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。

非饱和土的抗拉强度来源于颗粒材料内部的黏聚力，黏聚力的产生源于土体内部的各种物理化学作用力。

这些作用力中，一类是在饱和土中就存在的，如范德华力、双电层引力或排斥力、溶质沉淀引起的胶结力等。

另一类作用力只有在非饱和土中才存在，即表面张力引起的毛细作用，它受含水量或饱和度
的影响非常大。

2. 非饱和土的渗透性特征
在非饱和土壤中，因土壤孔隙中部分充气，导水孔隙相应减少，因而导水率也相应减少。

由于在吸力作用下，土壤水首先从大孔隙中排出，随着吸力的增加，水流仅能在小孔隙中流动。

所以，土壤从饱和到非饱和，其渗透性将急剧降低。

将饱和土达西定律延伸至非饱和水流中，实践证明达西定律也适合于非饱和土中水的流动。

但是非饱和土渗透系数不能假定为常数，同时受到土的孔隙比和饱和度变化的强烈影响，是体积含水量的函数。

3. 非饱和土的固结变形特征
非饱和土是一种三相的多孔松散介质，三相之间不仅具有力学效应复杂多变的收缩膜，而且还存在气、固与固、液之间的电化学作用和物理作用以及它们物理性态变化的影响，这样一种复杂介质结构的单元体受到附加应力作用时，一方面固、液、气三相及收缩膜构成的结构发生变化，最终抵抗附加作用应力；另一方面伴随着结构的体缩，存在液、气相在结构孔隙中的运动。

前者不仅包含土粒构架，而且包含了液固间的电化学加固作用、气液固之间的收缩膜加固作用等，它们构成了非饱和土的骨架结构系。

结构系中各种要素的调整与变化在于抵抗附加应力作用；后者是指结构系体缩过程中液、气相在结构系孔隙中运动，以便适应土骨架结构系中各种要素的调整变化。

因此，非饱和土的固结过程实际上是土骨架结构系中各要素调整变化的过程，也是适应这种变化液、气相在结构孔隙中运动的过程。

非饱和土的固结同饱和土的固结相似，也是土骨架结构系体缩，结构系孔隙中液、气相运动的过程；也是土骨架结构系承担应力增长，液、气相运动驱动压力消散的过程。

4. 非饱和土的工程意义
4.1 路堤及土坝工程填筑中的孔隙压力
堤坝等工程在建造过程中孔隙压力的消散过程不能用经典土力学理论来说明。

堤坝的变形由于孔隙气体的存在而发生变化，若仍由饱和土力学理论来指导施工，势必影响填筑质量或施工进度。

堤坝运行后，水位变动会使孔隙水、气的比例发生变化，从而使土体的固结、强度和渗流等情况都与饱和土力学理论所阐明的不同。

4.2 边坡稳定
天然边坡的稳定状态随时间、气候条件等因素发生变化，对常规的边坡稳定分析方法提出疑问。

对长时间降雨后出现的滑坡的机理分析以及预测预报等均应当考虑土体含水量变化的影响。

4.3 深基坑等竖直挖方中的支护措施设计。

深基坑支护设计及稳定分析应当考虑地下水位的变动影响。

由于开挖使得地下水位降低，基坑土体在一定范围内成为非饱和土，短期内使土的抗剪强度增加，但随着时间的增长，土中吸力又会使非饱和区域孔隙水压力上升，强度衰减，最终导致基坑失稳。

此外，孔隙水压力的变化也会引起基坑周围建筑物的不均匀沉陷，分析这种沉陷过程也需要用到非饱和土的固结理论。

4.4 挡土墙和桩顶地梁上的侧向土压力计算。

常规主动、被动土压力计算公式中，土的抗剪强度是按饱和土考虑的，这与实际工程中墙后土体通常处于非饱和状态是不相符的。

此外，还应当考虑墙后土体浸湿作用所产生的附加侧向土压力。

4.5 膨胀土及黄土的变形分析及强度参数。

膨胀土与黄土均是易受水份影响的土类。

膨胀土的胀缩变形，内因是土体的矿物成分和天然结构，外因则是降雨、气候或地下水的共同作用。

膨胀土的胀缩性、裂隙性和超固结特性，实质上均与土体内部孔隙变化及水、气比有关。

膨胀土水份变化由孔隙气、水相互作用所控制。

研究膨胀土、黄土等非饱和土的变形及强度问题，必须探讨孔隙气、的影响，如果简单地将其视为饱和土，必然水导致理论分析上的重大失误。

这方面较典型的问题之一是:膨胀土的抗剪强度是变动的，干、湿强度相差极大，设计值怎样取定，有待研究。