matsuoka模型）模型） Matsuoka 在SMP平面（Strength Mobilized Plane，稱為強(qiáng)度發(fā)揮面）上研究本構(gòu)模型。應(yīng)力狀態(tài)變量應(yīng)力狀態(tài)變量：SMP平面上的轉(zhuǎn)換正應(yīng)力和轉(zhuǎn)換剪應(yīng)力（綜合考

36、慮了非飽和土的粘結(jié)應(yīng)力，含吸力的影響）應(yīng)變狀態(tài)變量應(yīng)變狀態(tài)變量：SMP平面上的正應(yīng)變?cè)隽亢图魬?yīng)變?cè)隽繌椝苄宰冃蔚膹椝苄宰冃蔚膹椥圆糠钟梢话銖椥岳碚摲椒ǖ玫?，由一般彈性理論方法得到，彈塑性變形的彈塑性變形的塑性部分塑性部分有球?yīng)力有球應(yīng)力引起的塑性應(yīng)變引起的塑性應(yīng)變 和偏應(yīng)力引起的塑性應(yīng)變，按塑性理論得到。和偏應(yīng)力引起的塑性應(yīng)變，按塑性理論得到。非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)6、非飽和土的變形特性非飽和土的彈塑性體積變化模型（非飽和土的彈塑性體積變化模型（Gallipoli D） 基本應(yīng)力變量采用基本應(yīng)力變量采用Bishop的有效應(yīng)力，的有效應(yīng)力，但認(rèn)為Bishop有效應(yīng)力公式只考慮了流體壓力改變對(duì)骨架

37、應(yīng)力的作用，未能反映彎液水結(jié)合法向力的作用，又引入了一個(gè)結(jié)合變量結(jié)合變量從單個(gè)彎液水穩(wěn)定法向力的大小與彎液水接觸點(diǎn)數(shù)目的多少兩方面反映了彎液水結(jié)合法向力的作用，在應(yīng)力空間內(nèi)建立了正常壓縮狀態(tài)面，基本變形變量采用孔隙比基本變形變量采用孔隙比再假定由孔隙比e 改變的彈性部分增量表達(dá)式與等向平均骨架應(yīng)力和結(jié)合變量有關(guān)，得到了孔隙比e 改變的塑性部分的增量的表達(dá)式。 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)6、非飽和土的變形特性非飽和土的結(jié)構(gòu)性模型非飽和土的結(jié)構(gòu)性模型建立一種在增荷與增濕作用下，既考慮滑移，又考慮膠結(jié)力破壞過(guò)程中結(jié)構(gòu)變形的結(jié)構(gòu)性模型結(jié)構(gòu)性模型是一種新的、有吸引力的方向 結(jié)構(gòu)性土的變形：結(jié)構(gòu)性土的變形：

38、接觸點(diǎn)靠緊的變形（整體結(jié)構(gòu)完好，弱處少量破壞，彈性和松弛距離再靠近）接觸點(diǎn)滑移的變形（先是膠結(jié)薄弱處破損，再是塊體逐漸碎小，剪切滑移漸大）接觸點(diǎn)固化的變形（水膜變薄，孔隙減小，后期的孔隙水壓力消散非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)6、非飽和土的變形特性非飽和土的結(jié)構(gòu)性模型非飽和土的結(jié)構(gòu)性模型（沈珠江沈珠江） 復(fù)合體模型復(fù)合體模型 ：由土的原狀部分（理想彈性體）和損傷部分（彈塑性體）共同承擔(dān)荷載 堆砌體模型：堆砌體模型： 土的應(yīng)變?yōu)閺椝苄詰?yīng)變（有效應(yīng)力增加引起 的）與損傷應(yīng)變（土顆粒破碎引起的）之和 統(tǒng)一變形模型統(tǒng)一變形模型 ：土的變形為飽和擾動(dòng)土的變形（用彈塑性 模型，有效應(yīng)力）和非飽和原狀土吸力喪失引起

39、的變 形（隨廣義吸力的喪失，土孔隙比逐漸趨于穩(wěn)定孔隙比，即趨于飽和擾動(dòng)土的孔隙比）之和破損介質(zhì)模型破損介質(zhì)模型由土的結(jié)構(gòu)塊（應(yīng)力為膠結(jié)應(yīng)力， 線彈性體性質(zhì)）與結(jié)構(gòu)帶（應(yīng)力為摩擦應(yīng)力，損傷體性質(zhì)）共同承擔(dān)荷載 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)6、非飽和土的變形特性此外，此外，國(guó)內(nèi)還有從不同角度提出的模型國(guó)內(nèi)還有從不同角度提出的模型繆林昌用飽和度場(chǎng)代替吸力場(chǎng)，將殷宗澤的雙屈服面模型（橢圓形的體積屈服面和拋物線型的剪切屈服面）推廣到非飽和土，代表了一種有意義的思路。 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)6、非飽和土的變形特性7、非飽和土體的固結(jié)特性、非飽和土體的固結(jié)特性非飽和土的固結(jié)過(guò)程非飽和土的固結(jié)過(guò)程固結(jié)過(guò)程固結(jié)過(guò)程是

40、由荷載施加，應(yīng)力增長(zhǎng)，骨架變形，氣相壓縮，水、氣逐漸排出，土骨架應(yīng)力逐漸增大，土逐漸變形，孔隙水、氣壓力逐漸調(diào)整到骨架應(yīng)力、變形和孔隙水、氣壓力穩(wěn)定的全過(guò)程。它是土的變形模型和流動(dòng)模型相互交織影響、共同協(xié)調(diào)的過(guò)程。（ 既解決土骨架變形場(chǎng)特性問(wèn)題，又解決孔隙流體的滲流場(chǎng)特性問(wèn)題） 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)7、非飽和土的固結(jié)特性非飽和土的固結(jié)與飽和土的固結(jié)的不同之處非飽和土的固結(jié)與飽和土的固結(jié)的不同之處一是非飽和土中可壓縮孔隙氣的存在可以使土骨架受力并超過(guò)它的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度后迅速變形，使孔隙氣壓力迅速增長(zhǎng)，使孔隙水壓力也受到影響而變化，從而使土在沒有排水排氣條件下也會(huì)產(chǎn)生壓縮變形。二是溶解在水中的空氣引起

41、的壓縮性要比水的壓縮性約大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。 故當(dāng)孔隙水中只有1的溶解空氣時(shí)，孔隙流體的壓縮性已就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無(wú)溶解空氣時(shí)水的壓縮性，此時(shí)，在一般土粒和水體積不可壓縮的假定下，土的壓縮體變就可只由氣的體變來(lái)估計(jì)。 三是非飽和土常有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不是在荷載一作用就有水、氣壓力的變化和土骨架的損傷變形非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)7、非飽和土的固結(jié)特性非飽和土的固結(jié)理論非飽和土的固結(jié)理論土的固結(jié)理論與土體的固結(jié)理論不同，前者研究一個(gè)點(diǎn)（材料），后者研究一個(gè)場(chǎng)（土體），但土的固結(jié)理論和土體的固結(jié)理論均由變形模型和流動(dòng)模型所確定的控制方程及定解條件來(lái)反映。土的固結(jié)理論要在土性試驗(yàn)的定解條件下求解固結(jié)理論的控制方程，得

42、到不同時(shí)刻土的應(yīng)力和位移，土體的固結(jié)理論要在土體定解條件下求解固結(jié)理論的控制方程，得到不同時(shí)刻土體中各個(gè)點(diǎn)上的應(yīng)力和位移，即應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)。非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)7、非飽和土的固結(jié)特性非飽和土的固結(jié)問(wèn)題非飽和土的固結(jié)問(wèn)題一般要求得到土在固結(jié)過(guò)程中任意時(shí)刻的三個(gè)位移量（u,v,w）和兩個(gè)流體壓力（ua，,uw）。因此，控制方程組需要?dú)w并成為含有上述5個(gè)基本未知量的5個(gè)方程（以平衡方程為基礎(chǔ)的三個(gè)變形方程，以氣、水質(zhì)量連續(xù)方程為基礎(chǔ)的兩個(gè)流動(dòng)方程）再在給定的定解條件（邊界條件和初始條件）下解出要求的基本未知量。當(dāng)再需要知道其它特征量時(shí)，可以再由該特征量與基本未知量間的關(guān)系推算得出。非飽和土基本特性

43、的學(xué)習(xí)7、非飽和土的固結(jié)特性基本的假定基本的假定在在解決土固結(jié)過(guò)程這樣一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題的時(shí)候，人們總得根據(jù)問(wèn)題的研究范疇研究范疇和實(shí)際可能條件實(shí)際可能條件做出一些基本的假定，并在這些假定條件下建立非飽和土的固結(jié)理論。目前應(yīng)用最多的假定條件有目前應(yīng)用最多的假定條件有：均勻一致，均勻一致， 各向同性，各向同性， 氣相連續(xù)、可壓縮氣相連續(xù)、可壓縮液相運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西定理，氣相運(yùn)動(dòng)符合費(fèi)克定理液相運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西定理，氣相運(yùn)動(dòng)符合費(fèi)克定理滲透系數(shù)為應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)或常數(shù)滲透系數(shù)為應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)或常數(shù)固、液相不可壓縮（含氣相的液相可壓縮）固、液相不可壓縮（含氣相的液相可壓縮）荷載一次施加并保持常量，不計(jì)熱效應(yīng)荷載一次

44、施加并保持常量，不計(jì)熱效應(yīng)不考慮氣相的擴(kuò)散及溶解，不考慮水蒸汽的運(yùn)動(dòng)不考慮氣相的擴(kuò)散及溶解，不考慮水蒸汽的運(yùn)動(dòng)小應(yīng)變，不計(jì)慣性力小應(yīng)變，不計(jì)慣性力 （在這些基本假定以外的某些條件下，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開始做了一些（在這些基本假定以外的某些條件下，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開始做了一些探索，但還有很多工作可做）探索，但還有很多工作可做）非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)7、非飽和土的固結(jié)特性 變形模型與流動(dòng)模型變形模型與流動(dòng)模型非飽和土固結(jié)理論的控制方程組都由非飽和土固結(jié)理論的控制方程組都由變形模型和流動(dòng)模型所組成所組成 變形模型包括：力平衡方程，有效應(yīng)力原理 材料本構(gòu)方程，幾何協(xié)調(diào)方程 和吸力狀態(tài)方程（采用的本構(gòu)方程、吸力狀

45、態(tài)方程和有效應(yīng)力表達(dá)式不同，變形模型就不同）流動(dòng)模型包括： 液相質(zhì)量連續(xù)方程 ，液相運(yùn)動(dòng)方程 氣相質(zhì)量連續(xù)方程，氣相運(yùn)動(dòng)方程（采用的連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程不同，流動(dòng)模型就不同） 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)7、非飽和土的固結(jié)特性非飽和土的固結(jié)理論的發(fā)展過(guò)程非飽和土的固結(jié)理論的發(fā)展過(guò)程 由基本假定條件由基本假定條件 到到 考慮更多因素的影響考慮更多因素的影響由一維由一維 到二維到二維 到三維到三維由水封閉型由水封閉型 到氣封閉型到氣封閉型 到雙開敞型到雙開敞型Barden: 水封閉型（氣連通型）水封閉型（氣連通型）很干、或稍濕的土，孔隙水吸附在土骨架上，主要是排氣固結(jié)， 只需建立氣相的質(zhì)量連續(xù)方程，有效應(yīng)

46、力等于凈總應(yīng)力 氣封閉型（水連通型）氣封閉型（水連通型）很濕或接近飽和的土，主要是排水固結(jié)（氣泡、或自由氣泡隨水流動(dòng)，或吸附在土骨架上不隨水流動(dòng)） 只需建立液相的質(zhì)量連續(xù)方程 （考慮因氣的存在而引起的可壓縮性） 有效應(yīng)力等于孔隙水壓力雙開敞型（雙連通型）雙開敞型（雙連通型）濕、很濕的土，同時(shí)有排氣和排水固結(jié)，（氣、水的流動(dòng)屬于、或近似屬于同一個(gè)量級(jí)） 需要同時(shí)建立氣相和液相的質(zhì)量連續(xù)方程（如含水量雖有增多，但仍無(wú)流動(dòng)，也可只建立氣相的質(zhì)量連續(xù)方程）有效應(yīng)力按有效應(yīng)力原理非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)7、非、非飽和土的固結(jié)特性飽和土的固結(jié)特性可見,土和土體的固結(jié)理論土和土體的固結(jié)理

47、論不僅是非飽和土各種特性的綜合應(yīng)用，而且是理論研究與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的重要橋梁因此，它?？梢砸暈榉秋柡屯亮W(xué)在理論性與實(shí)踐性上成熟程度的一個(gè)代表性標(biāo)志。使固結(jié)理論在基本假定條件下的計(jì)算準(zhǔn)確化在基本假定條件下的計(jì)算準(zhǔn)確化和使固結(jié)理論正確考慮更多因素的影響使固結(jié)理論正確考慮更多因素的影響是非飽和土固結(jié)理論進(jìn)一步完善的趨勢(shì)是非飽和土固結(jié)理論進(jìn)一步完善的趨勢(shì) 非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)7、非飽和土的固結(jié)特性、非飽和土的固結(jié)特性對(duì)非飽和土力學(xué)研究的對(duì)非飽和土力學(xué)研究的若干思考若干思考 對(duì)非飽和土力學(xué)研究的若干思考 1、現(xiàn)狀與發(fā)展問(wèn)題、現(xiàn)狀與發(fā)展問(wèn)題非飽和土力學(xué)雖然已經(jīng)建立了自己的體系，但

48、目前對(duì)它的應(yīng)力狀態(tài)與傳力機(jī)理仍然了解不夠，對(duì)它的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)資料仍然十分缺乏，對(duì)它與環(huán)境因素有關(guān)的邊界條件與變化仍然難于予估，對(duì)它的基礎(chǔ)理論研究仍然相當(dāng)薄弱。因此，非飽和土力學(xué)在實(shí)際中的廣泛應(yīng)用仍然受到限制。 對(duì)非飽和土力學(xué)研究的若干思考1、現(xiàn)狀與發(fā)展問(wèn)題 針對(duì)非飽和土性質(zhì)復(fù)雜、難測(cè)、多變的特點(diǎn)，對(duì)它的研究必須：針對(duì)非飽和土性質(zhì)復(fù)雜、難測(cè)、多變的特點(diǎn)，對(duì)它的研究必須：在應(yīng)用背景下的廣闊領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究在應(yīng)用背景下的廣闊領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究和深入的理論研究。和深入的理論研究。實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)研究需要進(jìn)一步揭示非飽和土應(yīng)力傳遞與力學(xué)特性變化的機(jī)理，打好建立真正非飽和土力學(xué)理論的基礎(chǔ)，理論研究理

49、論研究需要從當(dāng)代宏觀力學(xué)和連續(xù)統(tǒng)混合物理論與計(jì)算機(jī)科學(xué)方法的結(jié)合，尋求新的突破突出對(duì)非飽和土實(shí)際工程在理論分析與實(shí)際觀測(cè)成果突出對(duì)非飽和土實(shí)際工程在理論分析與實(shí)際觀測(cè)成果之間的相互印證之間的相互印證。使現(xiàn)有理論與方法的應(yīng)用與信息化手段相配合，尋求實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)非飽和土體安全原則。把非飽和土本構(gòu)方程的研究與應(yīng)用仍然放在核心地位把非飽和土本構(gòu)方程的研究與應(yīng)用仍然放在核心地位。這不僅因?yàn)樗趶?fù)雜條件下工程應(yīng)用的重要性，因?yàn)樗鼘?duì)水、氣流體和土骨架所涉及眾多因素變化的敏感性，還因?yàn)樗c非飽和土應(yīng)力狀態(tài)變量、應(yīng)變狀態(tài)變量正確選擇和被此聯(lián)系之間的密切性。 對(duì)非飽和土力學(xué)研究的若干思考1、現(xiàn)狀與發(fā)展問(wèn)題

50、當(dāng)前的非飽和土與非飽和土力學(xué)至少需要在以下三個(gè)問(wèn)題上有所突破：大量、系統(tǒng)、有效的試驗(yàn)、監(jiān)控、測(cè)試及大量、系統(tǒng)、有效的試驗(yàn)、監(jiān)控、測(cè)試及其設(shè)備、方法與技術(shù)的研究，其設(shè)備、方法與技術(shù)的研究，真實(shí)、明晰的力傳遞機(jī)理及其應(yīng)用于應(yīng)力真實(shí)、明晰的力傳遞機(jī)理及其應(yīng)用于應(yīng)力應(yīng)變與本構(gòu)模型分析的研究，應(yīng)變與本構(gòu)模型分析的研究，此二者決定了非飽和土理論與方法建立的正確性，良好、簡(jiǎn)潔的土體應(yīng)力邊界、流量邊界的良好、簡(jiǎn)潔的土體應(yīng)力邊界、流量邊界的模擬與控制技術(shù)研究，模擬與控制技術(shù)研究，它決定了非飽和土理論與方法應(yīng)用的實(shí)際可靠性。 對(duì)非飽和土力學(xué)研究的若干思考1、現(xiàn)狀與發(fā)展問(wèn)題 2、傳統(tǒng)化途徑與理論化途徑問(wèn)題非飽和土問(wèn)

51、題是土力學(xué)中的一個(gè)老問(wèn)題。傳統(tǒng)化的途徑傳統(tǒng)化的途徑 對(duì)不同含水量的非飽和土進(jìn)行土工試驗(yàn)，測(cè)出它的各種計(jì)算參數(shù)，用土力學(xué)傳統(tǒng)的總應(yīng)力方法與經(jīng)驗(yàn)來(lái)解決各種工程實(shí)際問(wèn)題。理論化的途徑理論化的途徑用當(dāng)代非飽和土力學(xué)的理論來(lái)分析計(jì)算非飽和土的變形強(qiáng)度問(wèn)題，使實(shí)際問(wèn)題的解決更能夠反映土的實(shí)質(zhì)特性，收到更精確、更經(jīng)濟(jì)的效果，同時(shí)，也使廣義的土力學(xué)理論更加趨于完善。對(duì)非飽和土力學(xué)研究的若干思考2、傳統(tǒng)化途徑與理論化途徑問(wèn)題 在目前非飽和土力學(xué)還不能十分令人滿意，在目前非飽和土力學(xué)還不能十分令人滿意，而傳統(tǒng)化的處理方法又有長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的情況下而傳統(tǒng)化的處理方法又有長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的情況下在發(fā)展非飽和土力學(xué)途徑的

52、同時(shí)，注意發(fā)展傳統(tǒng)化的方法，仍然有著重要的實(shí)際意義。但考慮到理論化處理問(wèn)題的優(yōu)越性與學(xué)科的發(fā)展，深化非飽和土力學(xué)研究有著更加迫切的需要。不能因傳統(tǒng)化的方法有理論性不足的缺點(diǎn)而簡(jiǎn)單拋棄，不能因傳統(tǒng)化的方法有理論性不足的缺點(diǎn)而簡(jiǎn)單拋棄，更不能因理論化的方法尚不夠完善而放松研究。更不能因理論化的方法尚不夠完善而放松研究。理論與實(shí)際之間的關(guān)系從來(lái)就不應(yīng)該是彼此對(duì)立的，理論與實(shí)際之間的關(guān)系從來(lái)就不應(yīng)該是彼此對(duì)立的，而應(yīng)該是相互促進(jìn)、互相補(bǔ)充的。而應(yīng)該是相互促進(jìn)、互相補(bǔ)充的。 對(duì)非飽和土力學(xué)研究的若干思考2、傳統(tǒng)化途徑與理論化途徑問(wèn)題 3、 變形研究與強(qiáng)度研究問(wèn)題非飽和土變形研究和強(qiáng)度研究所關(guān)心的問(wèn)題是荷

53、載變化，尤其是荷載與含水量的耦合變化所導(dǎo)致的土結(jié)構(gòu)損傷在變形、強(qiáng)度特性上的反映以及它們對(duì)工程可能造成危害性的預(yù)估。變形問(wèn)題和強(qiáng)度問(wèn)題均有可能在特定條件下成為工程的控制問(wèn)題變形問(wèn)題在變形發(fā)展到土瀕于破壞的特定階段時(shí)就變成了強(qiáng)度問(wèn)題，強(qiáng)度問(wèn)題是特定變形階段的變形問(wèn)題。對(duì)非飽和土力學(xué)研究的若干思考3 、變形研究與強(qiáng)度研究問(wèn)題 非飽和土力學(xué)的研究，既需要面對(duì)荷載作用下由變形增長(zhǎng)到強(qiáng)度破壞的全過(guò)程，又需要面對(duì)增濕條件下由增濕變形發(fā)展到增濕強(qiáng)度破壞的全過(guò)程。本構(gòu)模型的研究通過(guò)荷載增減與濕度增減全過(guò)程中變形發(fā)展變化的特征將變形問(wèn)題與強(qiáng)度問(wèn)題統(tǒng)一了起來(lái)。 對(duì)非飽和土力學(xué)研究的若干思考3 、變形研究與強(qiáng)度研究問(wèn)

54、題 4、 非飽和土性質(zhì)的吸力表征與含水量表征問(wèn)題非飽和土性質(zhì)的吸力表征與含水量表征問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)，長(zhǎng)期以來(lái)，非飽和土研究中，基質(zhì)吸力被提到十分重要的地位，基質(zhì)吸力被提到十分重要的地位，但它在量測(cè)上的困難一直困擾著非飽和土力學(xué)的研究與實(shí)際應(yīng)用。近年來(lái)，近年來(lái)，因含水量的測(cè)定已經(jīng)不會(huì)遇到任何的困難，人們又反過(guò)來(lái)重新考慮在非飽和土力學(xué)研究中重新考慮在非飽和土力學(xué)研究中直接應(yīng)用含水量作為非飽和土性質(zhì)表征參數(shù)的可能性。直接應(yīng)用含水量作為非飽和土性質(zhì)表征參數(shù)的可能性。新近的研究，新近的研究，從吸力通過(guò)改變流體壓力使骨架壓力發(fā)生改變，和在土顆粒的接觸點(diǎn)處提供一個(gè)附加的結(jié)合力這兩個(gè)作用出發(fā)，要求對(duì)非飽和土既考慮

55、吸力，又考慮飽和度。要求對(duì)非飽和土既考慮吸力，又考慮飽和度。而且飽和度還要分別干燥過(guò)程與增濕過(guò)程的差異。 對(duì)非飽和土力學(xué)研究的若干思考4、 非飽和土性質(zhì)的吸力表征與含水量表征問(wèn)題 5、 基質(zhì)吸力的等壓性與方向性問(wèn)題基質(zhì)吸力常被視為一種各向等壓的靜水壓力型應(yīng)力，認(rèn)為它只能與土的體積變化相聯(lián)系，而不影響到土的剪應(yīng)力與剪切變形。這種觀點(diǎn)，如果不是作為簡(jiǎn)化而采用，就是認(rèn)為基質(zhì)吸力既然等于孔隙氣壓力減去孔隙水壓力，而孔隙水壓力與孔隙氣壓力都是靜水壓力型應(yīng)力，那基質(zhì)吸力就自然是靜水壓力型的應(yīng)力。對(duì)對(duì)非飽和土力學(xué)研究的非飽和土力學(xué)研究的若干思考若干思考 5、 基質(zhì)吸力的等壓性與方向性問(wèn)題基質(zhì)吸力的等壓性與方

56、向性問(wèn)題孔隙水壓力與孔隙氣壓力都是靜水壓力型應(yīng)力的觀點(diǎn)，只有各自在孔隙水體內(nèi)和孔隙氣體內(nèi)才是正確的。作為作為孔隙水壓力與孔隙氣壓力之差的基質(zhì)吸力只是之差的基質(zhì)吸力只是收縮膜張力對(duì)土骨架影響大小的一種量度。長(zhǎng)期以來(lái)，人們收縮膜張力對(duì)土骨架影響大小的一種量度。長(zhǎng)期以來(lái)，人們總是說(shuō)基質(zhì)吸力的貢獻(xiàn)，其實(shí)應(yīng)該說(shuō)收縮膜張力的貢獻(xiàn)總是說(shuō)基質(zhì)吸力的貢獻(xiàn)，其實(shí)應(yīng)該說(shuō)收縮膜張力的貢獻(xiàn)對(duì)于一個(gè)力應(yīng)該從它的大小、方向和作用點(diǎn)三個(gè)要素來(lái)分析對(duì)于一個(gè)力應(yīng)該從它的大小、方向和作用點(diǎn)三個(gè)要素來(lái)分析收縮膜張力的大小雖然決定于基質(zhì)吸力的大小，收縮膜張力的方向決定于水與土骨架的接觸角。收縮膜張力的作用點(diǎn)在收縮膜與土骨架各個(gè)顆粒的接

57、觸點(diǎn)處 基質(zhì)吸力在表示收縮膜對(duì)土骨架的作用時(shí)，實(shí)際上應(yīng)該是有方向性的。在研究土的變形和強(qiáng)度時(shí)，基質(zhì)吸力不應(yīng)該簡(jiǎn)單地視為一種靜水壓力型的應(yīng)力?；|(zhì)吸力不應(yīng)該簡(jiǎn)單地視為一種靜水壓力型的應(yīng)力。 對(duì)非飽和土力學(xué)研究的若干思考 5、 基質(zhì)吸力的等壓性與方向性問(wèn)題6、 有效應(yīng)力對(duì)材料特性的獨(dú)立性與依賴性問(wèn)題在通常的固體力學(xué)中，應(yīng)力總是被看作是獨(dú)立于材料特性的量，它不與、或不能與材料的特性相聯(lián)系。只有在研究變形問(wèn)題時(shí)，它才與材料特性掛鉤，由本構(gòu)關(guān)系使應(yīng)力和應(yīng)變相聯(lián)系。在這里，不存在像土力學(xué)中那種有效應(yīng)力的概念。對(duì)非飽和土力學(xué)研究的若干思考 6、 有效應(yīng)力對(duì)材料特性的獨(dú)立性與依賴性問(wèn)題有效應(yīng)力的概念有效應(yīng)力的

58、概念是土這種多相、多孔、松散介質(zhì)是土這種多相、多孔、松散介質(zhì)所特有的一種性質(zhì)。所特有的一種性質(zhì)。太沙基首先把它揭示了出來(lái)，并將它應(yīng)用于飽和土，建立了飽和土的有效應(yīng)力原理，從而標(biāo)志了土力學(xué)理論的正式形成。太沙基肯定了這種為土所特有的性質(zhì)，使作為飽和土有效應(yīng)力計(jì)算重要組成部分的孔隙水壓力在其大小上與土材料的受荷變形特性和固結(jié)過(guò)程相聯(lián)系，承認(rèn)了飽和土有效應(yīng)力大小對(duì)于土本構(gòu)關(guān)系的依賴性。對(duì)非飽和土力學(xué)研究的若干思考 6、 有效應(yīng)力對(duì)材料特性的獨(dú)立性與依賴性問(wèn)題非飽和土的有效應(yīng)力原理應(yīng)該既堅(jiān)持太沙基關(guān)于飽和土有效應(yīng)力原理的實(shí)質(zhì)性，又不否認(rèn)有效應(yīng)力對(duì)于土本構(gòu)關(guān)系的依賴性。非飽和土有效應(yīng)力原理與飽和土有效應(yīng)

59、力原理的不同之處僅在于需要考慮它們這種在組成相上的差異所引起的不同規(guī)律非飽和土有效應(yīng)力原理的根本問(wèn)題是使飽和土有效應(yīng)力原理的實(shí)質(zhì)與非飽和土三相性及結(jié)構(gòu)性等真實(shí)特性相結(jié)合。 對(duì)非飽和土力學(xué)研究的若干思考 6、 有效應(yīng)力對(duì)材料特性的獨(dú)立性與依賴性問(wèn)題7、濕陷性土與脹縮性土在增減濕變形趨勢(shì)上的對(duì)立性與統(tǒng)一性問(wèn)題濕陷性土與脹縮性土是兩種典型的非飽和土，也是非飽和土力學(xué)研究的主要對(duì)象，它們浸水增濕時(shí)的變形趨向完全相反：前者發(fā)生濕陷變形，后者發(fā)生膨脹變形 。濕陷性土與脹縮性土在增濕變形趨勢(shì)上的對(duì)立性反映出它們?cè)谖镔|(zhì)結(jié)構(gòu)上的差異以及這些差異對(duì)水作用的不同反應(yīng)濕陷性土與脹縮性土對(duì)水反應(yīng)的不同，除了基質(zhì)吸力的影響外，還應(yīng)與它們物質(zhì)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)相聯(lián)系。濕陷性土由高可溶鹽含量和大孔結(jié)構(gòu)所反映的欠壓密特性，脹縮性土由高親水性礦物含量和超壓密性、裂隙性等所反映的特性，才是造成它們對(duì)水反應(yīng)不同的根本原因。不從其它方面來(lái)反映這種本質(zhì)上的不同，單就含水量是無(wú)法使上述矛盾得到統(tǒng)一的。 對(duì)非飽和土力學(xué)研究的若干思考7、濕陷性土與脹縮性土在增減濕變形趨勢(shì)上的對(duì)立性與統(tǒng)一性問(wèn)題8、拓展理論與面向?qū)嵱脝?wèn)題非飽和土的理論研究必須面對(duì)實(shí)際應(yīng)用。它必須首先、或重點(diǎn)地研究那些實(shí)際應(yīng)用上最為迫切