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。

2 非饱和土的固结理论
非饱和土是一种三相体系，其中除包含可以认为是不可压缩的固相土粒和液相水外，还含有一定数量的可压缩气体。

由这种体系组成的土体，不仅在压缩方面，而且在渗透性方面，都比饱和土（二相体系）复杂得多，因而对于非饱和土固结问题，迄今还没有出现一个公认的成熟且实用的理论方法。

建立非饱和土固结方程的复杂性主要在于下面一些原因[2]。

（1）饱和土固结理论的建立是以土体积变化的连续条件为基础的，即认为在固结过程中，土体积的任何变化都是土中水在超静水压力梯度作用下从土体中排出的结果。

对于非饱和土，因土中气体具有很高的压缩性，故当这部分气体与外界连通时，由于孔隙气压力作用，一部分气体要从土体中排出。

与此同时，未排出气体的体积和密度均要发生变化，而且还有一定量的气体要溶解于孔隙水中。

以气泡形式存在于土孔隙中的封闭气体也会发生体积改变与溶解的现象。

由此可见，要建立严格的连续条件是比较困难的。

（2）当土孔隙中的流体兼有水与气时，研究它们的渗透性，通常是近似地将它们当作两种不混合流体的运动问题来处理。

尽管如此，也不易得到可靠的解答。

对于饱和粘土，土中渗流可以用达西定律来描述。

这时，渗透系数A基本为常量，它与土的含水率和作用水压力无关。

可是，对于非饱和土，不仅要涉及两种介质的渗透性，并且二者都与土的含水率和吸力密切相关。

此外，对于给定状态的土，当由湿到干或由于到湿达到同一含水率时，渗透性亦不一致，亦即气和水的渗透性与含水率的关系并非一单值函数。

再者，非饱和土的掺透系数受土的结构性的影响相当显著，因此，要测定渗透系数，并且为了保证不受结构性影响，常需要采用不同于常规试验的测试技术。

（3）有效应力原理是土力学中研究应力、应变、强度关系的基本原理。

对于饱和土，太沙基最早提出的著名公式一直被普遍采用。

对于非饱和土，许多学者在饱和土公式的基础上，提出了各种表达式。

这些表达式的正确性，尤其是适用性，还需要经过更多的实践检验。

3 饱和土与非饱和土固结理论的联系
饱和土与非饱和土的固结理论是彼此相关的，非饱和土的固结理论是对饱和土固结理论的拓展和延伸。

饱和土固结理论的建立，是以土体积变化的连续条件为基础的，即认为在固结过程中，土的体积的任何变化，都是土中水在静水压力梯度下从土体中排出的结果。

对于非饱和土，因土中气体具有很高的压缩性，当这部分气体与外界连通时，由于孔隙气体压力的作用，一部分气体要从土体中排出。

与此同时，未排出的气体在压力作用下体积发生变化，密度改变，而且还有一定量的气体要溶解于水中。

对于以气泡形式存在于孔隙水中的封闭气体，也会发生体积改变与溶解的现象。

由此，要建立严格的连续条件是比较困难的。

当土体孔隙中的流体兼有水与气时，研究它们的渗透性，通常是近似地将其当作两种不混合流体的运动问题来处理。

尽管如此，也不易得到解答。

对于饱和粘土，一般可以认为土中渗流服从Dacy定律，这时渗透系数k基本是常量，它与含水率和作用水压力无关。

而对于非饱和土，不仅要涉及两种介质的渗透性，并且都与土的含水率和吸力密切相关。

此外，对于给定状态的土，当由湿到干或由干到湿达到同一含水率时，渗透性也不一致。

再者非饱和土的渗透系数受土的结构性的影响相当显著，因此，要测定渗透系数，并且为了确保土的结构性不受影响，常需要非常规的测试技术。

对于非饱和土，许多学者在饱和土的基础上，提出了有效应力、总应力的表达式，但这些表达式的正确性，尤其是适用性，还需要接受实践的检验。

再加上表达式中各参数的测定比较复杂，往往不易得到稳定的数值。

如果再计及非饱和土渗流的非线性以及固结过程中水、气的相互作用，问题的求解难度将更大。

故有关非饱和土的研究进展非常缓慢，至今仍没有一个公认的可实际应用的非饱和土固结问题的成熟的理论方法。

国外从20世纪60年代开始研究非饱和土的固结问题，以往的工作大致可以分为三类[3]：
（1）从Biot固结理论出发，只考虑孔隙水的运动。

这类方法不能反映孔隙气体运动的影响，也无法求解湿陷变形、湿胀变形和干缩变形等特殊问题。

（2）从Terzaghi固结理论出发，同时考虑孔隙气和孔隙水的运动，联合求解孔隙水压力消散方程和孔隙气压力消散方程。

它放弃了有异议的非饱和土有效应力原理，代之以两个独立的应力状态变量外加应力和吸力来建立非饱和土各相（固、水、气）的体应变本构方程。

这样建立的本构方程，能较好地与饱和土的固结理论衔接，同时又能反映湿陷、湿胀和干缩等特性，但是该方法为了导出孔隙压力的消散方程，采用了过多的假设。

（3）从孔隙气相和孔隙水相的质量连续方程出发，将Uatyas和Radhakrisha 的土体孔隙比e状态方程和饱和度Sr状态方程联合起来求解，该方法实质上是第二种方法的改进，它放弃了许多简化假设，以便更真实、更精确地反映固结的本质。

国内对非饱和土的固结也开展过一些研究工作（俞培基，陈愈炯，1965；包承钢，1979；杨代泉，1990；陈正汉，1991）。

其中杨代泉提出的考虑汽、水、气、热运动以及土骨架变形稻合作用的非饱和土广义固结理论，较全面地反映各种客观因素对广义固结的影响。

4 饱和土与非饱和土固结理论的区别
4.1 固结机理差异
非饱和土在荷载作用下固结的机理与饱和上在荷载作用下的固结机理存在显著的差别。

非饱和土中气体具有很高的压缩性，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，并且两者都与土的含水量和吸力密切相关。

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。

通常，把非饱和土在荷载及其周围环境共同作用下，同时考虑孔隙蒸汽、水、空气、热运动与土骨架变形的精合问题称为非饱和土广义固结问题。

非饱和土广义固结问题可以分为二大类：（1）外加荷载作用下的压密变形；（2）外加荷载和渗入共同作用下的湿陷变形或湿胀变形，或外加荷载和蒸发共同作用下的干缩变形。

非饱和土在荷载作用下的压密变形包含三部分：荷载作用下孔隙气体的压缩而产生的压密变形；孔隙气压力和孔隙水压力消散而产生的消散固结变形；以及土骨架蠕变而产生的蠕变变形。

4.2 考虑因素差异
（1）饱和粘土固结理论是以土体变化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）相较于饱和土渗透性主要只有透水性这一特点，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，且在由于到湿和由湿到干的干湿循环过程中，同样含水量的土体，渗透性也不一样，即渗透性与含水量不是单值函数，因此测量渗透系数不容易[4]。

（3）普遍适用的太沙基有效应力原理被广泛使用，而用于研究饱和土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。

非饱和土本构模型还没有公认的理论，建立成熟的非饱和土固结理论还需要时间。

（4）饱和土只有液相和气相两相；而非饱和土的水气接触是一个复杂的物理-化学界面，Fredlund（1993）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 结语
综上，既沿用了饱和土固结理论的一般理论，又在其基础上不断结合二者之间的差异研究得更深入。

在今后理论土力学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。

参考文献：
[1]牛文明，高武振，杨贺荣，刘进虎.饱和土与非饱和土固结理论及其联系与差别[J].科技信息，2010（3）.
[2]李广信.高等土力学[M].清华大学出版社，2004.
[3]卢延浩，刘祖德.高等土力学[M].机械工业出版社，2006.
[4]吴世明.岩土工程新技术[M].中国建筑工业出版社，2001.。