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。

太沙基固结理论实际上假设了固结过程中土的排水距离不变，因为一般情况下土层应变很小，可以忽略不计。

但是，在高压缩性地基上的建筑物，会产生相对大的变形，沉降量甚至达到压缩土层厚的百分之十几，如仍按太沙基理论计算，固结时间比实际的明显增长。

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，从严格的固结机理山发，根据连续体力学的基本力程，建立了Biot固结方程，提出了Biot固结理论，一般称为真三维固结理论。

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。

以上两式为Biot固结理论方程式。

如果假设固结过程中总应力值保持常数，则第二个式子就是扩散方程。

故Terzaghi-Rendulic固结理论可视为Biot固结理论的一种特殊情况。

以上这些饱和土固结理论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。

三、非饱和土的固结理论研究
非饱和土的固结是上程中常见的问题，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力程上的复杂性，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。

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。

1936年在关国哈佛召开的第一届国际土力学及基础工程会议上出现
了一些与非饱和土有关的论文，这标志着非饱和土从此进入了学者们的研究领域，但是，由于问题的复杂性，非饱和土的研究进展相对缓慢。

Fredlund于1979年提出了非饱和土的一维固结理论。

Dakshanamnrthv 等人将非饱和土的固结理论延伸到三维的情况。

在三维公式的推导中，将连续力程和平衡力程联立起来求解。

非饱和土的工程特性包括渗气性、渗水性、强度特性、变形特性、屈服特性、水量变化特性和结构性，它们是建立非饱和土理论的前提和基础。

非饱和土的孔隙中不仅有水还有气，在加载初期，孔隙水和孔隙气来不及排出，孔隙气被压缩，土体被压密，土颗粒之间应力增加，荷载由土颗粒骨架、孔隙水和孔隙气共同承担。

同时由于孔隙气被压缩，土体内部的饱和度也发生变化。

非饱和上在上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上复杂得多。

因此，迄今为止，还没有公认为成熟的非饱和上固结理论。

建立非饱和上固结理论的困难主要有几个方面：
(1)饱和粘上固结理论是以上体变形是连续的作为基本假设。

对于非饱和上而言，上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，相同含水量的上体，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。

(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上固结理论还需要时间。

四、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相互联系的，非饱和土的固结理论是对饱和土固结理论的进一步深化。

许多学者在饱和土固结理论的基础上来进一步研究非饱和土的固结理论。

一些学者从Biot理论出发，只考虑孔隙水运动；也有些学者从Torzaghi固结理论出发，同时考虑孔隙气和孔隙水运动，联合求解孔隙水压力消散力程和孔隙气压力消散力程。

比如Fredlund的固结理论就可以看作是Terzaghi固结理论的推广，Fredlund(1979)的公式在形式上与传统的Torzaghi一维公式类似，并在非饱和与饱和两种情况之间可以平顺过渡。

一些学者将饱和土力学的有关理论借用到非饱和土力学的研究中，如Black、Crong、Williams、Bishop等曾将饱和土的有效应力原理引进到非饱和土中，提出了非饱和土的有效应力理论，并用其解决非饱和土的强度问题。

非饱和土固结理论中用到的许多参数可由饱和土理论中求得。

例如由饱和土压缩-回弹曲线与非饱和土干缩-湿胀曲线的对比试验可求得非
饱和土的Bishop有效应力公式折减系数X随吸力或饱和度的变化。

而饱和土也可以看作是非饱和土的一个特例。

象陈正汉和杨代泉的非饱和土固结理论不仅适用于水、气各自连通的非饱和土，而且涵盖了饱和土的固结理论。

五、饱和土与非饱和土固结理论的差别
非饱和土除了包含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。

由于非饱和土的复杂性，从而使得非饱和土在许多方面都比饱和土复杂得多，现主要从以下几个方面简要介绍饱和土与非饱和土固结理论的差别。

（1）相:饱和土只有固相和液相二相；而非饱和土由固相、液相和气相三相组成,Fredlund则将非饱和土视为四相系，将土中水与气的分界而当作第四相。

第四相是一个复杂的物理-化学界而，它对非饱和土有何影响仍需进一步研究。

（2）渗透性:对于饱和土，渗透性主要是透水性，一般认为土中渗流可以用达西定律来描述，此时，渗透系数k基本为常量。

而而对于非饱和土，不仅要涉及水和气的渗透性，而且两者都与土的含水量和吸力密切相关。

此外，当给定状态的土由干到湿或由湿到干达到同一含水量时，渗透性并不一致，即渗透性与含水量并不是单值函数关系。

另外，其渗透系数受土的结构性的影响相当显著，因此，要测定渗透系数并不容易。

如果再考虑上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。

（3）固结的连续条件：饱和粘土固结理论是以土体积变化的连续条件作为基本假设的；对于非饱和土而言，土中气体具有很高的压缩性，当气体与外界连通时，一部分气体要从土体中排出，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。

而那些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。

因此，非饱和土很难建立严格的连续条件。

（4）固结机理:非饱和土在荷载作用下固结机理与饱和土在荷载作用下的固结机理存在显著的差别。

非饱和土孔隙中同时含有水和气，固结过程中，土中水与气要相互作用，还要涉及水和气的渗透性，气体的压缩性很高，而且在压缩时会有部分气体溶解于水中，故非饱和土的压缩性、渗透性要比饱和土复杂得多。

象饱和土刚受压的瞬时，水来不及排山，而水又不可压缩，故全部荷载由水承担，土骨架不变形不受力，随着水的排山，荷载逐步转移给土骨架，土体慢慢压缩，其沉降过程线是通过坐标原点的。

但非饱和土受压时，孔隙中的气体会立即压缩，土骨架也立即受力变形。

故荷载在施加瞬时，就由水、气和土骨架共同分担。

随着水和气的排出，荷载进一步转移到土骨架上，变形进一步发展。

这反映到沉降过程线上，就存在一个初始沉降。

非饱和土的固结计算就要能反映变形的初期值和后继发展。

（5）压实原理:饱和土一般只有通过排水固结才能使土的孔隙比减小，达到压密的目的；而非饱和土可以通过排出土体孔隙中的空气，使土颗粒重新排列，减小土体孔隙比，以提高土的强度和减小土的压缩性。

六、结束语
综上所述可以看出饱和土与非饱和土的固结理论基本上都是基于太沙基的一维固结理论与有效应力原理为基础来进一步研究和探讨土的固结情况的，只是在Fredlund的固结
理论中他放弃了有异议的非饱和土有效应力原理，进而建立非饱和土各相的体应变本构方程的。

从以上分析可以看出饱和土与非饱和土的固结理论是相互联系的，非饱和土的理论是对饱和土理论的进一步深化。

【参考文献】
（1）龚晓楠高等土力学[M].浙江大学出版社1996
（2）张志红赵成刚邓敏非饱和土固结理论新进展[J].岩土力学2005（3）陈正汉卢再华非饱和土的理论与实践[J].力学与实践2001（4）张志红非饱和土理论新进展[J].岩土力学2005
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