非饱和土固结理论新进展

第26卷第4期 岩 土 力 学 Vol.26 No.4 2005年4月 Rock and Soil Mechanics Apr. 2005

文章编号：1000－7598－(2005) 04―0667―06

非饱和土固结理论新进展

张志红，赵成刚　，邓　　敏　

１　

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２

(1. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044 2. 浙江南都房产集团公司，杭州 310007 )

摘 要：总结了国内外多年来在非饱和土固结理论领域研究的主要理论成果，内容包括国内外非饱和土固结理论研究的概况，涉及线性、非线性、弹塑性和结构性等方面，非饱和土固结理论的研究具有非常好的应用前景。但非饱和土固结理论还很不成熟，有待广大科研工作者的进一步研究。 关 键 词：非饱和土；固结理论；新进展 中图分类号：TU 43 文献标识码：A

Recent development of consolidation theories of unsaturated soils

ZHANG Zhi-hong1，ZHAO Cheng-gang1, DENG Min2

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;

2. Zhejiang Nandu Real Estate Development Group, Hangzhou 310007, China)

Abstract: The consolidation theories and test results of unsaturated soils are summarized in detail, which include the recent development in China and abroad. The consolidation theories of unsaturated soilshave very good applicated future, but they are not mature and need the much research effort to develop.

Key words: unsaturated soils; consolidation theory; recent development

1 引 言

在荷载的作用下，土体中产生超静孔隙水压 力，导致土中孔隙水逐渐排出，随着时间的发展，超静孔隙水压力逐步消散，土体中有效应力逐步增大，直至超静孔隙水压力完全消散，孔隙压力的消散过程称为固结[1]。在固结过程中，随着孔隙水的排出，土体产生压缩，使土体的强度提高。 通常认为 ，太沙基（Terzaghi）提出的一维固结理论和有效应力原理标志着土力学学科的诞生。他在一系列假定的基础上，建立了著名的一维固结理论。Rendulic把Terzaghi的一维固结理论推广到二维或三维的情况，但存在一定的缺陷。Biot考虑了土体固结过程中孔隙水压力消散和土骨架变形之间的耦合作用，提出了Biot固结理论。Biot固结理论较Terzaghi固结理论更为合理完整，但计算较为困难，通常需要采用数值解法。以上这些固结理论都是针对饱和土体的固结问题，并假定土中水的渗流服从Darcy定律，土体变形为小变形，且是弹性

变形。由于土体的复杂性，人们又发展了考虑土体大变形、考虑非Darcy渗流以及非饱和土的各种固结理论。

2 非饱和土的固结理论研究

非饱和土在土骨架形成的孔隙中同时含有气体和水，气体在压缩时会有部分溶解于水中，非饱和土的压缩性和渗透性比饱和土复杂得多。因此，迄今为止，还没有公认为成熟的非饱和土固结理论。建立非饱和土固结理论的困难主要有几个方面[2]：

(1) 饱和粘土固结理论是以土体变形是连续的作为基本假设。对于非饱和土而言，土体中气体具有很高的压缩性，同时，部分气体溶解于水中，很难满足严格的连续条件。

(2) 非饱和土的渗透性包括透气性和透水性，渗透性与非饱和土的基质吸力和含水量密切相关，且在由干到湿和由湿到干的干湿循环过程中，相同含水量的土体，渗透性并不一样，即渗透性与含水量不是单值函数关系，因此，测量渗透系数不容易。

收稿日期：2003-12-15 修改稿收到日期：2004-02-20

作者简介：张志红，女，1976年生，博士研究生，主要从事岩土工程方面的研究工作。E-mail: zhangzh2002@

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岩 土 力 学 2005年

(3) 非饱和土的有效应力参量和有效应力原理的适用性较窄，有效应力公式中含有与基质吸力有关的参量不易确定。

(4) 非饱和土的水气接触是一个复杂的物理-化学界面，Fredlund称之为第四相，第四相对非饱和土的行为有何影响仍不得而知。

(5) 非饱和土本构模型还没有公认的理论，因此建立成熟的非饱和土固结理论还需要时间。 2.1 国外固结理论的研究概况

非饱和土的固结是工程中常见的问题，其理论研究内容包括孔隙水压力和孔隙气压力随土体变形而变化以及随时间增长而消散的规律。由于在建立同时适用于不同土类固结的普遍方程上的复杂性，很多研究者只是针对某种特定的土类来寻求非饱和土固结问题的解答[3]。由于影响因素的复杂性，研究中总是做出某些简化的假定，并分为一维、二维和三维问题。大量被研究的主要是气封闭的非饱和土，气相以气泡形态（自由气泡、吸附气泡）存在于土中，只建立孔隙水压力的控制方程，如Scott、Brehtz、费洛林、黄文熙和蒋彭年[4]等的固结理论，至今仍有人沿用这种方法研究非饱和土的固结问 题[5]。1941年Boit[5]对含有封闭气泡的非饱和土提出了一般性固结理论，建立了2个以有效应力（σ uw）和孔隙水压力uw表达的本构方程，将应力与应变联系起来。换言之，当时已经认识到区分总应力和孔隙水压力作用的必要性。一个方程建立孔隙比与应力状态的关系；另一个方程建立含水量与土的应力状态的关系。Boit理论所采用的假定与Terzaghi理论采用的类似，对于一维固结，Boit理论得到的方程也与Terzaghi得到的方程式相似，只是其固结系数Cv经过修正，考虑了孔隙流体的压缩性。Larmour、Hill和Olson证明，使用修正的固结系数Cv，Terzaghi方程便可用来描述含有气泡的非饱和土的固结性状。Scott [6]将孔隙比的变化及饱和度的变化引入含有气泡的非饱和土的固结方程中。同时考虑变形、孔隙水压力和孔隙气压力耦合作用的固结模型首先是由Barden提出[7]，他利用水、气连续方程、Darcy定律、吸力状态函数、Bishop有效应力公式及孔隙率-有效应力关系组成封闭方程：

(nsrw)

=(vWrW) ; t z

[hsnua+ra(1 s)n]=(vara+huavw) ; t z

ua uw=fc(n,λ,s) ;

n=fn(σ')=fn[σ ua+x(ua uw)]= fn[σ ua+fx(n,λ,s)(ua uw)]

式中 vw=kw

uw u

, kw=fw(n, λ, s);va=kaa, ka= z z

fa(n, λ, s)，λ代表土的结构性；n为亨利系数，单

位压力下溶解于单位体积水中的气体质量。 由上述控制方程可以解出未知量ua，uw，s和n。

Barden针对压实非饱和粘土的不同类型探讨了解控制方程的可能性。

国外从20世纪60年代开始研究非饱和土固结问题，典型的有Scott. R. F.[6]，Barden, L.[7]，Lioret A.[8]，Fredlund，D.G.[9]等人提出的固结方程，其中最为流行的为Fredlund固结理论。Fredlund和Hasan将非饱和土视为四相系[9]，即在水、气、土粒之外增加了水气分界面作为第四相。土粒和气水的分界面在力的作用下处于平衡状态，而空气和水在应力梯度下发生流动。如果假设土粒不可压缩，气水分界面又没有体积变化，则非饱和土微体的总体积变化 n必等于液相和气相体积变化之和，即连续条件

为

?n=?na+?nw (2)

为了求得非饱和土的体积变化状态，必须求出液相和气相的体积变化，即必须有2个应 …… 此处隐藏：3131字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……