非饱和土土力学(新)
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。
用土力学的新概念揭开非饱和土力学之谜
用土力学的新概念揭开非饱和土力学之谜蒙理明【摘要】该文用土力学的新概念解答了有效应力、吸力、经典凝聚力、抗剪强度、土的压缩变形及固结等等问题。
在抗剪极限状态，颗粒接触点、结合水膜和表面张力收缩膜的对应项是有效应力。
在绝对压强下，再没有负的土中自由水压力之说。
非饱和土的吸力有4项，包括颗粒摩擦或咬合、结合水膜、表面张力收缩膜、水气不抵大气压强抗拉强度。
经典凝聚力等价于初始抗剪强度，有2项，包括真凝聚力和初始摩擦抗剪强度。
天然非饱和土的抗剪强度有4项，包括膜、水气不抵大气压强自重应力、土自重应力、附加重力的抗剪强度贡献。
应该用总应力模式分析土的压缩变形及固结，非饱和土的本构关系应该是总应力、水分与总应变的关系。
%This paper answers effective stress,suction and the classic cohesion,shear strength,compressive de-formation and consolidation of soil,and so on with new concept of soil mechanics.In shear limitstate,corresponding item of the particle contact point,combined water film and the surface tension contraction film is the effective stress. Under the absolute pressure,and there is no free water in the soil of negative pressure.The unsaturated soil suction has four,including particle friction or occlusion,combined water film,surface tension contraction film,water and gas do not cover the atmospheric pressure tensile strength.Classic cohesion is equivalent to the initial shear strength,there are 2items,Including true cohesion and initial friction shear strength.Natural unsaturated soil shear strength has 4 i-tems,Including film,water and gasdo not cover the atmospheric pressure gravity stress,earth gravitystress,addi-tional gravity to the shear strength.The total stress pattern should be used to analysis compression deformation and consolidation of soil.And unsaturated soil constitutive relation should be the relationship among total stress,moisture and total strain.【期刊名称】《建材世界》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】7页(P64-69,74)【关键词】吸力之谜;结合水膜;表面张力收缩膜;真凝聚力;初始摩擦抗剪强度;总应力模式【作者】蒙理明【作者单位】海南城安和兴房屋安全鉴定有限公司，海口 570203【正文语种】中文赵成刚等[1]指出,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。
非饱和土力学理论的研究意义及其工程应用
本文在扼要介绍了当前非饱和土力学在土材料基本特性方面的主要成果后,对进一步研究的有关问题做一些力所能及的探讨.本文的内容包括基本特 性和若干思考两个部分.
5.期刊论文 刘海宁.刘汉东.王思敬.LIU Hai-ning.LIU Han-dong.WANG Si-jing 黄河下游堤防非饱和土边坡稳定
人民长江 YANGTZE RIVER 1999，30(7) 12次
参考文献(1条) 1.Fredlund DC.Rahardjo H 非饱和土力学 1997
相似文献(10条)
1.期刊论文 姚攀峰.张明.张振刚.祁生文.YAO Panfeng.ZHANG Ming.ZHZNG Zhengang.QI Shengwen 非饱和土土力
参考文献
１ ｈ删Ｄｃ，ｆｔａＩｌａ嫡ｏＨ．非饱和土力学．北京：中国建筑工业出版社，
１９９７． 作者简介 龚壁卫 男 长江科学院土工所工程师 湖北省武汉市４３∞１０ 刘艳华女长江科学院土工所硕士湖北省武汉市４３００１０
●…，…】…，忡，一＿ 詹良通男 河海大学硕士江苏省南京市２１００％ （收ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ日期：１９９８—０９—０ｒ７编辑：车友宜）
性分析 -岩石力学与工程学报2005,24(20)
利用应力应变控制式非饱和土三轴仪进行了室内非饱和土的渗透试验和强度试验,并得出了非饱和土的渗透参数和强度参数.针对黄河下游堤防这一 典型的非饱和土边坡,采用有限单元法系统地分析了堤防非饱和土边坡在降雨和洪水作用下的非饱和渗流场特征;在此基础上应用非饱和土坡的刚体极限 平衡理论中的普通条分法对堤防边坡稳定性受非饱和渗流场变化影响的大小进行了分析与计算.结果表明,对黄河下游堤防的非饱和土边坡在降雨和洪水 条件下的分析研究具有实际意义.
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
非饱和土土力学(新)
传统（经典）土力学的局限
1、传统土力学理论都是针对饱和土建立的，对非饱和土无能为力，只
能称之为饱和土力学
两相介质(固体和液体)
只涉及土的变形，不考虑水量的变化（因为对饱和土
v w）
唯一应力状态变量——有效应力
用总应力或有效应力分析
pw
传统（经典）土力学的局限
一屈服面模型。
* p0 p0 ms n[e / patm 1]
吸力的影响
200
吸力 s(kPa)
150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 300 净平均应力 p(kPa)
LC屈服面
s
s * p p0 ms n e pat 1
Ri (1 sin )( 1 3 ) 3 ua m 2 0 Et patm[1 ] ( K m1s)( ) b 2(c s f tan ) cos 2( 3 ua ) sin patm
Kt Kt0 m2 s
起始模量、体积模量、土骨架和水量变化都与吸力有关
修正SSCC 含水率4.8% 含水率15.2% 含水率25.4% 未修正SSCC 饱和试样
'
10 20 30
饱和破坏包络线 40 50 60
和及非饱和时，其摩擦
角变化不大，主要是粘 聚力随含水量在变化。 明确了粘聚力的物理含 义。
-50
-40
-30
-20
-10 0 -20 -40
n '(kPa)
未修正SSCC曲线
-60 -80 修正SSCC曲线 -100
(ua uw)(kPa)
) tan ( ua ) tan ( s
非饱和土固结试验
石家庄铁道大学研究生课程论文培养单位土木工程学院学科专业建筑与土木工程课程名称非饱和土力学任课教师考试日期 2015.1.15学生姓名学号研究生学院非饱和土固结实验报告一、非饱和土固结试验工程意义土体的压缩变形特性决定了地基沉降量的大小和固结时间的长短, 尤其是非饱和土体的压缩变形特性是目前工程界关注的焦点。
在荷载作用下，土体中产生超孔隙水压力，在排水条件下，随着时间发展，土中水被排出，超孔隙水压力逐渐消散，土体中有效应力逐渐增大，直至超孔隙水压力完全消散，这一过程称为固结。
饱和土的固结可视为孔隙水压力的消散和土骨架有效应力相应增长的过程。
非饱和土的孔隙中同时含有气体和水，固结过程中，土中水和气会发生相互作用，非饱和土要涉及两种介质的渗透性，而且非饱和土的渗透性受土的结构性影响相当显著。
这些使非饱和土的固结过程非常复杂。
由于土体内部结构复杂, 使得非饱和土体在固结变形特性上与饱和土体存在巨大差异, 同时也导致非饱和土地基在设计和施工中存在大量不确定因素。
因此掌握非饱和土体的固结变形机理, 并且有针对性的对地基沉降加以控制是目前极待解决的问题。
二、实验方案通过一维固结试验，利用实验数据整理出在分级施加垂直压力p下试件的竖向变形s与时间t的s-t曲线、试件排水v与时间t的v-t曲线以及e-p曲线，研究非饱和重塑粉质粘土在饱和度Sr=0.569下的压缩变形特性。
1.土样本实验使用重塑非饱和粉质粘土，土的压实度DC=0.9 、含水率w=12%、土粒比重Gs=2.72、最大干密度pdmax=1.92g/com，实验中的试件尺寸为Ф61.8mm×H20mm，总质量m=116.04g，其中固体颗粒质量ms=103.6g2. 实验设备本实验采用的非饱和土固结仪（如图1-1所示）由中国人民解放军后勤工程学院、电力部电力自动化院大坝所、江苏省溧阳市永昌工程实验仪器有限公司联合研制生产。
其主要结构有:2.1 压缩部件：由压缩容器、压力室座、导环、陶土板、透水板、加压帽表杆支座等组成，承放土样用。
非饱和土力学04-有效应力
4. 双应力变量理论
4. 双应力变量理论
轴平移技术的局限性
轴平移技术适用与气相连续的土，如果土中存在气泡，测
得基质吸力会偏高 Baker和Frydman讨论了非饱和土力学中吸力和轴平移技术的 局限性。他们指出当气压近似认为1atm时，基于毛细现象 的基质吸力，近似等于负孔隙水压力既孔隙水张力。受气 化的影响，孔隙水中的张力不可能大于某一界限值（100400kPa左右）。在实际场地中大于这一值的基质吸力，由于 受孔隙水气化的影响，是不存在的。所以当吸力超过这一 界限值（100-400kPa左右）时，它代表什么，具有何种含义？ 此时非饱和土有效应力的适用性如何？
该点处各个方向截面上应力的集合，称为一点处的应力状态
z
zx
y yz
xy
x
x xy xz ij = yx y yz zx zy z
1. 应力状态变量
应力状态
zx
材料力学
z +
正应力
剪应力
-
zx
土力学
z
xz+x拉为正 压为负顺时针为正 逆时针为负
4. 双应力变量理论
轴平移技术
表压力
绝对压力
4. 双应力变量理论
轴平移技术
轴平移技术：最初由Hilf（1956）提出，在升高非饱和土内
孔隙气压力的同时，把孔隙水压力维持在可测量的参考值 内。
原来的基质吸力变量的参考值，称之为“轴”，从负的水
压和大气压条件“平移”到大气水压与正的气压条件。
可保持固 定的形状
不具有特 定的形状
1. 应力状态变量
土——多孔介质
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。
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
非饱和土状态相关本构关系及应用-哈尔滨工业大学深圳
基于以上三点重要科学发现，建立了状态相关非饱和土弹塑性本构模型，并基于本项目发明的一系列非饱和土测试仪器提出了简单可靠的本构模型参数标定方法，形成了状态相关的非饱和土力学理论体系，出版了《Advanced Unsaturated Soil Mechanics and Engineering》英文专著。
知识产权名称
专利1：All-weather landfill soil cover system for preventing water infiltration and landfill gas emission（US9101968 B2）
专利2：用于土工离心机中模拟植物蒸腾作用的试验装置及方法（CN103424535B）
论文5：A state-dependent elasto-plastic model for saturated and unsaturated soils
论文6：Performance of an unsaturated expansive soil slope subjected to artificial rainfall infiltration
陈锐（副教授、哈尔滨工业大学(深圳)、哈尔滨工业大学(深圳)；陈锐博士和吴洪伟教授共同研发了一系列非饱和土吸力测量仪器，包括新型土体吸力传感器和现场土壤水势测量仪等，也提出了全天候毛细阻滞覆盖系统，获得美国发明专利，他是其中1篇的通讯作者）
周超（讲师、广州市香港科大霍英东研究院、广州市香港科大霍英东研究院；周超博士和吴宏伟教授建立了应力状态土水特征曲线理论模型。本项目的10篇代表性论文里，他是其中2篇的第一作者/通讯作者）
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。
非饱和土的一般特性和工程意义
非饱和土的一般特性和工程意义饱和土，一般认为是由固相(土粒及部分胶结物质)和液相(水和水溶液)组成的两相体，即通常所说的仅由土粒和孔隙水组成的饱和土，它仅是非饱和土特例情况，采用饱和土力学无法全面地分析和解释土的行为，比如地基中的负孔隙水压问题、毛细作用下低于防渗心墙墙顶的地下水向上越过心墙产生的渗流问题等，因为地下水位线以上的土体大都处于非饱和状态，气相(比如空气及水蒸气等)的加入使得土的物理力学性质更加复杂多变。
本文将从以下几个方面来分析1. 非饱和土的强度特征非饱和土与饱和土在力学方面最大的区别是吸力的存在，吸力使得非饱和土性质与饱和土有较大不同，对非饱和土的变形和强度有很大影响，吸力的存在会提高非饱和土的强度。
吸力是土体内部土颗粒的表面与孔隙内的水和气相互作用而产生的，与外荷载作用没有直接联系。
总吸力通常包含基质吸力和溶质吸力两部分。
当不考虑土体中孔隙水化学浓度变化时，溶质吸力的影响可以忽略，此时主要关注基质吸力。
基质吸力主要受水-气交界面（即张力收缩膜）的影响，并且与饱和度的变化密切相关，常用土水特征曲线来表征。
基质吸力一般又由两部分组成：毛细部分和粘吸部分。
毛细部分吸力，对非饱和土的性质和行为有两种作用或影响：①吸力的变化会引起非饱和土的平均骨架应力的变化（通过孔隙内流体的平均压力的变化引起）。
②由于毛细水表面的拉力提供了颗粒之间的附加拉力，因此形成了土颗粒之间的一种黏聚力。
1.1 吸力对抗剪强度的影响通过大量学者对非饱和土抗剪强度问题的研究和试验，可以观察到两个基本趋势：一是抗剪强度会随着净法向应力的增加而增加；二是抗剪强度会随着基质吸力的增加而增加。
但是，净法向应力往往比吸力的作用更加明显。
1.2 吸力对抗拉强度的影响虽然土体抗拉能力相对较弱，但土特别是非饱和土仍然可以承受一定的拉力，具有一定的抗拉强度，且这种抗拉强度在一些工程问题中非常重要。
当抗拉强度不足时，在拉应力的作用下土体会出现开裂，会对土工建筑物产生极大的危害。
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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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
m o g a
15℃ 30℃ 45℃ 60℃
温度
3 u a 100kPa
u a u w 100 kPa
15℃ 30℃ 45℃ 60℃
吸力的影 响
400 350
/kPa
300 250 200 150 100 50 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Conservation of water mass
Conservation of solid mass
Equilibrium
w n div ( jw ) 0 t
Darcy’s lawFra bibliotek s (1 n) ) 0 b 0 div ((1 n) s u t
非饱和土土力学理论
3、非饱和土的强度理论
（2）Fredlund的抗剪强度公式
基于土水特征曲线的表达式
f c ( ua ) f tg (ua uw ) f tg b
f c ( u a )tg (u a u w )(
tg tg (
（1）Bishop的抗剪强度公式
f c （ ua ) f tg (ua uw ) f tg
非饱和土土力学理论
3、非饱和土的强度理论
（2）Fredlund的抗剪强度公式
f c ( ua ) f tg (ua uw ) f tg b
3-D consolidation
2 2 2 p p pw pw 1 p k k 2 w w pw 2 2 2 wm w m x y z t 3 t
Biot (elastic)
传统（经典）土力学的局限
固 结 理 论
平衡方程
280 240
320 280
/kPa
/kPa
200 160 120 80 40 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
240 200 160 120 80 40 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
温度
3 u a 50kPa
u a u w 100 kPa
强度理论与本构模型
库仑公式 本构模型
屈服面
f c tg
Ducan－Chang模型 ， 剑桥模型
极限状态面
传统（经典）土力学的局限
固 结 理 论
pw
1-D consolidation
k 2 pw pw 2 wm z t
(Lambe & Whitman,1969)
缪林昌结合Bishop公式和Fredlund公式，直接用含水量或饱和度来表示非饱和土的强度：
f cw tanw
1
lg c a1 b1w
lg a2 b2 w
f c tan A110B w tan(A210B w )
2
A110
B1
传统（经典）土力学的局限
1、传统土力学理论都是针对饱和土建立的，对非饱和土无能为力，只
能称之为饱和土力学
两相介质(固体和液体)
只涉及土的变形，不考虑水量的变化（因为对饱和土
v w）
唯一应力状态变量——有效应力
用总应力或有效应力分析
pw
传统（经典）土力学的局限
一屈服面模型。
* p0 p0 ms n[e / patm 1]
吸力的影响
200
吸力 s(kPa)
150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 300 净平均应力 p(kPa)
LC屈服面
s
s * p p0 ms n e pat 1
修正SSCC 含水率4.8% 含水率15.2% 含水率25.4% 未修正SSCC 饱和试样
'
10 20 30
饱和破坏包络线 40 50 60
和及非饱和时，其摩擦
角变化不大，主要是粘 聚力随含水量在变化。 明确了粘聚力的物理含 义。
-50
-40
-30
-20
-10 0 -20 -40
n '(kPa)
s patm H t 3 ln10 ( p)
H wt
s p atm ds 3 ln 10 d w w ( p)
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
吸力随含水量变化，其表现形式不同
非饱和土土力学理论
吸力随含水量变化，其表现形式不同
非饱和土土力学理论
1、非饱和土应力状态
非饱和土的应力—应变
非饱和土土力学理论
2、非饱和土的有效应力
Fredlund(1978)
( u a ) (ua uw )
k
k
r s r
Se Gs
tan(A210
B2
Se Gs
)
非饱和土土力学理论
3、非饱和土的强度理论
（5）陈正汉等认为，土的强度随温度和吸力的升高而增大，重塑黄土的凝聚力随 吸力增加而提高，内摩擦角则基本不变，据此建立了土的广义抗剪强度公式：
f c k T T (ua uw )f tan b ( ua )f tan
p
SI屈服面 统一屈服面
p-s平面的屈服轨迹
p-q平面的屈服轨迹 统一屈服面模型
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（Sheng Daichao）
非饱和土应力应变关系
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（Sheng Daichao）
未修正SSCC曲线
-60 -80 修正SSCC曲线 -100
(ua uw)(kPa)
) tan ( ua ) tan ( s
f C0
( uw ) tan ' C 0 tan '
f
非饱和土土力学理论
3、非饱和土的强度理论
（4） 直接用含水量表示的抗剪强度公式
非饱和土应力应变关系
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（Sheng Daichao）
非饱和土应力应变关系
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（Sheng Daichao）
非饱和土应力应变关系
式中为总势能
m 为基质势，由土粒对水的吸引力引起；
o为溶质势，由溶解盐离子的作用力产生；
g 为重力式；
a 为气压势。
s ua u w
基质吸力
非饱和土土力学理论
非饱和土存在双应力状态变量：净正应力和基质吸力
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。
非饱和 状态
颗粒与颗粒之间的接 触作用力 （Ⅲ型）
负的孔隙水压力
非饱和土土力学理论
2、非饱和土的有效应力
Ft
Lu Ning(2001)
' u s'
a
C0
吸应力
s' (u u )
pc C0 cap a w
毕肖普定义的非饱和 土有效应力没有切实考虑 物理化学机制和表面张力 机制中的颗粒间应力，概 念并不是十分明确。