非饱和土简化固结理论及其应用
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.
非饱和土的力学理论
文章编号:1000-582x(2000)S0-0197-04非饱和土的力学理论Ξ陈正汉,王权民,李 刚,孙树国(后勤工程学院土木工程系,重庆 400041) 摘 要:介绍了笔者多年来在非饱和土力学领域研究的主要理论成果。
内容包括非饱和土的建模理论、应力理论、渗流理论、本构理论和固结理论,其中本构理论和固结理论都涉及线性、非线性、弹塑性、结构性、动力特性和热力特性等6个方面。
关键词:非饱和土;力学理论;渗流理论;本构模型;固结模型 中图分类号:TU43;O357.3 文献标识码:A 非饱和土的力学理论包括渗流理论、本构理论、强度理论和固结理论,其中非饱和土的固结涉及水气渗流和土骨架的变形两个方面,是一个综合问题。
非饱和土中渗流包括水流和气流,变形有线性、非线性、弹塑性、结构性、动力特性和热力特性之分,从而组成了非饱和土的本构模型谱系和固结模型谱系。
通过笔者的多年努力,这两个谱系已基本形成,笔者简要介绍有关研究成果。
1 非饱和土建模的公理化理论体系渗流理论、本构模型和固结模型都是数学模型,建模需要理论指南。
1994年,笔者融理性力学、不可逆过程热力学和土力学的精华于一体,建立了岩土力学的公理化理论体系[1]。
该理论体系包括5个基本定律和8个本构原理,对饱和土与非饱和土都适用。
5个基本定律是:质量守恒定律、动量守恒定律、动量矩守恒定律、能量守恒定律和热力学第二定律。
8个本构原理是:等存性原理、相容性原理、客观性原理、Curie对称原理、Onsager原理、压硬剪胀原理、有效应力原理和记忆原理。
2 非饱和土的应力理论[2,3]非饱和土是固-液-气三相复合介质,描述应力状态一般需要三个应力张量。
在不计土粒的压缩性时,则可用两个应力状态变量σij-u aδij和(u a-u w)δij描述,分别称为净总应力张量和吸力张量;也可用下式表达的有效应力刻划之:σ′ij=σij-u aδij+χ(u a-u w)δij称为Bishop公式,其中σij、σ′ij、u a、u w分别是总应力、有效应力、孔隙气压力和孔隙水压力,χ是有效应力参数,与土的饱和度及应力路径有关,且0≤χ≤1。
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
非饱和土的一维固结特性研究
非饱和土的一维固结特性研究非饱和土的一维固结特性研究引言：非饱和土是指土壤中含有一定比例的空气和水分的土体，它与饱和土相比具有独特的水力和力学特性。
在土力学领域中，非饱和土的研究一直备受关注，因为它在工程实践中的应用十分广泛。
本文旨在对非饱和土的一维固结特性进行研究和探讨，为相关工程项目提供理论依据和实践指导。
一、非饱和土的形成和特点非饱和土的形成是由于土壤中存在一定比例的空气和水分。
当降雨逐渐渗入土壤时，土壤中的空隙开始充满水分，形成饱和状态；而在降雨停止后，土壤的排水过程使地下水位逐渐下降，土壤中的空隙开始脱水，形成非饱和状态。
非饱和土与饱和土相比，具有以下特点：1. 含水量变化范围广：非饱和土的含水量可以从极低至极高，具有更大的变化范围。
2. 孔隙比表面积大：非饱和土中的气-液界面较饱和土更多，因此具有较大的孔隙比表面积，进而影响其水力和力学性质。
3. 介质特性复杂：非饱和土中空隙中存在气相和液相，并且随着含水量的变化，土壤毛细力的作用也会发生变化，导致非饱和土具有复杂的介质特性。
二、非饱和土的一维固结理论非饱和土的一维固结是指土壤在垂直方向上的压缩变形。
由于非饱和土的特殊性，其一维固结特性受到水分含量、孔隙比表面积等因素的影响。
1. 细观尺度分析：非饱和土的一维固结特性可以从细观尺度上来进行分析。
在微观尺度上，空气和水分子在孔隙中的运动对土壤固结产生重要影响。
空气和水分子的移动会导致土壤颗粒之间的迁移与重排，从而引起固结变形。
2. 黏聚力和毛细力作用：非饱和土的固结还与土壤中的黏聚力和毛细力作用相关。
黏聚力是土壤颗粒表面的吸附力，而毛细力是由于毛细管效应引起的吸附力。
黏聚力和毛细力的存在会增强土壤颗粒之间的吸附作用，从而增大土壤的固结效应。
3. 孔隙比表面积对固结的影响：非饱和土的固结特性还与孔隙比表面积有关。
孔隙比表面积越大，非饱和土的含水量变化对固结效应的影响就越显著。
三、非饱和土的一维固结实验研究为了了解非饱和土的一维固结特性，许多实验研究已被开展。
饱和土与非饱和土固结理论及有效应力原理浅谈
cv
三维：
cv3
=
1+ 2k0 3
cv
式中： Cv2,Cv3 ：二维及三维固结系数，可按下式求得：
Cv 2
=
1+ k0 2
Cv，Cv3
=
1+ 2k0 2
Cv；
其中： k0 ：土的静止侧压力系数； Cv ：一维固结系数。 此后 Biot 又分析到太沙基固结理论假定饱和土体在固
结过程中，各点的总应力不变，并且只有一组超静水应力 u
大学学报，2002 年第四期
论，因此建立成熟的非饱和土固结理论还需要时间。 二、有效应力原理及饱和土的渗透固结理论
在饱和土中，根据有效应力原理，饱和土体内任一平面
上受到的总应力等于有效应力加孔隙水压力，有效应力就是
饱和土唯一控制其变形和强度变化的应力状态量。其表达式
为 σ ' = σ − uw 这就是的饱和土有效应力理论。饱和土中，有效 应力概念抓住了饱和土粒间作用力的本质及变形破坏的内在
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。Scott 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，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
+
Cvw
∂2uw ∂z 2
;
∂ua ∂t
= −Ca
∂ua ∂t
+ Cva
∂2ua ∂z 2
;
式中 Cw 、 Ca 分别为液相方程和气相方程的相互作用常 量；Cvw 、Cva 分别为液相和气相的固结系数。Fredlund 的固 结理论可以看作是 Terzaghi 固结理论的的推广，概念明确， 形式简单，但也具有与 Terzaghi 固结理论类似的缺点，即 假定总应力在固结过程中不变，本构方程中参数的测定也很 困难。为了导出孔隙压力消散方程，采用了过多的与实际情 况不大相符的简化假设。
简析饱和土与非饱和土固结理论
研究探讨Research308简析饱和土与非饱和土固结理论李向群1（指导老师）刘帅2（吉林建筑大学测绘与勘察工程学院，吉林长春130118）中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号1007-6344（2020）02-0001-01摘要：这篇文章通过对饱土和非饱和土各自的概念以及目前国内外的研究成果进行了简要的阐述，为了在今后土的固结试验与研究当中应注重二者的区别于联系，来促进在固结理论的进一步深入研究打下基础。
关键词：饱和土；固结理论；非饱和土0 引言近些年，随着我国基础建设的大力推进，人们对岩土工程行业的技术提出了更高的要求。
土固结问题在工程实践当中随处可见的，而土的固结理论的研究对建筑物沉降、地基稳定以及地基的设计与处理都有指导性的作用。
土体在外力作用下土体受压收缩并伴随着水从孔隙中排出，土骨架在孔隙水压力的作用下发生变形并缓慢的趋于稳定，这就是固结的过程。
在土体结构内部土骨架有效应力的增加过程和孔隙水压的消散的过程可以看作饱和土的固结过程。
对非饱和土而言，气体与水同时存在土的孔隙当中，其固结过程是水与气之间的相互作用。
由于孔隙水非饱和土中的渗透性、孔隙气的渗透性以及土中的水分与土体结构的影响，这些因素将极大地影响非饱和土固结的研究。
目前，在实践当中还没有发现有成熟与适用的非饱和土固结理论，故在未来对非饱和土固结这个领域的研究还是非常有意义的。
1 饱和土固结理论研究饱和土实质上是在土体结构内部土颗粒周围的孔隙被水充满的二相体系。
对于透水性好的饱和土（沙土、碎石头），其变形所经历的时间段短，可以认为在外荷载施加完毕时，土体的结构就已经趋于稳定了。
如果对于透水性好的软粘土而言，其固结变形需要几年甚至几十年才能完成。
人们普遍的认为土力学学科的诞生是基于太沙基固结理论和有效应力原理的提出。
太沙基固结理论与有效应力原理都是由美国著名的土力学家太沙基所证明推广得到并且得到了岩土工程界学者们的认可。
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。
非饱和土固结理论新进展
2非饱和土的固结理论研究
由于非饱和土在土体压缩时土体骨架孔中的气体部分溶解在水中，因此其渗透性和压缩性远比饱和土壤复杂。因此，到目前为止，还公认的成熟的非饱和土壤固结理论。建立非饱和土固结理论有几个主要困难：
（1）饱和粘土固结理论的一个基本假设是土体变形连续，但对于非饱和土，土壤中的气体具有较高的压缩度，由于一些气体溶解在水中，很难达到严格的连续变形。
[4]卢再华.非饱和膨胀土的弹塑性损伤模型及其在土坡多场耦合分析中的应用[博士学位论文D].重庆：解放军后勤工程学院，2001.
参考文献：
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[3]谢定义，陈正汉.非饱和土力学特性的理论与测试[A].非饱和土理论与实践学术研讨会文集[C].北京：中国土木工程学会土力学及基础工程学会，1992.
（2）非饱和土壤渗透率包括渗透率和透水性，渗透率与非饱和土的基质吸力和含水量密切相关，干湿循环过程中水分含量相同土壤含水量，渗透率也不一样，即渗透率和含水量不是单值函数，因此渗透系数的不易被测得。
高速铁路地基加固技术分析
高速铁路地基加固技术分析[摘要]高速、重载铁路技术的发展，加剧列车线路系统的动力相互作用，使路基的变形和破坏出现了一些新的特征，基床变形已成为路基的主要病害。
基床表层是路基直接承受列车荷载的部分，是铁路路基最重要的组成部分。
本文笔者分析了高速铁路地基加固技术。
[关键词]高速铁路地基加固技术中图分类号：tu348 文献标识码：a 文章编号：1009-914x（2013）13-0129-01引言饱和土理论作为土力学的基石，理论体系已经日趋成熟，并且在工程实际中得到广泛应用。
与饱和土相比，非饱和土在自然界中的分布范围更广，在工程实际中的应用也更多，其工程特性更为复杂，但理论体系尚不十分完善，工程应用有很大的局限性。
本文笔者分析了高速铁路非饱和土地基加固技术。
1 非饱和土地基加固机理地基处理的目的是采取切实有效的措施，改善地基土的工程性质，达到满足建筑物地基稳定和变形的要求。
高速铁路非饱和土地基处理立足于以下几个方面：（1）提高地基土强度，增强路基和地基系统稳定性；（2）降低地基土的压缩性，控制地基沉降变形尤其是不均匀沉降；（3）改善地基土渗透特性，缩短放置时间，减少工后沉降；（4）改善地基土动力特性，提高其抗振性能，减少列车荷载对路基和地基所产生的累积沉降变形；（5）改善地基的不良特性，满足其工程性质的要求。
2 非饱和土加固工技术2.1 浅层换填2.2 强夯加固强夯加固地基是借助于夯锤对地基土施加的冲击荷载，在非饱和土中形成巨大的冲击波（主要是纵波和横波），土体因而受到很大冲击力，此冲击力远远超过了土的强度。
事实上，非饱和土的渗透性取决于含水量和土壤中的孔隙分布。
气相的渗透性要高于液相的渗透性，在孔径相同的情况下，饱和土的渗透性要比非饱和土的渗透性强。
倘若孔径越小，弯液面的半径就越小，相互搭接的面积有限，传递的表面张力要小得多。
对于重塑土，孔隙比随着干密度的增加而减小。
研究表明，在高含水量阶段时，水起主导作用，这时干密度的变化对渗透性的影响不大。
非饱和土等效固结变形.ppt
0.05
0.1 s/mm
0.15
0.2
0.25
s- t 曲线特征 0 5 10 15 0.086
log(t/min)
3
4
w=8.24% w=11% w=14% w=18% w=20% w=22% 浸水饱和样
sqrt(t)/min
20 25 30 35 40
0.096
0.106 s/mm 0.116
0.126
0 0.00 0.01 εc 0.02 0.03 0.04
开始。
▪
等效流体相应力的变化产生了排水排气的驱动力，随着排气、排
水的发生，土发生了固结变形。随着土中的水和气的逐渐排出，同时，
土骨架所受的应力就会逐渐增大，最终达到变形稳定时，由该变形状
态的土骨架及其孔隙中的气体、液体承担了全部荷载。
▪ 这一土颗粒和等效流体分担压应力的固结现象，可以用模型来说明。
非饱和土等效固结物理模型抽象
研究方法与技术路线
等效流动相压力及等效骨架相压力的变化规律 ： 压缩曲线：
应力(kPa) p(kPa)
25 20 15 10
5 0
0
(ti,pi)
500
1000
等效骨架相应力 总应力 等效等效流体相应力
1500
2000 t(min)
700 600 500 400 300 200 100
0 0
(si,pi)
▪ 4.根据固结曲线特征及固结过程中等效骨架相及等效流体相 的发展变化规律，提出非饱和土的瞬时压缩变形量，固结系 数的合理确定方法。
确定非饱和土的固结系数时，我们对比了目前常用的几种确定饱和土固 结系数的方法，发现将其用于确定非饱和土的固结系数时，均存在一定的 问题，一是饱和土的经验公式并不一定适用于非饱和土，另一个问题是非 饱和土的固结速度较饱和土的大得多，对于2cm的试样通常1h内主固结 就已结束，因此如何合理的确定稳定标准就成为了一个关键因素。
基于非饱和土理论的简化强度判断公式研究
形容它对非 饱 和
土的意义就如同描述孔隙比和有效 应 力 之 间 关 系 的 固结曲线对饱和土的意义相当 。 土水特征曲线的测试在工 程 中 一 般 采 用 压 力 板 仪法 。 测试方法主要是在轴 平 移 技 术 的 基 础 上，利 用高进气值陶土板，测试在 给 定 基 质 吸 力 下，土 体 中的体积含水率，得出土的 保 水 能 力 。 但 由 于 非 饱 和土的土水特征曲线测试 中 气 — 水 平 衡 时 间 非 常 缓 慢，故一套土水特征曲线测 试 的 周 期 非 常 长 。 为 了 提高非饱和土土水特征曲线的 测 试 效 率，作 者 自 主 研发了多终端的土水特征曲线 压 力 板 仪，利 用 研 发 的土水特征曲线仪器，通过室内 试 验 分 析 研 究 了 河 北省内三个具有代表意义的地区的 建 筑 影 响 范 围 内 原状 土 体 的 土 水 特 征 曲 线， 并 参 考 国 际 著 名 的 UNSODA 数据库，建立了适合我国北方地区 （ 目前 主要侧 重 于 河 北 省 范 围 内 ） 的 非 饱 和 土 特 征 数 据 ［9］ 库 。 数据库的基本结构包括添加记录 、 查 询 以 及 形成报表等三个基本组成部分，并 可 以 快 速 获 得 所 需土 水 特 征 曲 线 的 van Genuten 拟 合 参 数： α ， n 、 θ r ， θ s ，见图 1 。 2 简便强度判别公式
费用十分昂贵，这对于实际工程 设 计 与 施 工 非 常 不 利 。 因此，非饱和土强度在实 际 工 程 中 的 应 用 和 推 ［8］ 广变的十分困难 。 为此沈珠江院士 提到 “建立在 吸力概念上的非饱和土力学始终停 留 在 学 院 式 研 究 ” 的阶段，未能在实践中得到广泛的应用 。 笔者在分析研究前人提出 的 抗 剪 强 度 公 式 基 础 上，进一 步 归 纳 出 基 于 区 域 性 土 水 特 征 曲 线 数 据 ［9］ 库 的 “无 基 质 吸 力 项 ” 的 非 饱 和 土 强 度 判 断 公式 。 1 土水特征曲线数据库 由于非饱和土抗剪强度中 的 基 质 吸 力 项 与 含 水 量关系密切，而吸力与含水量之 间 的 关 系 一 般 称 为 土 — 水特征曲线 （ SWCC ） 。 非饱和土土水特征曲线 是土体含水量与土体基质吸力 之 间 关 系 的 曲 线，也 被称作持水曲线 、 保水曲线 等，它 反 映 了 土 体 的 持 水性能 。 土水特征曲线的数值模 型 是 非 饱 和 土 力 学 理论中重要的本构关系之一，它 是 联 系 土 与 水 复 杂 的相互作用的纽带，因此研究者
饱和土与非饱和土固结理论的联系与差别
论饱和土与非饱和土固结理论的联系与差别黄振育（桂林理工大学，土木与建筑工程学院，岩土工程专业，102011187）摘要：简述饱和土与非饱和土的固结理论的研究概况，总结饱和土与非饱和土固结理论的联系与差别，探讨非饱和土固结理论所存在的一些特点和困难。
关键词：饱和土；非饱和土；固结理论Abstract ：This paper describes the overseas and domestic researches on the consolidation theory of saturated soil and unsaturated soil between which the correlation and difference of consolidation are summarized,further exploring and discussing the properties and difficulties in the consolidation theory of unsaturated soil.Key words ：Saturated soil；Unsaturated soil；Consolidation theory1引言在荷载作用下，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的过程称为固结。
土体在固结过程中，随土中水的排出，土体空隙比减少，土体产生压缩，体积变小；随着有效应力逐步增大，土体的抗剪强度提高。
将饱和土的固结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水气两相，固结过程中，土中水和气会发生相互作用，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非常显著。
这些使非饱和土的固结过程非常复杂。
因此，迄今为止，还没有公认的成熟且实用于工程建设的非饱和土固结理论。
非饱和土的强度、变形理论研究及其在工程中的应用
非饱和土的强度、变形理论研究及其在工程中的应用摘要：非饱和土在实际工程中分布十分广泛，其工程特性相对于饱和土要更为复杂。
在非饱和土力学中，非饱和土的强度和变形特性是非饱和土研究的重要内容。
本文引用一些他人的研究成果，并结合作者自己的研究进行了系统的学习和综述非饱和土的强度与变形理论及其在工程实践中的应用。
关键词：非饱和土，剪切强度，变形特性Study on the strength of unsaturated soils and deformation theoryand its application in engineeringAbstract: In engineering practice, unsatruated soils are widely distributed and display more complex behaviour compared with saturated soils. The study of strength characteristics and deformation behavior is very important in unsaturated soil machanic. This paper refers to a number of other people's research results, combined with the author's own research to conducted a systematic learning and overview of unsaturated soil strength and deformation theory and its application in engineering practice.Key words: unsaturated soil, shear strength, deformation behavior0 引言所谓非饱和土是相对于经典的饱和土而言的，它是一种由土的固相（土粒）、液相（孔隙水）、气相（孔隙气），以及气-液接触面（收缩膜）共同组成的多相体系。
浅析饱和土与非饱和土固结理论
浅析饱和土与非饱和土固结理论【摘要】本文介绍了饱和土和非饱和土固结理论相关概念，阐述了饱和土与非饱和土固结理论的联系与区别，指明今后固结理论研究中应继续注重二者的联系与区别，以促进固结理论研究的成熟和发展。
【关键词】固结理论；饱和土；非饱和土引言土体压缩取决于有效应力的变化。
根据有效应力变化的原理，在外荷载不变的条件下，随着途中超静水孔压的消散，有效应力将增加，土体将被不断压缩，直至达到稳定，这一过程称为固结。
简而言之，固结即各方向承受压力的土，随着孔隙水的排出产生的压缩现象。
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[1]。
这些使非饱和土的固结过程非常复杂。
目前，非饱和土固结理论的研究还处于一个不成熟的状态。
1 饱和土的固结理论透水性大的饱和无粘性土（包括巨粒土和粗粒土，或指碎石类土和砂类土），其压缩过程在短时间内就可以结束，固结稳定所经历的时间很短，认为在外荷施加完毕时，其固结变形已基本完成，因此，实践中，一般不考虑无粘性土的固结问题；对于粘性土、粉性土及有机土，均为细粒土，完成固结所需的时间较长，对于深厚软粘土层，其固结变形需要几年甚至几十年时间才能完成。
粘性土的固结（压密）问题，实质上是研究土中有效应力增长全过程的理论问题。
K·太沙基（Terzaghi）早在1925 年提出的饱和土中的有效应力原理和单向（一维）固结理论，这是粘性土固结的基本理论。
有效应力原理就是研究饱和土中的有效应力和孔隙应力的不同比值及与总应力的关系。
在工程实际问题中遇到的有许多是二维、三维固结问题，如路堤、水坝荷载是长条形分布，地基中既有竖向也有水平向的变形及孔隙水渗流，属于二维固结平面应变问题；在厚土层上作用局部荷载时，属于三维固结问题；在软粘土层中设置排水砂井时，除竖向渗流外，还有水平径向渗流，属于三维固结轴对称问题。
试论饱和土与非饱和土固结理论的联系与差别--谭龙
高等土力学论文高等土力学（论文）题目：试论饱和土与非饱和土固结理论的联系与差别专业岩土工程学生姓名谭龙学号102011196指导教师学院土木与建筑工程学院2011年01月06日试论饱和土与非饱和土固结理论的联系与差别谭龙（桂林理工大学土木与建筑工程学院岩土工程102011196）摘要阐述国内外饱和土与非饱和土的固结理论的研究概况和主要理论成果，总结饱和土与非饱和土固结理论的联系与差别，进而探讨非饱和土固结理论所存在的一些特点和困难。
关键词饱和土非饱和土固结理论一、引言在荷载作用下，土体一般是逐渐被压缩，压缩过程中，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。
非饱和土的空隙中同时含有气体和水，固结过程中，土中的水和气发生相互作用，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。
因此，迄今为止，还没有公认为成熟且实用的非饱和土固结理论。
二、饱和土的固结理论研究在固结过程中，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。
1925年，Terzaghi建立了饱和土单向固结微分方程，并获得了一定起始条件与边界条件时的数学解，迄今仍被广泛应用。
为了便于分析和求解，太沙基作了一系列的简化假设：（1）土体是均质的，完全饱和的；（2）土粒与水均为不可以压缩介质；（3）外荷中一次瞬时加到土体上，在固结过程中保持不变；（4）土体的应力与应变之间存在线性关系，压缩系数为常数；（5）在外力作用下，土体中只引起上下方向的渗流与压缩；（6）土中渗流服从达西定律，渗透系数保持不变；（7）土体变形完全是由空隙水排出和超静水压力消散所引起的。
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
非饱和土混合物理论及其应用
非饱和土混合物理论及其应用非饱和土混合物理论及其应用一、引言非饱和土是一种特殊的土壤，其水分状态处于干燥和饱和之间，其力学性质和水文特征与饱和土有着明显差异。
非饱和土的研究从20世纪中叶开始逐渐兴起，并取得了许多重要的成果。
本文将探讨非饱和土混合物理论及其应用。
二、非饱和土力学特性非饱和土的力学特性是研究非饱和土混合物理论的基础。
非饱和土的力学特性受到水分含量、固结度和应力状态等因素的影响。
常用的非饱和土力学参数有吸力、孔隙比、压缩指数等。
非饱和土的吸力是指土壤颗粒间的毛细管吸力。
吸力的变化会改变非饱和土的力学特性，如颗粒间压实程度、水分运移等。
孔隙比是非饱和土中孔隙空间与固相体积之比，它与土壤的压缩性和透水性有关。
压缩指数是非饱和土在排水条件下压缩变形的特征参数，反映了非饱和土的固结性能。
三、非饱和土水文特征非饱和土水文特征是非饱和土混合物理论中的重要内容。
非饱和土的水分状态是非饱和土水文特征的核心概念，反映了非饱和土内部的水分分布情况。
非饱和土的水分状态可用于描述吸力与含水量之间的关系。
常见的非饱和土水分状态有干燥、湿润、饱和和过饱和。
其中，干燥状态表示土壤含水量较低，吸力较高；湿润状态表示土壤含水量较高，吸力较低；饱和状态表示土壤内部所有孔隙全部被水填满；过饱和状态表示土壤内部含有过多的水分，其中一部分为游离水。
四、非饱和土力学与水文特性的试验研究方法非饱和土混合物理论的应用需要基于试验研究来得到真实可靠的数据。
常见的非饱和土试验方法有压缩试验、渗透试验、吸力试验等。
压缩试验用于研究非饱和土的压缩性质，通过加载非饱和土样品并测量其变形，得到压缩指数等力学参数。
渗透试验用于研究非饱和土的透水性质，通过施加一定压力差使水流经过非饱和土样品，测量水流速度和吸力，得到透水性参数。
吸力试验用于研究非饱和土的吸力特性，通过测量非饱和土样品中的吸力值，得到非饱和土的吸力-含水量关系。
五、非饱和土混合物理论的应用非饱和土混合物理论在实际工程中有着广泛的应用。
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+P
na Sr
na Sr Sr s
Sr s
;A2
=(χ+ 1 +s Pχs -Snar1)PSsr
na n ;P =(1 -ξ)(pa +ua)/ na ;na/
S r =-
(1 -ch)n ;na/ n =1 -(1 -ch)Sr .再将它们代入(7)式后 , 可得 :
(d 11
+ A2)
2 Δux x2
F(σ, εpv , εps )= 1-
σm ηm
α(εps )
- p (εpv )
(23)
式中 :σm
=
1 3
(σ1
+σ2
+σ3);η=
1 2
σ1 -σ2 σ1 +σ2
2
+
σ2 -σ3 σ2 +σ3
2
+
σ3 -σ1 σ3 +σ1
2
1/ 2
;m 为屈服面的形状参数 ,
当取 m =1 .2 时 , 屈服面形状将与椭圆面接近 ;p 和 α为两个硬化参数 , 且分别随塑性体应变 εpv 和塑性剪应
定此时的饱和度为 Sr 1 , 相应的饱和度变化曲线按 Hilf 公式[ 1] 计算 ;当吸力大于 se 时 , 则按幂曲线计算
Sr
= Sr0
+(S r1
-S r0)
s se
- r1 , S r0和 se 可能是不同的 , 因而土体在干 、湿循环中土水特征曲线将形成滞
图 1 折减吸力的确定 图 2 土水特征曲线 Fig .1 De termination of the reduced suction Fig .2 Soil-wa ter characteristic curves
2 非饱和土固结方程的简化
Key words:unsat urated soil ;consolidation t heory ;rain w ater infiltration ;numerical simulation
20 世纪 90 年代初 , 国内外学者从不同角度相继推导出非饱和土变形和孔隙水流及气流的耦合方程组 , 建立了非饱和土力学的基本框架[ 1] .该耦合方程组一般包含 5 个未知变量 , 即 3 个位移分量 、孔隙水压力和
量 ;[ D] 为应力应变矩阵 ;{ΔU}为变位增量 .
2 .2 简 化 假 设
定义 : 孔隙含气率
na =[ 1 -(1 -ch)Sr ] n
(14)
则在完全不排气的情况下 , 将 Boyle 定律 ρa =ρa0(1 +ua/ pa)代入(9)式中 , 因其等号右边为 0 , 可得
ua =
+d44
2 Δuz x2
+
(d
24
+d
42)
2 Δuz xz
+(d 2 2
+A 2)
2 Δuz z2
-A 1
Δuw z
= ΔFz
(20)
4
水 利水运 工程 学报
2003 年 12 月
而(8)式则变为
μn
uw t
=-
xkw x
h x
-
zk wz
h z
+S r
εv t
式中 :μ= S r/ uw ;kw x 和 kwz 分别为水平和垂向透水系数 ;h = uw/ ρwg +z .
对于饱和土 , 相应的渗流方程为
mfn
uw t
=-
xk wx
h x
-
zk wz
h z
+
εv t
式中 :m f 为孔隙流体的压缩系数 .当饱和度达到 1 时 , 只要令 μ=m f , (21)式将自动退化为(22)式 .
(21) (22)
3 本 构 模 型
(1)土骨架的双硬化模型 按照前述有效应力原理 , 以下公式中的应力均指有效应力 .现仍采用双硬化 屈服面[ 6]
一般采用 Bishop 公式表述非饱和土的有效应力
σ′= σ-ua +χ(ua -uw)
(4)
由(2)式积分得出
s = χ(ua -uw)
(5)
则折减系数 χ= s/ s ;s =(ua -uw)为实际的基质吸力 .显然 , 当 χ是 s 的函数时 , 有 χ= χ+s χ/ s . 可由饱和土压缩 -回弹曲线与非饱和土干缩 -湿胀曲线的对比试验可求得折减系数 χ随吸力或饱和
第20043期年 12 月
水利水 运工程学 报
HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERING
No .4 Dec .2003
非饱和土简化固结理论及其应用
沈珠江1, 2
(1 .南京水利科学 研究院 , 江苏 南京 210029 ;2 .清华大学 水电工程系 , 北京 100084)
摘要 :在孔隙气的排气率等于 常量的假设下 , 建议了非饱和土的简化固结理论 , 并应用于裂缝黏土 中雨水入 渗
1 有效应力原理与折减吸力
在非饱和土力学的发展过程中有过两种研究思路 , 一是以单变量的有效应力为基础 , 另一是以净应力和
吸力双变量为基础 .对非湿陷性土类 , 可以证明在一定条件下这两种研究思路是相通的 .
设 σm 为平均应力 , ua 和 uw 分别为孔隙气压力和孔隙水压力 .则球应力引起的体积变化可以写为
+(d 14
+d 41)
2 Δux xz
+d44
2
Δu x z2
+d 14
2 Δuz x2
+
(d 1 2
+d44
+A 2)
2 Δuz xz
+d42
2 Δuz z2
-A 1
Δu w x
= ΔFx
(19)
d 41
2 Δux x2
+(d 2 1
+d44
+A 2)
2 Δux xz
+d 24
2 Δux z2
k a = f 4(s)
(13)
x0 0 以上各式中 :算子[ L] = 0 y 0
y0 z x z 0 ;{Δσ}为总应力增量 ;{Δb}为体积力的增量 ;n 为
0 0 z0 y x 孔隙率 ;ρw 和ρa 分别为孔隙水和孔隙气的密度 ;g 为重力加速度 ;ch 为 Henry 溶解系数 ;{Δσ′}为有效应力增
2
水 利水运 工程 学报
2003 年 12 月
式中 :m 和 m b 为压缩系数 . 定义折减吸力
∫ s = χ(Δua - Δuw)
(2)
式中 :χ= mb/ m .则(1)式可以简化为
Δεv = m Δσ′m
(3)
式中 :有效应力增量 Δσ′m = Δσm - Δua + Δs ;Δs = χΔs . 显然 , 非饱和土的有效应力作为对变形有效的一个状态变量 , 必须满足(2)式可以积分的条件 , 或系数 χ
变 εps 的积累而硬化 , 即有 :
p
= p 0exp
εpv cc -ce
(24)
α= αm -(αm -α0)ex p
εps ca
(25)
(24)式与剑桥模型一致 .其中 , cc 和 ce 分别为压缩和回弹曲线的斜率 .(25)式中 :αm =(m 1 +m )sin φ, φ为
非饱和土的内摩擦角 ;α0 和 ca 则为另外两个参数 , 可由侧压力降低的三轴剪切试验测定 .
回圈(参见图 2).对(27)式求导 , 可得
Abstract :Based on the assumpt ion that t he drain ratio of pore air is a constant , a simplified consolidation theory is proposed , and is used to simulate the infiltration of rain w ater into clay stratum wit h surface cracks .T he calculation results are rational .
只能是吸力(ua -uw )的函数 .在针对强度有效的有效应力的研究中 , 已得出 χ只与饱和度有关的结论[ 5] ,
而针对变形 , 则尚未有过研究 .但在单调加湿和单调干燥的条件下可积性大体上能保证 , 这时 , 单 、双变量理
论是等价的 .所以 , 在以下的讨论中 , 将认为非饱和土有效应力原理是适用的 .
按照传统的塑性理论 , 可用下式计算塑性应变增量
{Δεp}= 1 H
F σ
F σ
T
{Δσ}
(26)
式中 :硬化模量 H
=-
F α
α εps
F σs
-
F p
p εpv
Fσ;σs
=
1 [ (σ1 2
-σ2)2
+(σ2
-σ3)2
+(σ3
-σ1)2]
1/ 2
.
(2)土水特征曲线 将土水特征曲线分成两段计算 .当吸力小于进气压力 se 时 , 按拟饱和土考虑 , 并假
SH EN Z hu-jiang1 , 2
(1 .Nanjing Hydraulic Research Inst it ute , Nanjing 210029 , China ;2 .Department of Hydraulic Engineering , T si nghua U ni versity , Beij ing 100084 , Chi na)
其边界条件就难以确定 .