非饱和土力学
非饱和土力学
非饱和土力学1. 简介非饱和土力学是土力学中的一个重要分支，研究非饱和土的力学性质和行为规律。
非饱和土是指含有一定空隙度和部分或全部未饱和的水分的土壤。
相比于饱和土，非饱和土具有一些特殊的力学性质和变形特性，因此对其力学行为的研究具有重要的实际意义。
2. 非饱和土特性非饱和土的特性主要包括以下几个方面：2.1 吸力吸力是非饱和土中水分存在的特殊状态所引起的一种力。
在非饱和土中，由于存在着未饱和水分，土颗粒表面会形成一种吸附力，即吸力。
吸力的大小与土壤的孔隙结构密切相关。
2.2 干湿收缩性非饱和土在干燥过程中会发生干缩现象，而在被湿润后会发生湿润膨胀。
这是因为非饱和土中的水分含量影响着土颗粒之间的接触状态和土壤体的结构。
2.3 孔隙气压非饱和土中的气体存在一定的孔隙气压，该气压与土壤孔隙水的张力有关。
在非饱和土力学中，孔隙气压的变化对土体的力学行为有重要影响。
3. 非饱和土力学实验为了研究非饱和土的力学性质和行为规律，人们进行了大量的实验研究。
常用的非饱和土力学实验包括以下几种：3.1 吸力试验吸力试验是用来测试非饱和土吸力大小的实验。
在吸力试验中，通常采用吸力仪器对土样进行测量，得到吸力与土壤含水量之间的关系。
3.2 干湿循环试验干湿循环试验是用来模拟非饱和土在干燥和湿润过程中的变形行为的实验。
通过反复进行干燥和湿润过程，可以观察并记录土样的收缩和膨胀行为。
3.3 压缩试验压缩试验是用来研究非饱和土的压缩变形特性的实验。
实验中通常使用压缩装置对土样施加压力，并记录土样的变形和力学参数的变化。
4. 非饱和土的工程应用非饱和土力学的研究对于土木工程的设计和施工具有重要的指导意义。
非饱和土的一些特性和行为规律在以下方面有着广泛的应用：4.1 坡面稳定性分析非饱和土在坡面稳定性分析中发挥着重要作用。
由于非饱和土具有较好的抗侵蚀和抗冲刷能力，因此在坡面设计中通常采用非饱和土力学原理。
4.2 基础工程在基础工程中，非饱和土的力学行为对基底承载力和变形进行了特别的研究。
非饱和土力学 卢宁
非饱和土力学是研究土壤力学特性的重要领域，而卢宁是该领域的一位知名学者。
在非饱和土力学领域，卢宁教授做出了许多重要的贡献。
他的研究涉及非饱和土壤的渗流、固结、强度和变形等方面，为工程实践提供了重要的理论支持。
卢宁教授曾在大量的非饱和土力学研究项目中担任重要角色，包括土壤湿度对公路路基稳定性的影响、非饱和土壤排水性能的数值模拟等。
他的研究成果在岩土工程、农业工程和环境工程等领域都具有重要的应用意义。
除了在科研方面取得突出成就，卢宁教授还致力于非饱和土力学领域的教学和学术交流。
他多次在国际学术会议上发表演讲，与国内外的研究人员展开合作，促进了非饱和土力学领域的发展。
总的来说，卢宁教授在非饱和土力学领域取得了令人瞩目的成就，为该领域的发展做出了重要贡献。
他的研究成果不仅在理论上具有重要意义，也为工程实践提供了有力支持，对相关领域的发展产生了深远影响。
非饱和土力学
非饱和土力学
非饱和土力学是研究非饱和土的力学性质和行为的学科。
非饱和土是指土壤中含有水分但不是完全饱和状态的土壤。
在非饱和状态下，土壤的力学性质和行为与饱和状态下有很大的不同。
非饱和土力学主要研究以下几个方面：1.非饱和土的吸力特性：非饱和土中的水分存在于土颗粒之间的微小孔隙中，这些孔隙中的水分会受到吸力的作用。
吸力是非饱和土力学中的一个重要参数，它对土壤的力学性质和行为有很大的影响。
2.非饱和土的渗透特性：非饱和土的渗透特性与饱和状态下有很大的不同。
在非饱和状态下，土壤中的水分会受到吸力的作用，因此渗透速度会比饱和状态下慢很多。
3.非饱和土的力学性质：非饱和土的力学性质与饱和状态下也有很大的不同。
在非饱和状态下，土壤中的水分会受到吸力的作用，因此土壤的强度和变形特性会受到吸力的影响。
4.非饱和土的稳定性：非饱和土的稳定性也是非饱和土力学研究的一个重要方面。
在非饱和状态下，土壤中的水分会受到吸力的作用，因此土壤的稳定性会受到吸力的影响。
总之，非饱和土力学是一个非常重要的学科，它对于土壤工程和地下水工程的设计和施工都有着重要的意义。
非饱和土力学
根据Ja的定义可知，通过单位面积土的空气质
Va J a a a v a t Va为通过的空气体积；va为通过的空气体积流速。 上两式相等得
量流量可用下式表示
v a k a i ay
k a D* g a
ka称为空气在土中的渗透系数
9.2.2 水流动 -广义达西定律
饱和土的达西定律
参数的测定
f c ( u a ) tg stg
' 可由饱和土的常规CU试验测定。为了 c’和
测定 '' ，应取若干相同初始孔隙比的试样进 行常含水量剪切试验。 试验中施加不同周围压 σ3，并调整ua值,以保 持所有试样的(σ3- ua)值为某一选定 的常数。 在施加附加轴向压力时，仍应随时调整ua值， 始终保持(σ3- ua)值不变，同时测读孔隙水压 力uw，直至试样剪破。于是可得一套具有相 同(σ3- ua)值、不同s=ua-uw值的极限应力圆， 如下图。
毛细粘聚力
粒子间的结合力，是影响土的抗剪强度
的重要因素之一，特别是粘性土。 然而，随着饱和土中弯液面的消失，该 力也随之消失，所以由水的表面张力产 生的粘聚力有时也称为毛细粘聚力。 大家都可能有这样的经验，在砂滩上堆 起的砂堆中挖隧道，当砂处于饱和和完 全干燥的状态时都是不可能的，只有在 适当湿的砂堆中才能容易完成。这是因 为水的表面张力即吸力产生的毛细粘聚 力在起作用。
u u a (u a uw )
Bishop (1959)的有效应力与强度
为了考虑ua 和uw 对非饱和土变形和强度特 性的影响，Bishop引进等效孔隙压力概 念，试图把适用于饱和土的有效应力原 理直接引伸到非饱和土，即
u u a (u a u w ) u a s
非饱和土力学(同济大学)
非饱和土力学同济大学地下建筑与工程系2006年10月第一章绪论非饱和土分布十分广泛，与工程实践紧密联系的地表土几乎都是非饱和土。
干旱与半干旱地区，由于蒸发量大于降水量，地下水位较深，这些地区的表层土是严格意义上的非饱和土；土坝、铁路和公路路基填土，机场跑道的压实填土都是处于非饱和状态，亦即非饱和土；即使是港口平台、管道等离岸工程中所遇到的土，往往是含生物气的海相沉积土，其孔隙中含有以大气泡（气泡直径远大于土粒直径）形式存在于孔隙中的生物气；另外，在地下水面附近的高饱和土体，其孔隙水中溶解了部分以小气泡（气泡直径与土粒粒径相当）形式存在于孔隙中的气体，土体卸载以后（取样或开挖等），溶解于孔隙水中的气体逸出，以气泡形式存在于孔隙水中，这两种含气泡的土也应属于非饱和土。
可见，非饱和土才是工程实践中经常遇到的土，饱和土是非饱和土的特例，真正意义上的饱和土在工程实践中很少见到。
土力学发展至今，已形成了一套完善、独立的理论体系。
然而，迄今为止的土力学主要是把其研究对象——土，视为两相体，即认为土是由土粒和孔隙水组成。
严格的讲，迄今为止的土力学只能称之为饱和土力学。
然而，实际工程中遇到的土多是以三相状态(土粒、孔隙水、孔隙气)存在。
经典的饱和土力学原理与概念并不完全符台其实际性状。
有人甚至认为在土中水一气的结合面上还存在第4相一水气结合膜。
土中气相的存在，使得土体性质复杂、性状多变。
将土作为饱和土对大多数工程来讲是一种合理的简化，但是，随着研究的逐渐深入，人们已经注意到，对于某些特殊区域或特殊性质的土，这种简化将造成研究理论的失误。
如在膨胀土地基基础的设计中。
如果单纯按照膨胀土的现有强度进行设计，则有可能将强度参数估计过高，不安全；如果按其最低强度进行设计，又将造成浪费。
因此，合理地提出膨胀土在不同状态下的强度参数是工程的客观需要。
此外，膨胀土等非饱和土的变形性能也随饱和度而变化。
这些问题都是饱和土力学难以解决的。
非饱和土力学报告-水力特性与工程应用
非饱和土力学学习报告题目：水力特性与工程应用姓名：学号：学院：专业：年级：指导教师：年月非饱和土力学报告目录1 流体的渗透性 (1)2 水的流动 (2)2.1 水相的驱动势能 (3)2.2 非饱和土的Darcy定律 (5)3 水相的渗透性 (6)3.1 流体及孔隙介质分量 (6)3.2 渗透性与体积-质量性质的关系 (6)3.3 饱和度变化对渗透性的影响 (7)3.4 渗透系数与饱和度的相互关系 (7)3.5 透水性系数与基质吸力的关系 (9)3.6 透水性系数与体积含水量的关系 (10)3.7 渗透函数的滞后 (11)4 实际渗流问题 (12)4.1 稳态水流 (12)4.2 非饱和土渗透系数的空间变化 (12)4.3 一维流举例 (14)4.3.1 地表面被覆盖 (14)4.3.2 稳态蒸发 (14)4.3.3 稳态入渗 (15)4.4 一维流推导 (16)4.5 一维流的解 (16)参考文献 (20)水力特性与工程应用1 流体的渗透性非饱和土中水的运动要比饱和土中水的渗流运动更为复杂。
这是因为它的运动不仅与多孔介质的集合特征有关，而且还与含水量、饱和度、颗粒大小与矿物成分、温度、溶质浓度等各种影响土水势的因素有关。
非饱和土为三相系，气相对液相的运动将会起到阻滞或推动作用，使非饱和土中水的运动变得复杂。
为了研究简便起见，设水分运动过程中空气不起阻滞或推动作用，同时也不考虑温度变化的影响。
非饱和土的孔隙中存在气体和水流体。
根据饱和度的不同，土中气体和水呈不同的形态。
下图1.1表示了非饱和土和土中孔隙水与空气的三种不同形态。
土的饱和度比较高时，例如，击实粘土含水量大于最优含水量op w 时，其饱和度约为85%~90%，这是土的孔隙主要被水所占据。
气体呈气泡状，被水所包围，可随水一起流动，如图1.1中(c)所示，称为气封闭状态。
这种混合的流体是可压缩的，在较高压力势下，气泡可被压缩和溶解，使孔隙水饱和度进一步提高。
非饱和土土力学新PPT课件
库仑公式 本构模型
D uf can－cChantgg模型 ， 剑桥模型
屈服面
极限状态面
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传统（经典）土力学的局限
固结理论
pw
1-D consolidation
k 2 pw pw
wm z2 t
(Lambe & Whitman,1969)
3-D consolidation
2 4 6 8 10 12 14 16 18
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吸力的影 响
温度的影响
/kPa
非饱和土土力学理论
4、非饱和土的应力应变关系及本构模型
（1）弹性模型 Fredlund和Morganstern(1976)、Fredlund(1979)提出了基于双应力变量 ( ua ) 和 (ua uw )
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非饱和土土力学理论
吸力随含水量变化，其表现形式不同
在第Ⅰ阶段，土体处于饱和状态，土孔 隙中为能够传递压力的自由水，没有水气接触面存在，也没有由表面张力产生 的毛细应力。
第Ⅱ阶段，为毛细作用发挥阶段。当基 质吸力超过最大空气进气值，土体开始 进入非饱和状态，含水率从饱和含水率 变化到塑限含水率，毛细应力开始快速 增加。
w ( p)
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非饱和土土力学理论
4、非饱和土的应力应变关系及本构模型
（3）弹塑性模型（陈正汉）
屈服点的轨迹在p-s面内是一条曲线，在 p-q面内随吸力增加向外扩展，据此构建非饱和土的统一 屈服面模型。
p0 p0* ms n[e / patm 1]
吸力的影响
吸力 s(kPa)
200
k wm
2
pw
非饱和土土力学(新)
温度
3 ua 200kPa
u a u w 100 kPa
15℃ 30℃ 45℃ 60℃
温度的影响
非饱和土土力学理论
4、非饱和土的应力应变关系及本构模型
（1）弹性模型
Fredlund和Morganstern(1976)、Fredlund(1979)提出了基于双应力变量 ( u a ) 和 (ua u w ) 的弹性应力应变关系：
强度分析：
固结变形分析：
传统（经典）土力学的局限
3、现有土工试验仪器主要是针对饱和土设计的
① 试验数据按饱和土相关理论来整理，不符合实际情况 。 ② 不能测负孔隙水压力。 ③ 未考虑气相影响。
单轴压缩
三轴压缩
非饱和土土力学理论
非饱和土物质组成：固体、气体和液体
固体
液体
气体
n
Vpores Vtotal
固结本构方程
Mechanical constitutive law
q w k grad( pw w z)
d v m dp
1 dp K
pw 1 p k 2 pw wm t 3 t
3-D consolidation
传统（经典）土力学的局限
2、固结变形和强度分析中有效应力的表现形式是不一致的
Vliquid Vgas Vtotal
Sl
Vliquid Vpores
Vliquid Vliquid Vgas
饱和度
1 Sg
空隙度
非饱和土土力学理论
非饱和土为固、液、气相及收缩膜组成的四相介质
非饱和土土力学理论
存在一个新的应力状态变量：吸力
非饱和土力学及其工程应用
非饱和土力学及其工程应用一、引言非饱和土力学是土力学中的一个重要分支，主要研究非饱和土的力学性质及其在工程中的应用。
非饱和土指的是既不完全饱和也不完全干燥的土壤，它们具有特殊的物理性质和力学行为，与饱和土和干燥土有很大区别。
本文将介绍非饱和土力学及其工程应用。
二、非饱和土力学基础1. 非饱和土特性非饱和土具有以下特性：（1）吸湿膨胀：当非饱和土受到水分影响时，它会吸收水分并膨胀。
（2）干缩：当非饱和土失去水分时，它会发生干缩。
（3）气体透过性：由于空气可以在非饱和土中自由流动，因此气体透过性是一个重要特性。
（4）弹塑性：与干燥或完全饱和的土相比，非饱和土具有更高的弹塑性。
2. 非饱和状态下的孔隙水压力在非饱和状态下，孔隙水压力是非常重要的。
孔隙水压力是指土壤中水分的压力，它可以通过测量土壤中的水分含量来确定。
在非饱和状态下，孔隙水压力会影响土壤的力学性质和行为。
3. 非饱和土的强度特性非饱和土的强度特性与饱和土和干燥土有很大区别。
一般来说，非饱和土的抗剪强度随着孔隙水压力的增加而降低。
此外，当非饱和土失去水分时，它会变得更脆弱并且易于破裂。
三、非饱和土在工程中的应用1. 水文地质工程在水文地质工程中，非饱和土通常被用作堤坝、防渗墙、挡墙等结构物的基础材料或填充材料。
此外，在建造这些结构物时需要考虑到孔隙水压力对结构物稳定性的影响。
2. 建筑工程在建筑工程中，非饱和土通常被用作地基或填充材料。
由于其吸湿膨胀和干缩特性，建筑工程中需要考虑到非饱和土的变形行为。
3. 矿山工程在矿山工程中，非饱和土通常被用作堆放矿渣或尾矿的填充材料。
由于非饱和土的弹塑性特性，需要考虑到填充材料的变形行为以及孔隙水压力对结构物稳定性的影响。
4. 地质灾害防治工程在地质灾害防治工程中，非饱和土通常被用作防滑堤、护坡等结构物的基础材料或填充材料。
需要考虑到孔隙水压力对结构物稳定性的影响以及非饱和土吸湿膨胀和干缩特性对结构物变形行为的影响。
毛细作用于吸力(非饱和土力学)
第一节 毛细管作用和吸力
饱和土力学讨论了地下水位以下水的 流动， 土的变形和强度。 非饱和土力学研究从地表面到地下 水面之间土的性质。 这部分土的孔隙中，通常同时存在 着水和空气，呈非饱和状态。可以认 为，这部分土中的水来源于地表面雨 水等的渗透和由于毛细管的作用地下 水对它的补给
照片是用圆铝棒堆积层模拟土的二维模 型，在圆铝棒堆积层中加水，粒子间的孔 隙中有水吸附。从相片中可以观察到，粒 子接点处积聚着水，形成了弯液面
hc C /(ed10 )
C是由土颗粒的粒径和表面粗糙程度等因素决定的系数， C在0.1～0.5cm2的范围内变化。根据上式可以推算出土 中毛细管上升高度hc的大致值。如果假设粘土地基的 d10≈1μm=10-4cm、e≈1，C=0.05cm2时，可得hc=5m
大气压力pa与弯液面下面的水压力uw及表面张力T 的关系。根据力的平衡
陶土板的含水率影响其热扩散速率，陶土板干燥时，热扩散慢，
陶土板潮湿时，散热快。利用这一特性，用测热扩散速率的方法 推算陶土板含水率。给陶土板中心部位加一定的热量，如果含水 率高，热量较快扩散开来，几秒钟（如 30s）后，温度传感器测 得的温度就较低；反之，如果含水率低，热量扩散较慢，几秒钟 （如 30s）后，温度传感器测得的温度就较高。如此可建立含水 率与温度的关系。根据测得的温度，知含水率，进而可得吸力。 可用于室内试验，也可用于现场量测。现场量测时，可在钻孔中 插入这样的吸力探头，也可埋在土中的不同深度处，作长期自动 量测，有较广泛的用途。
F (ua uw ) a T (2a )
2
F可表示成ua-uw和表面张力T的函数，所以粒子 间的结合力F与水的表面张力、粒径和附着于 粒子接触点附近的水量等因素有关
非饱和土力学
非饱和土力学
非饱和土力学是土力学的一个分支，研究非饱和土的力学行为。
非饱和土是指土壤中含有水分但不完全饱和的情况下的土体。
非饱和土力学主要研究以下几个方面：
1. 非饱和土的力学性质：非饱和土的力学性质与饱和土有很大的区别，主要包括非饱和土的抗剪强度、成因压缩性、抗渗性等。
2. 非饱和土的水力性质：非饱和土中既含有水分又含有气体，因此非饱和土的水力性质与饱和土也有很大的差别，主要包括非饱和土的孔隙水压力、毛细力、渗透系数等。
3. 非饱和土的力学行为：非饱和土在不同水分状态下的力学行为与饱和土有很大的差异，包括非饱和土的应力分布、变形特性、剪切强度等。
非饱和土力学研究的重要性在于它对于工程实践的影响。
非饱和土的存在在许多工程问题中具有重要作用，如岩土工程、土木工程、环境工程等。
因此，准确理解非饱和土的力学行为对于工程设计和工程施工至关重要。
非饱和土的力学与水力性质及其弹塑性模拟的开题报告
非饱和土的力学与水力性质及其弹塑性模拟的开题报告
一、研究背景
非饱和土是指土壤中含有空气和水，但水分不能完全填满孔隙的土体。
在自然条件下，非饱和土广泛存在于土地与地下水的交界处，例如岩石裂隙、土层间隙以及建
筑结构基础周围的土体等。
与饱和土相比，非饱和土具有独特的力学性质和水力性质。
因此，研究非饱和土的力学和水力特性，在土力学、水文学、地质工程等领域有着广
泛的应用价值。
二、研究目的
本文旨在研究非饱和土的力学与水力性质，探究其弹塑性模拟方法，以期在地质工程、土力学等领域有着实际应用。
三、研究内容
1.非饱和土的力学与水力基本性质分析
通过实验分析非饱和土的力学性质与水力性质，探究非饱和土的特性与饱和土的差别。
2.非饱和土的弹塑性模型构建
针对非饱和土的力学特性进行弹性、塑性模型的构建和参数确定。
3.数值模拟与验证
采用数值模拟方法，以构建的非饱和土的力学与水力性质模型进行验证，并进
行数值分析与实验结果比对。
四、研究意义
通过研究非饱和土力学与水力性质及其弹塑性模拟，可以更好地理解非饱和土的特性与饱和土的区别，并应用于地质工程等领域；同时可以为相关研究提供实验数据
和理论分析支持。
非饱和土力学ppt课件.ppt
• 非饱和土基本特性的学习／2、非饱和土的吸力特性
土－水特征曲线形态的重要参数
由于土中的水分可以有 结晶水、吸着水、结合水（薄膜水）和自由水等
具有不同属性的不同类型。 含水量变化时，土中水有不同的类型，气有不同的连通，
孔隙水压力和孔隙气压力分别在土的孔隙水体 和孔隙气体中是各向等压的静水压力型应力
孔隙水压力和孔隙气压力 各自作用在其与土颗粒接触部分的表面上， 其差值对土骨架的作用不会是各处相等的。
当孔隙水为弯液面环状水时，吸力只在接触点的 法向上作用；当孔隙水为有弯液面的体积水时， 所产生的吸力必然有法向和切向两个方向上分力 的作用。国内也出现了湿吸力与牵引力的提法（汤连生）。
单一有效应力型的应力状态变量
人们在寻求非饱和土的应力状态变量时，首先想到了 单一有效应力型的应力状态变量
它不是一般的纯力学量，而是一个材料有关的力学量，与材料 的本构关系有着密切的联系（如饱和土力学中的有效应力）。 研究提出具有真实合理性的有效应力表达式是当前的主要任务。
对已经提出的各种表达式还需要作出认真的选择与检验。
导致了非饱和土十分复杂的力学性质。
• 非饱和土基本特性的学习／2、非饱和土的吸力特性
2、非饱和土的吸力特性
非饱和土的土水势一般包括 温度势、压力势、重力势、基质势和溶质势
在等温、等压、等高（不计重力）的情况下， 土中水的温度势、压力势、重力势保持不变，
自由能的变化只有基质势和溶质势的变化。
如将它们分别称之为基质吸力和溶质吸力， 它们之和，即此时的自由能，称为总吸力，则有
应该取决于各自的相对压缩性。
在孔隙流体不能排出的条件下，土受力后的孔隙水压力 和孔隙气压力的增量是一种超孔隙压力
岩土工程中的岩土体非饱和土力学研究
岩土工程中的岩土体非饱和土力学研究在岩土工程领域中，研究非饱和土力学是一项重要的课题。
非饱和土力学研究着重于探究土壤中水分与力学性质之间的关系，以及非饱和土体的变形行为和力学性能。
本文将从非饱和土力学的基本概念入手，探讨非饱和土力学的研究方法和应用，最后展望其在岩土工程中的未来发展。
一、非饱和土力学的基本概念非饱和土体是指土壤中既有孔隙水，又有气体存在的土体状态。
与饱和土相比，非饱和土的孔隙水压力和气体压力处于不平衡状态。
由于非饱和土在实际工程中广泛存在，因此研究其力学性质具有重要的理论和实际意义。
非饱和土的力学性质主要受到土壤含水量的影响。
含水量越低，土壤的强度和刚度就越高。
因此，非饱和土的力学特性与饱和土存在差异，需要通过实验研究来获得准确的参数。
二、非饱和土力学的研究方法为了研究非饱和土力学，需要采用合适的实验方法和数值模拟手段。
1. 实验方法通过实验可以得到非饱和土体的水分特征曲线、渗透特性、强度特性等信息。
实验方法包括室内试验和室外试验。
室内试验主要包括自由膨胀试验、恒应力试验和三轴试验等；室外试验主要包括土体场地测试和模型试验等。
通过实验数据的收集和分析，可以得到非饱和土体的力学参数。
2. 数值模拟数值模拟是研究非饱和土力学的重要手段之一。
利用有限元、边界元和离散元等数值方法对非饱和土体进行模拟，可以得到土体应力、变形和孔隙水压力等的分布规律。
数值模拟可以辅助实验研究，提供更详细的信息，加深对非饱和土力学的理解。
三、非饱和土力学的应用非饱和土力学的研究成果可以应用于多个领域，包括土壤力学、岩石力学、地下水流和土木工程等。
1. 土壤力学非饱和土力学对土壤的变形、渗透和强度特性的研究具有重要的理论和应用意义。
在土壤工程中，非饱和土力学的成果可用于评估土壤的结构稳定性，指导土壤改良和加固等工程实践。
2. 岩石力学非饱和岩石的力学性质广泛存在于岩土工程中。
研究非饱和岩石的强度、渗透性和变形特性，可以为岩土体的工程设计和施工提供准确的参数，提高工程的可行性和可靠性。
非饱和土的水力和力学特性及其弹塑性描述
非饱和土的水力和力学特性及其弹塑性描述1 引言20 世纪60 年代剑桥模型的出现标志着现代土力学的开端。
随后各国学者提出相当数量的能统一描述饱和土应力-应变关系和强度的弹塑性本构模型，有关饱和土的弹塑性本构模型现状详见文献[1]。
但如何把饱和土的弹塑性模型推广到非饱和土，却一直困扰着学术界。
到80 年代末，西班牙加泰罗尼亚工业大学(UPC)以Alonso 和Gens 为主的研究小组首先建立了非饱和土的弹塑性本构模型[2－3]。
该模型可描述非饱和土的许多力学特性，如屈服应力随吸力增加而变大、因湿化而引起的湿陷变形等。
由于该模型的出现，到90 年代以后，非饱和土力学的研究又成为国际岩土力学学术界的研究热点问题之一。
现在该模型已成为非饱和土的弹塑性模型研究的经典，一般称它为BBM（Barcelona basic model，因UPC 在Barcelona）。
文献[3]的SCI和Scopus 引用次数已分别超过200 次和300 次，这在相对成熟的土力学领域是极其少见的，说明该论文的影响力。
近20 年来，已有相当数量非饱和土本构模型的学术论文问世，也有多位学者总结过该方向的研究现状。
比较著名的有：1995年在巴黎召开的第 1 届国际非饱和土会议上Wheeler、Karube[4]和Gens[5]分别作过代表当时最高学术水平的总结报告。
近年来，Gens 等[6]和Sheng 等[7]写过有关非饱和土本构模型方面研究成果的总结性论文。
国内学者也就非饱和土本构模型研究成果作过综述报告[8]和写过总结性论文[9－10]。
本文尽量避免与上述总结性论文重复，重点介绍近年发展起来的能统一地模拟非饱和土水力性状和力学性状耦合的弹塑性本构模型。
这类模型的开发、验证及应用已是近年非饱和土力学学术界的研究热点和非饱和土本构模型研究的主流，因为它比较完整地描述了非饱和土的性质（包括土-水特性和力学性质）。
为了使读者能理解此类模型的构成、特点及存在问题，本文介绍了笔者等人提出的耦合本构模型及预测结果，并对部分国内外相关研究成果作介绍和评述。
非饱和土力学03-吸力与SWCC
性，但是由于毛细作用的机理比较清楚，数学处理也比较 便利，所以在非饱和土力学的定量研究中常常还是将基质 吸力作用等同于毛细效应。
c (ua uw )
通常，基质吸力中的毛细部分可表示为：
1. 吸力的概念
基质吸力的探讨
理想化的基质吸力分布 处于地下水位以上的 非饱和土体的基质吸力大 小与土体的深度呈现一定 的关系。假定土壤地表基 质吸力为So , 地下水位 处基质吸力为0, 基质吸 力从地表至地下水位处线 性减小。
孔隙水势能——渗透作用
随着溶液溶质浓度的增加，渗透压力也逐渐增加，相 应的孔隙溶液的化学势能却降低
当土中有化学溶液输运时，土中孔隙水的化学溶度发 生改变，此时渗透吸力对土的性质具有较大的影响。 然而就其它情况而言可忽略吸力中的渗透部分。
1. 吸力的概念
孔隙水势能——毛细作用
随着交界面曲率的增大（意味着含水量降低，负孔隙水 压力的数值变得更大），化学势能会显著降低
也可以用饱和度表示
2. 土水特征曲线
土水特征曲线
2. 土水特征曲线
土水特征曲线
用于描述吸力与含
水量之间本构关系 的函数曲线
低含水量—孔隙水
结合水形式存在— 孔隙水势能较自由 水低 高含水量—孔隙水 以毛细形式存在— 孔隙水势能与自由 水间差值相对较小
2. 土水特征曲线
土水特征曲线
2. 土水特征曲线
1956年召开的力学研讨会上，Aitchison的一篇论文从热动力
学角度对土的吸力及其组成下来定义。这些定义已在岩土 工程学中被广泛接受。
土中吸力反映土中水的自由能状态
1. 吸力的概念
自由能
什么是自由能？ free energy
非饱和土力学读书报告
非饱和土力学读书报告前言本次读书报告是关于《非饱和土力学》一书的学习总结，该书由美国伊利诺伊大学的Glenn A.Fredlund和Harianto Rahardjo以及加拿大卡尔加里大学的Murray Fredlund等人合作编写而成。
非饱和土力学是近年来土力学领域的研究热点，了解非饱和土力学的基础理论和研究方法对于相关领域的学习和研究有着极为重要的意义。
非饱和土力学概述所谓非饱和土体，其所含水分处于饱和状态和干燥状态之间，在这个过程中，土体所表现出的力学性质迥然不同。
非饱和土力学是一门研究非饱和土体力学性质的学科。
在非饱和土力学中，土体的各项力学性质（例如变形特性、渗透特性等）都与饱和的情况有着显著的差异，比如非饱和土体的渗透系数一般较小，变形特性也具有不可压缩性等特点。
非饱和土力学的研究内容非饱和土力学的研究内容主要包括以下几个方面：非饱和土体的力学特性研究非饱和土体的力学性质随着水分含量的不断变化而发生变化，因此研究非饱和土体的力学特性，了解非饱和土体的力学性质对于工程中有效地应用土体具有重要意义。
非饱和土体的渗流特性研究非饱和土体的渗流特性也是非常重要的研究方面。
非饱和土体的渗流特性直接影响着土体的稳定性，同时还影响着土壤含水量、地下水位等环境因素的变化。
非饱和土体的变形特性研究非饱和土体的变形特性是土力学领域中非常重要的研究内容。
非饱和土体的变形特性包括土体的压缩、固结、膨胀等变形特性，影响着土体的稳定性以及与其他构件相互作用的性质。
非饱和土体的渗透特性研究方法非饱和土体的渗透特性是非常重要的研究方向。
常见的非饱和土体渗透特性研究方法包括：稳态贯入试验稳态贯入试验是常用的渗透计试验。
在稳态贯入试验中，通过测量土壤内部水压随时间的变化，可以计算出土壤的稳态渗透系数。
稳态贯入试验是一种简单易行的非饱和土体渗透实验方法，可以应用于室内和场地试验。
非稳态渗透实验非稳态渗透实验是一种强大的非饱和土体渗透研究方法。
高等土力学-非饱和土
SW
1,0 Sm=1,0
Sr ——残余水饱和度：在 该饱和度下，增加基质吸 力并不引起饱和度的显著 变化
典型土水特征曲线
土水特征曲线及特性
不可置换的孔隙
高等土力学
(pa-pw)
残余水饱和度 最大气饱和度
残余气饱和度 最大水饱和度 SW 0,8 1,0
残余气饱和度Sw：当基 质吸力减小到为零时的 含气量，说明存在不可 置换的孔隙。 滞后效应：脱水和吸水 过程得到的土水特征曲 线是不同的，对应同一 基质吸力，两条曲线上 对应不同的饱和度
土水特征曲线及特性
高等土力学
含水量 w [%]
基质吸力与土的饱和
度或含水量有关，它 们之间的关系曲线称 土水特征曲线
60 50 40 30 20
粘土 粉土
它反映了土体孔隙系
统的持水能力。土水 特性不仅取决于流体 的特性，而且还与土 的结构构成，吸水、 脱水过程也有关
10
砂
0 0.01 0.1 1
高等土力学
2T sin 2 R u sin
u+u
u
圆柱面
张力T
R
T u R
张力T
R1 R2 T
T
u+u u
u+u
u
球面 u
2T R
椭球面 u T (
1 1 ) R1 R2
交界面两侧的压力差
基质吸力
高等土力学
非饱和土中，水-气交界面两侧的压力差称为基质吸力
水封闭
双开敞
气封闭
当气和水都连通，均可能发生流动，称为双开敞体系。 相应饱和度对于粘土约为50％－90％；对于砂土30％ －80％，这种情况是研究非饱和土渗透性的主要课题。 一般需分别考虑空气的流动和水的流动。
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石家庄铁道大学
研究生课程考试答题纸
培养单位土木工程学院
学科专业岩土工程
课程名称非饱和土力学
任课教师冯怀平
考试日期 2011-12-28
学生姓名李幸吉
学号 120110404
研究生学院
4 非饱和渗流场与应力场耦合分析
非饱和渗流场与应力场的耦合机制为：介质内渗流会产生渗透力，进而改变应力场及其分布；应力场的变化又引起介质孔隙率等的变化，从而改变其渗透系数及渗流场，这一点可以从考虑了应力的土-水特征曲线（即式（3））得到体现。
从而两场是耦合的。
目前，解决两场耦合问题常用的方法还是迭代解法。
本文同样采用迭代的方法。
该程序先假定一初始应力场，计算围压后，通过式（3）、式（7）计算渗透系数，即从考虑固结压力的土-水特征曲线入手，建立应力与渗透系数的关系，从而计算渗流场，实现两场耦合计算。
其中，应力计算采用弹塑性有限元计算程序，非饱和径流-渗流耦合计算采用第3节中所述方法。
笔者在现有程序基础上，自编两场耦合有限元分析程序CPSS，用于耦合分析。
其计算流程图如图 1 所示。
目前在工程实践中渗流对土坡稳定的影响分析一般采用传统的极限平衡法(LEM) ,强度折减有限元方法也已成功用于分析干土坡的稳定性。
Gri ffiths D V和Lane P A[1 ]分析了稳定渗流对土坝稳定性影响的算例,但文中假定土体内的浸润线为直线且没有采用非饱和渗流分析以及没有考虑非饱和区的影响。
Cai F和Ugai K[2 ]采用该技术并结合非饱和非稳定渗流有限元程序用于分析降雨作用下的土坡稳定性。
Lane P A和Gri ffiths D V[3 ]采用强度折减技术用于确定水位缓降以及水位刚骤降瞬时这两种极端情况的土坡稳定性,但其中没有考虑非饱和非稳定渗流的影响。
黄茂松和贾苍琴[4 ,5 ]利用强度折减有限元方法分析了饱和- 非饱和非稳定渗流条件下土坝的安全系数,并与极限平衡法进行初步的比较。
韦立德[6～8 ]先后研制了饱和稳定渗流下的强度折减有限元程序、饱和- 非饱和稳定渗流下的强度折减有限元程序、考虑泡水强度降低的饱和稳定渗流下的强度折减有限元程序和考虑饱和稳定渗流下饱和区膨胀变形的强度折减有限元程序等,并把程序计算结果和常规极限平衡法的计算结果进行对比,并得到了一些有价值的结论。
饱和- 非饱和渗流计算基本方程和耦合原理
基本方程
假设地下水渗流在微段压力梯度上遵从Darcy定律。
对于稳定饱和- 非饱和渗流场(无内源时)的简单情况计算归结为求解满足边界条件的拟调和方程:
式中: kr是相对渗透率; H和H1分别是渗流场水头和Γ1类边界条件上的已知水头; Kx、Ky 和Kz 分别是x、y 和z 方向的渗透系数; qn是Γ2类边界条件上单位面积流量;Γ3为饱和逸出面边界;Γ4为非饱和逸出面边界; q θ是Γ4类边界条件上单位面积流量。
把整个计算空间域离散成有限元的实体单元,应用Galerkin有限元法求式(1) ,得到各节点的水头和流体流速等信息。
2. 1. 2耦合原理
这里不考虑力学过程对渗流场产生的影响,而只考虑渗流场对力学过程产生的影响。
假定岩土体在孔隙流体作用下遵循太沙基有效应力原理[2 ]
:
式中:σ ij是总应力张量分量;σ ′ ij 是有效应力张量分量; p 是压力水头; ua 是岩土体孔隙中气相的压力水头,一般取为0;<b 是与基质吸力( ua - p) 有关的内摩擦角; <是基质的内摩擦角。
采用以上耦合过程,来考虑地下水的渗流对岩土体产生动水压力和静水压力,在孔隙水压力的作用下减少岩土体的有效应力,从而降低了岩土体的剪切强度,和孔隙水压力使滑动面的滑动力增大,由此引起的边坡稳定性降低。
2. 2. 1抗剪强度折减有限元法所谓抗剪强度折减技术就是将抗剪强度指标c 和<,用一个折减系数Fs 如式(3) 和(4) 所示的形式进行折减,然后用折减后的虚拟抗剪强度指标cF和<F ,取代原来的抗剪强度指标c和<,在有限元分析中使用。
式中: c是粘聚力; <是内摩擦角。
在弹塑性有限元数值分析中,折减系数Fs 的初始值取得足够小,以保证开始时是一个近乎弹性的问题。
然后不断增加Fs 的值,折减后的抗剪强度指标逐步减小,反复对边坡进行分析,首先部分单元开始屈服,应力在单元之间重新分配,局部失稳逐渐发展;直到某一个临界状态,在虚拟的折减抗剪强度下整个边坡发生失稳。
那么在发生整体失稳之前的那个折减系数值,即实际抗剪强度指标与发生虚拟破坏时折减强度指标的比值,就是这个边坡的稳定安全系数。
这种稳定分析方法称为抗剪强度折减有限元法(SSRFEM)[2 ,9～12 ]。
使
用抗剪强度折减有限元法不仅可以直接得出边坡的稳定安全系数,不需要事先假设滑裂面的形式和位置,还可以得到边坡内各单元的应力和变形情况,给出破坏区域,从而大致给出破坏面的位置。
这里定义的抗剪强度折减系数,与极限平衡分析中所定义的边坡稳定安全系数在本质上是一致的。
用强度折减有限元法分析边坡的稳定性,采用解的不收敛作为破坏标准。
在指定的收敛准则下算法不能收敛,即表示应力分布不能满足土体的破坏准则和总体平衡要求,意味着出现破坏。