非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)與思考教學(xué)內(nèi)容

1、非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)與思考 研究非飽和土體在研究非飽和土體在增減荷（應(yīng)力邊界條增減荷（應(yīng)力邊界條件變化）、增減濕（流量邊界條件變化）耦件變化）、增減濕（流量邊界條件變化）耦合變化時(shí)的反應(yīng)，合變化時(shí)的反應(yīng)，包括：包括： 土體滲流理論土體滲流理論滲透穩(wěn)定問題滲透穩(wěn)定問題 土體極限平衡理論土體極限平衡理論強(qiáng)度穩(wěn)定問題強(qiáng)度穩(wěn)定問題 土體固結(jié)理論土體固結(jié)理論變形穩(wěn)定問題變形穩(wěn)定問題 第二個(gè)問題：第二個(gè)問題：即即土體穩(wěn)定問題土體穩(wěn)定問題 理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用 孔隙流體系統(tǒng)孔隙流體系統(tǒng)液相液相 、氣相、氣相流動(dòng)規(guī)律（流動(dòng)規(guī)律（流動(dòng)模型流動(dòng)模型） 土體骨架系統(tǒng)土體骨架系統(tǒng)固相、固相、氣液交界面（收氣液交界面

2、（收縮膜）縮膜）變形規(guī)律（變形規(guī)律（變形模型變形模型） 應(yīng)該注意從變形和流動(dòng)兩方面的耦合應(yīng)該注意從變形和流動(dòng)兩方面的耦合影響來分析影響來分析在非飽和土中在非飽和土中氣相的存在和液相的多少氣相的存在和液相的多少是非飽和土性質(zhì)復(fù)雜化的根本原因是非飽和土性質(zhì)復(fù)雜化的根本原因非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)非飽和土基本特性的學(xué)習(xí)1. 非飽和土的相態(tài)特性非飽和土的相態(tài)特性 自態(tài)、互態(tài)、變態(tài)自態(tài)、互態(tài)、變態(tài)三相的自態(tài)特性三相的自態(tài)特性固相的固相的顆粒大小級(jí)配顆粒大小級(jí)配（比表面積）、（比表面積）、礦物礦物成分、電性質(zhì)、松密狀態(tài)成分、電性質(zhì)、松密狀態(tài)液相的液相的型態(tài)型態(tài)（吸著水、結(jié)合水、自由水）、（吸著水、結(jié)合水、自

3、由水）、化學(xué)成分、冰水狀態(tài)化學(xué)成分、冰水狀態(tài)氣相的氣相的型態(tài)型態(tài)（吸附氣體、溶解氣體、密（吸附氣體、溶解氣體、密閉氣體、自由氣體）、閉氣體、自由氣體）、成份成份（主要是空主要是空氣，含量最多的是水汽、碳酸氣、氮?dú)?、氣，含量最多的是水汽、碳酸氣、氮?dú)?、甲烷碳酸氣鐳以及其他，氧氣含量少）、甲烷碳酸氣鐳以及其他，氧氣含量少）、連通情況連通情況（氣單連通、水單連通、水氣氣單連通、水單連通、水氣雙連通雙連通）三相的互態(tài)特性三相的互態(tài)特性固、液相之間固、液相之間雙電層：雙電層：（固相周圍受電分子（固相周圍受電分子力作用、由近向遠(yuǎn)漸變的吸著水層與結(jié)合水層）力作用、由近向遠(yuǎn)漸變的吸著水層與結(jié)合水層）氣、液相之

4、間氣、液相之間收縮膜：收縮膜：（水與氣的交界面，（水與氣的交界面，或彎液面）或彎液面）固、氣、液相之間固、氣、液相之間結(jié)構(gòu)性：結(jié)構(gòu)性：（表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)強(qiáng)（表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，由粘聚力、咬合力、膠結(jié)力及吸力等組成。度，由粘聚力、咬合力、膠結(jié)力及吸力等組成。三相的變態(tài)特性三相的變態(tài)特性 （溫度、壓力變化引起的相變）（溫度、壓力變化引起的相變）液相的液相的汽化、凝結(jié)、凍結(jié)汽化、凝結(jié)、凍結(jié)氣相的氣相的溶解、擴(kuò)散溶解、擴(kuò)散固相的固相的液化、軟化液化、軟化非飽和土的相態(tài)特性涉及到一系列重要定律：非飽和土的相態(tài)特性涉及到一系列重要定律： Fick定律定律 Darcy定律定律 Henry定律定律 亞佛加德羅定律亞佛加

5、德羅定律 道爾頓道爾頓( (Dolton) )分壓定律分壓定律 Kelvin定律定律 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律它們和不同條件下壓力和溫度的變化相結(jié)合，它們和不同條件下壓力和溫度的變化相結(jié)合，可以使非飽和土的雙電層特性、收縮膜特性可以使非飽和土的雙電層特性、收縮膜特性以及結(jié)構(gòu)性特性均發(fā)生相應(yīng)的綜合性變化，以及結(jié)構(gòu)性特性均發(fā)生相應(yīng)的綜合性變化，導(dǎo)致了非飽和土十分復(fù)雜的力學(xué)性質(zhì)。導(dǎo)致了非飽和土十分復(fù)雜的力學(xué)性質(zhì)。非飽和土的相態(tài)特性表明：非飽和土的相態(tài)特性表明：非飽和土三個(gè)組成相的相態(tài)特性決定了土的非飽和土三個(gè)組成相的相態(tài)特性決定了土的物理狀態(tài)（粒度、濕度、密度、構(gòu)度

6、）和土物理狀態(tài)（粒度、濕度、密度、構(gòu)度）和土的化學(xué)、電學(xué)性質(zhì)。的化學(xué)、電學(xué)性質(zhì)。2. 非飽和土的吸力特性非飽和土的吸力特性非飽和土的土水勢一般包括：非飽和土的土水勢一般包括：溫度勢、壓力勢、重力勢、基質(zhì)勢和溶質(zhì)勢溫度勢、壓力勢、重力勢、基質(zhì)勢和溶質(zhì)勢在等溫、等壓、等高（不計(jì)重力）的情況下，在等溫、等壓、等高（不計(jì)重力）的情況下，土中水的溫度勢、壓力勢、重力勢保持不變，土中水的溫度勢、壓力勢、重力勢保持不變，自由能的變化只有基質(zhì)勢和溶質(zhì)勢的變化。自由能的變化只有基質(zhì)勢和溶質(zhì)勢的變化。 如將它們分別稱之為基質(zhì)吸力和溶如將它們分別稱之為基質(zhì)吸力和溶質(zhì)吸力，它們之和，即此時(shí)的自由能，質(zhì)吸力，它們之和，

7、即此時(shí)的自由能，稱為總吸力，則有總吸力等于基質(zhì)吸力稱為總吸力，則有總吸力等于基質(zhì)吸力與溶質(zhì)吸力之和。與溶質(zhì)吸力之和?；|(zhì)吸力基質(zhì)吸力 土中水自由能的土中水自由能的毛細(xì)部分毛細(xì)部分（對(duì)（對(duì)純水純水）, ,來源于表面張力來源于表面張力. .表面張力表面張力愈大，愈大，彎液面彎液面曲曲率愈小。率愈小。 為了維持彎曲型收縮膜的平衡，收縮膜為了維持彎曲型收縮膜的平衡，收縮膜氣一側(cè)的應(yīng)力為正壓力，收縮膜水一側(cè)的應(yīng)氣一側(cè)的應(yīng)力為正壓力，收縮膜水一側(cè)的應(yīng)力為負(fù)壓力，它們的差值即為基質(zhì)吸力力為負(fù)壓力，它們的差值即為基質(zhì)吸力. . 將基質(zhì)吸力引入到非飽和土及土體變形將基質(zhì)吸力引入到非飽和土及土體變形強(qiáng)度穩(wěn)定的研究

8、與分析中去是當(dāng)前非飽和力強(qiáng)度穩(wěn)定的研究與分析中去是當(dāng)前非飽和力學(xué)研究發(fā)展的一條基本線索學(xué)研究發(fā)展的一條基本線索 基質(zhì)吸力是非飽和土三相活動(dòng)最實(shí)質(zhì)、基質(zhì)吸力是非飽和土三相活動(dòng)最實(shí)質(zhì)、最活躍的代表。最活躍的代表。 土中水自由能的土中水自由能的溶質(zhì)部分溶質(zhì)部分（對(duì)（對(duì)溶劑溶劑）來源）來源于溶質(zhì)濃度，于溶質(zhì)濃度，溶質(zhì)的濃度溶質(zhì)的濃度愈大，溶劑平面上方愈大，溶劑平面上方的蒸氣壓比純水平面上方的蒸氣壓愈小，即的蒸氣壓比純水平面上方的蒸氣壓愈小，即相相對(duì)濕度對(duì)濕度愈小，水從濃度的高梯度向低梯度的滲愈小，水從濃度的高梯度向低梯度的滲透作用愈強(qiáng)，透作用愈強(qiáng)，溶質(zhì)吸力溶質(zhì)吸力愈大。愈大。溶質(zhì)吸力溶質(zhì)吸力 純水表現(xiàn)

9、出純水表現(xiàn)出從溶液中吸水補(bǔ)充自己從溶液中吸水補(bǔ)充自己的能力，的能力，稱為稱為溶質(zhì)吸力或滲透吸力或滲析吸力。溶質(zhì)吸力或滲透吸力或滲析吸力。如果在測定土的基質(zhì)吸力時(shí)，土中的水已經(jīng)是如果在測定土的基質(zhì)吸力時(shí)，土中的水已經(jīng)是含有一定溶質(zhì)的自然條件下的水，則測得的吸含有一定溶質(zhì)的自然條件下的水，則測得的吸力已非常接近總吸力。力已非常接近總吸力?？偽偽偽偽εc相對(duì)濕度呈線性關(guān)系與相對(duì)濕度呈線性關(guān)系(Aitchison,1965)，故蒸汽壓力可量測總吸力。蒸汽壓力愈大，故蒸汽壓力可量測總吸力。蒸汽壓力愈大，相對(duì)相對(duì)濕度濕度愈大，總吸力愈大。愈大，總吸力愈大。土水特征曲線土水特征曲線 基質(zhì)吸力與濕

10、度狀態(tài)（飽和度、重量含水率、基質(zhì)吸力與濕度狀態(tài)（飽和度、重量含水率、體積含水率）之間的關(guān)系體積含水率）之間的關(guān)系 。 干燥曲線（飽和減濕曲線）要高于浸濕曲線干燥曲線（飽和減濕曲線）要高于浸濕曲線（干燥增濕曲線），二者形成滯回圈形態(tài)，表明（干燥增濕曲線），二者形成滯回圈形態(tài)，表明一個(gè)飽和度可以對(duì)應(yīng)于兩個(gè)基質(zhì)吸力值。一個(gè)飽和度可以對(duì)應(yīng)于兩個(gè)基質(zhì)吸力值。 對(duì)于干燥、增濕往返作用時(shí)干燥曲線與對(duì)于干燥、增濕往返作用時(shí)干燥曲線與增濕曲線的變化特性也成了人們開始注意的增濕曲線的變化特性也成了人們開始注意的問題。問題。 提出了由干燥曲線預(yù)測增濕曲線，或由提出了由干燥曲線預(yù)測增濕曲線，或由增濕曲線預(yù)測干燥曲線的

11、方法增濕曲線預(yù)測干燥曲線的方法( (Phan H.Q，2003) 土中的水分可以有：結(jié)晶水、吸著水、結(jié)土中的水分可以有：結(jié)晶水、吸著水、結(jié)合水（薄膜水）和自由水等，具有不同屬性的合水（薄膜水）和自由水等，具有不同屬性的不同類型。不同類型。 含水率變化時(shí)，土中水有不同的類型，氣含水率變化時(shí)，土中水有不同的類型，氣有不同的連通，從而造成了土水特征曲線的有不同的連通，從而造成了土水特征曲線的復(fù)雜形態(tài)，出現(xiàn)了一系列的重要特征參數(shù)。復(fù)雜形態(tài)，出現(xiàn)了一系列的重要特征參數(shù)。土水特征曲線形態(tài)的重要參數(shù)土水特征曲線形態(tài)的重要參數(shù)飽和度飽和度Sr有殘余飽和度和有效飽和度。有殘余飽和度和有效飽和度。吸力吸力S有氣浸

12、入值（進(jìn)氣壓力值）有氣浸入值（進(jìn)氣壓力值）Sa 和和水浸入值水浸入值Sw。殘余飽和度：殘余飽和度：殘余飽和度反映了土中結(jié)合水的殘余飽和度反映了土中結(jié)合水的實(shí)質(zhì)。飽和度低于它時(shí)不會(huì)再對(duì)已經(jīng)很高的吸實(shí)質(zhì)。飽和度低于它時(shí)不會(huì)再對(duì)已經(jīng)很高的吸力有所影響；飽和度大于它時(shí)，飽和度的少許力有所影響；飽和度大于它時(shí)，飽和度的少許增大可以使吸力大幅度降低，反映了毛細(xì)水以增大可以使吸力大幅度降低，反映了毛細(xì)水以至重力水的出現(xiàn)和增多，使相鄰的彎液面由擴(kuò)至重力水的出現(xiàn)和增多，使相鄰的彎液面由擴(kuò)大、相連，至完全飽和時(shí)消失。大、相連，至完全飽和時(shí)消失。孔隙大小分布指數(shù)孔隙大小分布指數(shù)：是有效飽和度與吸力雙對(duì)：是有效飽和度

13、與吸力雙對(duì)數(shù)關(guān)系曲線的斜率，數(shù)值愈大，表示孔隙尺寸數(shù)關(guān)系曲線的斜率，數(shù)值愈大，表示孔隙尺寸的分布范圍愈窄，孔隙愈均勻。的分布范圍愈窄，孔隙愈均勻。有效飽和度：有效飽和度：為由殘余飽和度起算的飽和度稱為由殘余飽和度起算的飽和度稱為有效飽和度。為有效飽和度。有效飽和度為零時(shí)的吸力稱為有效吸力。有效飽和度為零時(shí)的吸力稱為有效吸力。氣浸入值（進(jìn)氣壓力值）氣浸入值（進(jìn)氣壓力值）Sa：氣開始入浸土氣開始入浸土的孔隙使重力水排出時(shí)對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力。實(shí)的孔隙使重力水排出時(shí)對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力。實(shí)用上，它對(duì)應(yīng)于脫濕時(shí)的吸力曲線在高飽和用上，它對(duì)應(yīng)于脫濕時(shí)的吸力曲線在高飽和度下的拐點(diǎn)，它是土中最大孔隙尺寸的一種度下的拐點(diǎn)

14、，它是土中最大孔隙尺寸的一種量度。量度。水浸入值水浸入值Sw：重力水開始入浸土孔隙時(shí)所對(duì)重力水開始入浸土孔隙時(shí)所對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力。實(shí)用上，它對(duì)應(yīng)于增濕曲線應(yīng)的基質(zhì)吸力。實(shí)用上，它對(duì)應(yīng)于增濕曲線在高飽和度下的拐點(diǎn)。在高飽和度下的拐點(diǎn)。影響土水特征曲線的因素影響土水特征曲線的因素 土水特征曲線土水特征曲線一直是土壤學(xué)研究的重一直是土壤學(xué)研究的重要問題，它只研究了基質(zhì)吸力與含水率的關(guān)要問題，它只研究了基質(zhì)吸力與含水率的關(guān)系。系。對(duì)不同的應(yīng)力應(yīng)變歷史，對(duì)不同的應(yīng)力應(yīng)變歷史，土水特征曲線的土水特征曲線的滯滯回曲回曲線可有邊界線可有邊界滯滯回曲線（邊界干燥曲線和邊界增濕回曲線（邊界干燥曲線和邊界增濕曲線），

15、有主曲線），有主滯滯回曲線，甚至二次回曲線，甚至二次滯滯回曲線?；厍€。從土力學(xué)的角度，從土力學(xué)的角度，基質(zhì)吸力不只與含水量有關(guān)?；|(zhì)吸力不只與含水量有關(guān)。土的干密度、初始結(jié)構(gòu)、擾動(dòng)情況，增濕與加土的干密度、初始結(jié)構(gòu)、擾動(dòng)情況，增濕與加載歷史（正常干燥與超干燥等），甚至土中的載歷史（正常干燥與超干燥等），甚至土中的應(yīng)力狀態(tài)的變化，都會(huì)影響到基質(zhì)吸力的測值應(yīng)力狀態(tài)的變化，都會(huì)影響到基質(zhì)吸力的測值或土水特征曲線的變化?；蛲了卣髑€的變化。非飽和土的應(yīng)力特性研究必須首先正確揭示非飽和土的應(yīng)力特性研究必須首先正確揭示和反映收縮膜張力、孔隙水壓力、孔隙氣壓和反映收縮膜張力、孔隙水壓力、孔隙氣壓力及基質(zhì)

16、吸力間的特點(diǎn)、實(shí)質(zhì)聯(lián)系及其對(duì)土力及基質(zhì)吸力間的特點(diǎn)、實(shí)質(zhì)聯(lián)系及其對(duì)土骨架變形強(qiáng)度變化的作用機(jī)理。骨架變形強(qiáng)度變化的作用機(jī)理。3. 非飽和土的應(yīng)力特性非飽和土的應(yīng)力特性明確確定非飽和土的應(yīng)力特性是研究應(yīng)力明確確定非飽和土的應(yīng)力特性是研究應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及強(qiáng)度問題的基礎(chǔ)。應(yīng)變關(guān)系及強(qiáng)度問題的基礎(chǔ)。 人們?cè)趯で蠓秋柡屯恋膽?yīng)力狀態(tài)變量人們?cè)趯で蠓秋柡屯恋膽?yīng)力狀態(tài)變量時(shí)，首先想到了時(shí)，首先想到了單一有效應(yīng)力型的應(yīng)力狀單一有效應(yīng)力型的應(yīng)力狀態(tài)變量。態(tài)變量。它不是一般的純力學(xué)量，而是一它不是一般的純力學(xué)量，而是一個(gè)與材料有關(guān)的力學(xué)量，與材料的本構(gòu)關(guān)個(gè)與材料有關(guān)的力學(xué)量，與材料的本構(gòu)關(guān)系有著密切的聯(lián)系系有著密切的

17、聯(lián)系（如飽和土力學(xué)中的有（如飽和土力學(xué)中的有效應(yīng)力）。效應(yīng)力）。單一有效應(yīng)力型的應(yīng)力狀態(tài)變量單一有效應(yīng)力型的應(yīng)力狀態(tài)變量 研究提出具有真實(shí)合理性的有效應(yīng)力表研究提出具有真實(shí)合理性的有效應(yīng)力表達(dá)式是當(dāng)前的主要任務(wù)。達(dá)式是當(dāng)前的主要任務(wù)。 對(duì)已經(jīng)提出的各種表達(dá)式還需要作出認(rèn)對(duì)已經(jīng)提出的各種表達(dá)式還需要作出認(rèn)真的選擇與檢驗(yàn)。真的選擇與檢驗(yàn)。 當(dāng)前，雙應(yīng)力型的應(yīng)力狀態(tài)變量得到了當(dāng)前，雙應(yīng)力型的應(yīng)力狀態(tài)變量得到了廣泛的傳播與應(yīng)用。廣泛的傳播與應(yīng)用。它它用凈總應(yīng)力和基質(zhì)吸用凈總應(yīng)力和基質(zhì)吸力作為兩個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力狀態(tài)變量。它是一種力作為兩個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力狀態(tài)變量。它是一種純粹力學(xué)量，與材料性質(zhì)無關(guān)純粹力學(xué)量，與材

18、料性質(zhì)無關(guān)（如固體力學(xué)（如固體力學(xué)中的應(yīng)力）中的應(yīng)力）。 對(duì)用它研究非飽和土變形強(qiáng)度的理論與對(duì)用它研究非飽和土變形強(qiáng)度的理論與方法也需要作出進(jìn)一步的完善與分析方法也需要作出進(jìn)一步的完善與分析雙應(yīng)力型的應(yīng)力狀態(tài)變量雙應(yīng)力型的應(yīng)力狀態(tài)變量對(duì)應(yīng)力特性的一些新探討對(duì)應(yīng)力特性的一些新探討 收縮膜張力、孔隙水壓力、孔隙氣壓力收縮膜張力、孔隙水壓力、孔隙氣壓力及基質(zhì)吸力的特點(diǎn)、實(shí)質(zhì)聯(lián)系與力學(xué)效應(yīng)問及基質(zhì)吸力的特點(diǎn)、實(shí)質(zhì)聯(lián)系與力學(xué)效應(yīng)問題涉及到對(duì)于非飽和土承擔(dān)荷載的機(jī)理，對(duì)題涉及到對(duì)于非飽和土承擔(dān)荷載的機(jī)理，對(duì)于孔隙水壓力、孔隙氣壓力與基質(zhì)吸力以及于孔隙水壓力、孔隙氣壓力與基質(zhì)吸力以及對(duì)于收縮膜張力的認(rèn)識(shí)對(duì)于

19、收縮膜張力的認(rèn)識(shí)關(guān)于非飽和土承擔(dān)荷載的機(jī)理關(guān)于非飽和土承擔(dān)荷載的機(jī)理 土骨架、孔隙水、孔隙氣各自應(yīng)力的大土骨架、孔隙水、孔隙氣各自應(yīng)力的大小應(yīng)該取決于各自的小應(yīng)該取決于各自的相對(duì)壓縮性相對(duì)壓縮性。 在孔隙流體不能排出的條件下在孔隙流體不能排出的條件下，土受力，土受力后的孔隙水壓力和孔隙氣壓力的增量是一種后的孔隙水壓力和孔隙氣壓力的增量是一種超孔隙壓力超孔隙壓力（超過加荷前土中孔隙水壓力和（超過加荷前土中孔隙水壓力和孔隙氣壓力的值）；孔隙氣壓力的值）； 在容許孔隙流體排出的條件下在容許孔隙流體排出的條件下，這種超，這種超孔隙壓力會(huì)隨時(shí)間的增長和土的壓密而孔隙壓力會(huì)隨時(shí)間的增長和土的壓密而逐漸逐漸

20、消散消散，使各相所承擔(dān)應(yīng)力的比例協(xié)調(diào)地發(fā)生，使各相所承擔(dān)應(yīng)力的比例協(xié)調(diào)地發(fā)生變化，最終，變化，最終，在消散終結(jié)時(shí)，在消散終結(jié)時(shí)，荷載仍全部由荷載仍全部由土骨架（包括收縮膜）來承擔(dān)。土骨架（包括收縮膜）來承擔(dān)。飽和土在消散終結(jié)時(shí)飽和土在消散終結(jié)時(shí), ,孔隙壓力，即孔隙水壓力等于零。孔隙壓力，即孔隙水壓力等于零。非飽和土在消散終結(jié)時(shí)非飽和土在消散終結(jié)時(shí), ,孔隙壓力，即孔隙水壓力和孔隙氣壓力孔隙壓力，即孔隙水壓力和孔隙氣壓力都不會(huì)等于零。因?yàn)槎疾粫?huì)等于零。因?yàn)樗鼈內(nèi)匀灰Ａ糁c土達(dá)到固結(jié)時(shí)的濕密狀它們?nèi)匀灰Ａ糁c土達(dá)到固結(jié)時(shí)的濕密狀態(tài)態(tài)相對(duì)應(yīng)相對(duì)應(yīng)、且與此時(shí)變化了的收縮膜狀態(tài)、且與此時(shí)變化了的收

21、縮膜狀態(tài)相相平衡平衡的孔隙水壓力和孔隙氣壓力值，它們是的孔隙水壓力和孔隙氣壓力值，它們是該狀態(tài)下土物理屬性的反映。該狀態(tài)下土物理屬性的反映。關(guān)于孔隙水壓力、孔隙氣壓力及基質(zhì)吸力關(guān)于孔隙水壓力、孔隙氣壓力及基質(zhì)吸力 Wheeler S.J.et al(2003)認(rèn)為認(rèn)為Bishop的有效應(yīng)的有效應(yīng)力公式反映了總應(yīng)力、充氣孔隙中的孔隙氣壓力力公式反映了總應(yīng)力、充氣孔隙中的孔隙氣壓力以及充水孔隙中的孔隙水壓力對(duì)土顆粒骨架所傳以及充水孔隙中的孔隙水壓力對(duì)土顆粒骨架所傳遞應(yīng)力的貢獻(xiàn)，并假定三者在顆粒接觸點(diǎn)處對(duì)力遞應(yīng)力的貢獻(xiàn)，并假定三者在顆粒接觸點(diǎn)處對(duì)力產(chǎn)生相同的變化，它沒有反映彎液面環(huán)狀水的存產(chǎn)生相同的

22、變化，它沒有反映彎液面環(huán)狀水的存在所提供的穩(wěn)定影響。因此，需要再有第二個(gè)應(yīng)在所提供的穩(wěn)定影響。因此，需要再有第二個(gè)應(yīng)力狀態(tài)變量來直接或間接地反映彎液面環(huán)狀水的力狀態(tài)變量來直接或間接地反映彎液面環(huán)狀水的影響。影響。 Wheeler S.J.et al(2003)依據(jù)依據(jù)Houlsby(1997)關(guān)于非飽和土單位體積上所出入的能量增量關(guān)關(guān)于非飽和土單位體積上所出入的能量增量關(guān)系采用了孔隙比與基質(zhì)吸力的乘積作為第二個(gè)系采用了孔隙比與基質(zhì)吸力的乘積作為第二個(gè)應(yīng)力狀態(tài)變量，在應(yīng)力空間內(nèi)來研究非飽和土應(yīng)力狀態(tài)變量，在應(yīng)力空間內(nèi)來研究非飽和土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。 孔隙水壓力和孔隙氣壓力分別在土的

23、孔隙孔隙水壓力和孔隙氣壓力分別在土的孔隙水體和孔隙氣體中是各向等壓的靜水壓力型應(yīng)水體和孔隙氣體中是各向等壓的靜水壓力型應(yīng)力；力； 孔隙水壓力和孔隙氣壓力各自作用在其與孔隙水壓力和孔隙氣壓力各自作用在其與土顆粒接觸部分的表面上，其差值對(duì)土骨架的土顆粒接觸部分的表面上，其差值對(duì)土骨架的作用不會(huì)是各處相等的。作用不會(huì)是各處相等的。 當(dāng)孔隙水為彎液面環(huán)狀水時(shí)，吸力只在接當(dāng)孔隙水為彎液面環(huán)狀水時(shí)，吸力只在接觸點(diǎn)的法向上作用；當(dāng)孔隙水為有彎液面的體觸點(diǎn)的法向上作用；當(dāng)孔隙水為有彎液面的體積水時(shí)，所產(chǎn)生的吸力必然有法向和切向兩個(gè)積水時(shí)，所產(chǎn)生的吸力必然有法向和切向兩個(gè)方向上分力的作用。國內(nèi)也出現(xiàn)了濕吸力與牽

24、方向上分力的作用。國內(nèi)也出現(xiàn)了濕吸力與牽引力的提法（湯連生）。引力的提法（湯連生）。基質(zhì)吸力不能一般地作為靜水壓力型應(yīng)力?；|(zhì)吸力不能一般地作為靜水壓力型應(yīng)力。關(guān)于收縮膜張力關(guān)于收縮膜張力 收縮膜張力直接通過它與土骨架的接收縮膜張力直接通過它與土骨架的接觸點(diǎn)作用在土的骨架上，在它兩側(cè)的孔隙觸點(diǎn)作用在土的骨架上，在它兩側(cè)的孔隙水壓力和孔隙氣壓力既確定了收縮膜的形水壓力和孔隙氣壓力既確定了收縮膜的形狀，或收縮膜張力的作用方向，又確定了狀，或收縮膜張力的作用方向，又確定了收縮膜張力的大小。收縮膜張力的大小。因此，因此， 基質(zhì)吸力只是收縮膜張力在土骨架上作基質(zhì)吸力只是收縮膜張力在土骨架上作用大小的一種

25、量度，它卻沒有反映作為力三用大小的一種量度，它卻沒有反映作為力三要素中關(guān)于收縮膜張力作用方向和作用點(diǎn)的要素中關(guān)于收縮膜張力作用方向和作用點(diǎn)的特性。收縮膜張力在土骨架上的作用其實(shí)是特性。收縮膜張力在土骨架上的作用其實(shí)是有方向性的（非靜水壓力型）。在用基質(zhì)吸有方向性的（非靜水壓力型）。在用基質(zhì)吸力研究非飽和土中力的作用時(shí)，不能將它視力研究非飽和土中力的作用時(shí)，不能將它視為各向均等的。為各向均等的。 將有效應(yīng)力表示為凈應(yīng)力項(xiàng)與一個(gè)吸力相將有效應(yīng)力表示為凈應(yīng)力項(xiàng)與一個(gè)吸力相關(guān)、且能反映基質(zhì)吸力剪切效應(yīng)項(xiàng)之和。關(guān)、且能反映基質(zhì)吸力剪切效應(yīng)項(xiàng)之和。認(rèn)為認(rèn)為對(duì)非飽和土，土顆粒的一部分上作用有孔隙氣對(duì)非飽和土

26、，土顆粒的一部分上作用有孔隙氣壓力，另一部分上作用有孔隙水壓力，它們的壓力，另一部分上作用有孔隙水壓力，它們的作用一般是不平衡的、變化的，而且它的方向作用一般是不平衡的、變化的，而且它的方向并不與凈應(yīng)力的方向相一致，并不與凈應(yīng)力的方向相一致，明確了基質(zhì)吸力明確了基質(zhì)吸力可引起一種剪切效應(yīng)的結(jié)論。可引起一種剪切效應(yīng)的結(jié)論。Li X.I (2003) 用有效球應(yīng)力和有效偏應(yīng)力表示的有效用有效球應(yīng)力和有效偏應(yīng)力表示的有效應(yīng)力型應(yīng)力狀態(tài)變量明確地表明了以應(yīng)力型應(yīng)力狀態(tài)變量明確地表明了以基質(zhì)吸基質(zhì)吸力反映的收縮膜張力為非靜水壓力型應(yīng)力的力反映的收縮膜張力為非靜水壓力型應(yīng)力的這種特性。這種特性。謝定義謝定

27、義(1999)4. 非飽和土的強(qiáng)度特性非飽和土的強(qiáng)度特性基本思路基本思路 非飽和土的抗剪強(qiáng)度被視為非飽和土的抗剪強(qiáng)度被視為符合庫侖強(qiáng)度公式，符合庫侖強(qiáng)度公式，并等于土飽和時(shí)抗剪強(qiáng)度與并等于土飽和時(shí)抗剪強(qiáng)度與非飽和土基質(zhì)吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)非飽和土基質(zhì)吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)（稱為吸附強(qiáng)度）之和，（稱為吸附強(qiáng)度）之和， 因飽和土抗剪強(qiáng)度表達(dá)式已經(jīng)很清因飽和土抗剪強(qiáng)度表達(dá)式已經(jīng)很清楚，故非飽和土抗剪強(qiáng)度的研究工作就楚，故非飽和土抗剪強(qiáng)度的研究工作就主要集中在吸附強(qiáng)度正確的表示方法和主要集中在吸附強(qiáng)度正確的表示方法和形式上。形式上。吸附強(qiáng)度的表達(dá)式吸附強(qiáng)度的表達(dá)式目前提出了很多的強(qiáng)度的表達(dá)式：目前提出了

28、很多的強(qiáng)度的表達(dá)式： 其中以其中以Bishop表達(dá)和表達(dá)和Fredlund表達(dá)式最表達(dá)式最為著名。為著名。在其它一些研究者所提出的表達(dá)式中，在其它一些研究者所提出的表達(dá)式中，有的反映了有效基質(zhì)吸力的影響，有的反映了有效基質(zhì)吸力的影響， 如如Mckee&Bumb表達(dá)式表達(dá)式（1984） Brooks&Corey表達(dá)式表達(dá)式（1964） 有的反映了吸附強(qiáng)度的非線性，有的反映了吸附強(qiáng)度的非線性， 如如Fredlund&Xing表達(dá)式表達(dá)式（1994） YuShenggang等的表達(dá)式等的表達(dá)式（1998） 沈珠江表達(dá)式沈珠江表達(dá)式（1996）有的反映了殘余飽和度的影響，有的反

29、映了殘余飽和度的影響， 如如Vanapalli表達(dá)式表達(dá)式（1998） 有的作了適當(dāng)?shù)暮喕?，有的作了適當(dāng)?shù)暮喕?如盧肇鈞表達(dá)式如盧肇鈞表達(dá)式（1992） 李靖等的表達(dá)式李靖等的表達(dá)式（1997）吸附強(qiáng)度的求取的其他思路吸附強(qiáng)度的求取的其他思路 Parashar,S.P.等等（1994）將非飽和土的將非飽和土的UU強(qiáng)度（應(yīng)變速率為強(qiáng)度（應(yīng)變速率為1.52mm/min，破壞歷破壞歷時(shí)小于時(shí)小于2mim）和飽和后的）和飽和后的CD強(qiáng)度（應(yīng)變速強(qiáng)度（應(yīng)變速率率0.004mm/min）之差視為吸力對(duì)強(qiáng)度的貢）之差視為吸力對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。獻(xiàn)。 Fredlund（1994）提出用土水特征曲線來提出用土水特征

30、曲線來確定抗剪強(qiáng)度的方法，以反映強(qiáng)度隨吸力變化確定抗剪強(qiáng)度的方法，以反映強(qiáng)度隨吸力變化的非線性。在吸力小于進(jìn)氣壓力值時(shí)，含水率的非線性。在吸力小于進(jìn)氣壓力值時(shí)，含水率的變化不大，吸力在發(fā)揮剪阻力方面與凈法向的變化不大，吸力在發(fā)揮剪阻力方面與凈法向應(yīng)力的效用相同；在吸力高于進(jìn)氣壓力值時(shí)，應(yīng)力的效用相同；在吸力高于進(jìn)氣壓力值時(shí)，吸力對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)隨含水率的減小而降低，呈吸力對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)隨含水率的減小而降低，呈非線性變化。非線性變化。 賈其軍賈其軍（2004）：由于土平均粒徑愈由于土平均粒徑愈細(xì)，吸力引起的吸附強(qiáng)度愈大，土粒的級(jí)細(xì)，吸力引起的吸附強(qiáng)度愈大，土粒的級(jí)配愈好吸力帶來的影響愈大，故可以從土配

31、愈好吸力帶來的影響愈大，故可以從土的顆粒與級(jí)配出發(fā)，研究任意排列不等粒的顆粒與級(jí)配出發(fā)，研究任意排列不等粒徑顆粒間收縮膜張力在粒間引起的有效附徑顆粒間收縮膜張力在粒間引起的有效附加應(yīng)力，將它乘以內(nèi)摩擦系數(shù)即為土的吸加應(yīng)力，將它乘以內(nèi)摩擦系數(shù)即為土的吸附強(qiáng)度。附強(qiáng)度。雖然非飽和土強(qiáng)度表達(dá)式的多樣性雖然非飽和土強(qiáng)度表達(dá)式的多樣性往往使人難予作出正確的選擇，往往使人難予作出正確的選擇，但無論如何，但無論如何，在非飽和土抗剪強(qiáng)度的研究中開始考慮到在非飽和土抗剪強(qiáng)度的研究中開始考慮到它的非線性、結(jié)構(gòu)性殘余飽和度的影響等，它的非線性、結(jié)構(gòu)性殘余飽和度的影響等，并努力尋求合適的有效應(yīng)力表達(dá)式并努力尋求合適的

32、有效應(yīng)力表達(dá)式是一個(gè)很好的現(xiàn)象。是一個(gè)很好的現(xiàn)象。非飽和土在干、濕循環(huán)時(shí)的抗剪強(qiáng)度曲線非飽和土在干、濕循環(huán)時(shí)的抗剪強(qiáng)度曲線 非飽和土在干、濕循環(huán)時(shí)的抗剪強(qiáng)度曲線非飽和土在干、濕循環(huán)時(shí)的抗剪強(qiáng)度曲線也有也有滯滯回圈型的變化。回圈型的變化。正常干燥樣與超干燥樣的強(qiáng)度曲線不同。正常干燥樣與超干燥樣的強(qiáng)度曲線不同。超干燥樣的曲線在正常干燥樣曲線形成的主圈超干燥樣的曲線在正常干燥樣曲線形成的主圈以內(nèi)，且干、濕的兩枝基本平行。以內(nèi)，且干、濕的兩枝基本平行。對(duì)比于超干燥樣的曲線，正常干燥樣的曲線在對(duì)比于超干燥樣的曲線，正常干燥樣的曲線在低基質(zhì)吸力時(shí)偏高，在高基質(zhì)吸力時(shí)偏低。低基質(zhì)吸力時(shí)偏高，在高基質(zhì)吸力時(shí)偏

33、低。 飽和土強(qiáng)度與吸附強(qiáng)度之和的基本思路，飽和土強(qiáng)度與吸附強(qiáng)度之和的基本思路，對(duì)于無、或弱結(jié)構(gòu)性的非飽和土是基本正確的。對(duì)于無、或弱結(jié)構(gòu)性的非飽和土是基本正確的。 對(duì)于結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)的非飽和土，上述的基本對(duì)于結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)的非飽和土，上述的基本思路尚有進(jìn)一步考慮，并探求直接測取非飽和思路尚有進(jìn)一步考慮，并探求直接測取非飽和土抗剪強(qiáng)度方法的必要。土抗剪強(qiáng)度方法的必要。將非飽和土強(qiáng)度歸結(jié)為將非飽和土強(qiáng)度歸結(jié)為 因不同初始含水率下的非飽和土在應(yīng)力因不同初始含水率下的非飽和土在應(yīng)力固結(jié)或水分增減后的密度、結(jié)構(gòu)狀態(tài)均會(huì)有固結(jié)或水分增減后的密度、結(jié)構(gòu)狀態(tài)均會(huì)有所不同，故即使最終均達(dá)到了飽和，其所測所不同，故即使最

34、終均達(dá)到了飽和，其所測得的凝聚力和內(nèi)摩擦角會(huì)不是一個(gè)常值。得的凝聚力和內(nèi)摩擦角會(huì)不是一個(gè)常值。5. 非飽和土的滲透特性非飽和土的滲透特性基本定理基本定理非飽和土的滲透特性要研究非飽和土中非飽和土的滲透特性要研究非飽和土中孔隙水和孔隙氣兩種流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律?？紫端涂紫稓鈨煞N流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。（通常，水、氣的運(yùn)動(dòng)在等溫條件下討論）（通常，水、氣的運(yùn)動(dòng)在等溫條件下討論） 水的運(yùn)動(dòng)服從水的運(yùn)動(dòng)服從以流量變化為基礎(chǔ)的以流量變化為基礎(chǔ)的Darcy定理（滲水速度與水的滲透梯度成正比，比例定理（滲水速度與水的滲透梯度成正比，比例常數(shù)為滲水系數(shù)常數(shù)為滲水系數(shù)kw） 氣的運(yùn)動(dòng)服從氣的運(yùn)動(dòng)服從以質(zhì)量變化為基礎(chǔ)的以質(zhì)量

35、變化為基礎(chǔ)的Fick定定理（滲氣的質(zhì)量速度與空氣質(zhì)量濃度梯度成正理（滲氣的質(zhì)量速度與空氣質(zhì)量濃度梯度成正比比，比例常數(shù)為空氣的傳導(dǎo)系數(shù)比例常數(shù)為空氣的傳導(dǎo)系數(shù)Da（也可用也可用Darcy定理定理）滲透函數(shù)滲透函數(shù)既然非飽和土的滲透特性可以用滲水系數(shù)、既然非飽和土的滲透特性可以用滲水系數(shù)、滲氣系數(shù)來表示，那么滲氣系數(shù)來表示，那么研究非飽和土的滲透特性常需要建立研究非飽和土的滲透特性常需要建立滲水系數(shù)、滲氣系數(shù)與土性參數(shù)滲水系數(shù)、滲氣系數(shù)與土性參數(shù)（粒度、密度、濕度、結(jié)構(gòu)參數(shù)）（粒度、密度、濕度、結(jié)構(gòu)參數(shù)）之間的關(guān)系，稱之為滲透函數(shù)。之間的關(guān)系，稱之為滲透函數(shù)。 在水單連通的土中是滲水在水單連通的

36、土中是滲水，要建立滲水，要建立滲水的滲透函數(shù)的滲透函數(shù) 在氣單連通的土中是滲氣，在氣單連通的土中是滲氣，要建立滲氣要建立滲氣的滲透函數(shù)的滲透函數(shù) 在水、氣雙連通的土中，既有滲水，又在水、氣雙連通的土中，既有滲水，又有滲氣有滲氣，要建立滲水、滲氣的滲透函數(shù)，要建立滲水、滲氣的滲透函數(shù) 當(dāng)對(duì)一定的土在其密度無變化的情況下當(dāng)對(duì)一定的土在其密度無變化的情況下研究時(shí)，研究時(shí)，滲透函數(shù)只是濕度（吸力或飽和度）滲透函數(shù)只是濕度（吸力或飽和度）的函數(shù)（結(jié)構(gòu)和粒度的影響包含在函數(shù)的參的函數(shù)（結(jié)構(gòu)和粒度的影響包含在函數(shù)的參數(shù)中）。對(duì)它們已經(jīng)提出了一系列的統(tǒng)計(jì)模數(shù)中）。對(duì)它們已經(jīng)提出了一系列的統(tǒng)計(jì)模型，型，Mual

37、en做過總結(jié)性的工作，做過總結(jié)性的工作，1986。滲水和滲氣的滲透函數(shù)滲水和滲氣的滲透函數(shù)對(duì)滲水有對(duì)滲水有 Garderner&Fireman（195Philip（1986），），Arbhablirama&Kridakonn（1968），Gardner（1956），），Davidson（1969），），Compbell（1956）等等。對(duì)滲氣有對(duì)滲氣有 Brooks&Corey的關(guān)系式等的關(guān)系式等。 對(duì)密度有變化時(shí)滲水的滲透函數(shù)也做了一對(duì)密度有變化時(shí)滲水的滲透函數(shù)也做了一些研究：些研究： 如如Mitchell, et al（1965）式，式，Donglas and Mc

38、kyes式式（1978，膨脹粘土膨脹粘土），），Lloretet.and Alonso式式（1980）以及）以及Chang and Duncan式式（1983）等，但深入的研究不多。等，但深入的研究不多。 關(guān)于非飽和土滲透函數(shù)的研究多以關(guān)于非飽和土滲透函數(shù)的研究多以土水特土水特征曲線為基礎(chǔ)：征曲線為基礎(chǔ)：建立相對(duì)建立相對(duì)滲透系數(shù)滲透系數(shù)（某一含水（某一含水率下滲透系數(shù)對(duì)飽和含水率下滲透系數(shù)之比）率下滲透系數(shù)對(duì)飽和含水率下滲透系數(shù)之比）與含水率、吸力之間的關(guān)系與含水率、吸力之間的關(guān)系，并且引入了土水，并且引入了土水特征曲線的一系列特征參數(shù)。特征曲線的一系列特征參數(shù)。 但不同滲透函數(shù)與不同土水特征

39、曲線相但不同滲透函數(shù)與不同土水特征曲線相的組合適應(yīng)于不同的土類的組合適應(yīng)于不同的土類滲透函數(shù)與土水特征曲線滲透函數(shù)與土水特征曲線Agus S .S.等等比較了比較了：土水特征曲線型式土水特征曲線型式（Gardner,1958; Van Genachte1980; Fredlund&Xing,1994）與與滲透滲透函數(shù)型式函數(shù)型式(Childs Collis George,1950; Burdine,1953; Mualen,1976)的組合的組合得出：得出：對(duì)不同土類來說，對(duì)不同土類來說，CCG函數(shù)與函數(shù)與FX曲線的組合曲線的組合對(duì)粘土的相關(guān)最高對(duì)粘土的相關(guān)最高; ;M函數(shù)與函數(shù)與FX

40、曲線的組合曲線的組合對(duì)砂土的相關(guān)最高對(duì)砂土的相關(guān)最高; ;修正的修正的CCG函數(shù)比函數(shù)比CCG函數(shù)更好函數(shù)更好; ;對(duì)砂土比粘對(duì)砂土比粘土更高；土更高；CCG函數(shù)與函數(shù)與G曲線的組合曲線的組合在在0.81.0間相關(guān)最高間相關(guān)最高; ;CCG函數(shù)與函數(shù)與FX曲線的組合曲線的組合在在00.2間相關(guān)最高間相關(guān)最高; ;M函數(shù)與函數(shù)與FX曲線的組合曲線的組合在在0.20.8間相關(guān)最高，間相關(guān)最高，并且得到了對(duì)并且得到了對(duì)前面三種函數(shù)的一般表達(dá)形式前面三種函數(shù)的一般表達(dá)形式，流體的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)流體的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)流體的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)包括流體的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)包括氣相的過水?dāng)U散氣相的過水?dāng)U散和和液相的化學(xué)擴(kuò)散，液相的化學(xué)擴(kuò)散，也

41、是非飽和土滲透性研究的內(nèi)容。也是非飽和土滲透性研究的內(nèi)容。氣相的過水?dāng)U散氣相的過水?dāng)U散可用可用Fick定理定理（氣相通過水?dāng)U散時(shí)，擴(kuò)散質(zhì)量的流動(dòng)率與擴(kuò)（氣相通過水?dāng)U散時(shí)，擴(kuò)散質(zhì)量的流動(dòng)率與擴(kuò)散空氣的濃度梯度成比例）散空氣的濃度梯度成比例）研究表明：研究表明：液相的化學(xué)擴(kuò)散液相的化學(xué)擴(kuò)散也可用也可用Fick定理定理（化學(xué)物質(zhì)濃度為（化學(xué)物質(zhì)濃度為C的水向純水中擴(kuò)散時(shí)，擴(kuò)的水向純水中擴(kuò)散時(shí)，擴(kuò)散質(zhì)量的流動(dòng)率與化學(xué)物質(zhì)濃度梯度成正比）散質(zhì)量的流動(dòng)率與化學(xué)物質(zhì)濃度梯度成正比）6. 非飽和土的變形特性非飽和土的變形特性體積變形理論體積變形理論 氣相的壓縮為土體變形的主要來源，氣相的壓縮為土體變形的主要來

42、源，它它不僅量不僅量大，而且完成也很快。使得液相的壓縮，無論在變大，而且完成也很快。使得液相的壓縮，無論在變形量上，還是在變形速率上，均處于次要地位。形量上，還是在變形速率上，均處于次要地位。 從而從而使研究非飽和土體積變形理論的工作得到使研究非飽和土體積變形理論的工作得到了較廣泛的重視了較廣泛的重視（偏應(yīng)力部分只引起形變，而不引起體變，在體積（偏應(yīng)力部分只引起形變，而不引起體變，在體積變形理論中可將其忽略，只考慮球應(yīng)力的影響）變形理論中可將其忽略，只考慮球應(yīng)力的影響）本構(gòu)模型理論本構(gòu)模型理論用體積變形理論得不到土在不同方向上的變形用體積變形理論得不到土在不同方向上的變形量，量，非飽和土本構(gòu)理

43、論的研究也同樣得到了普遍的非飽和土本構(gòu)理論的研究也同樣得到了普遍的重視，重視，彈塑性本構(gòu)模型的研究成了彈塑性本構(gòu)模型的研究成了當(dāng)代本構(gòu)理論研究的主流。當(dāng)代本構(gòu)理論研究的主流。非飽和土的體積變形理論非飽和土的體積變形理論 應(yīng)力狀態(tài)變量應(yīng)力狀態(tài)變量雙應(yīng)力變量的靜總雙應(yīng)力變量的靜總應(yīng)力和基質(zhì)吸力應(yīng)力和基質(zhì)吸力 變形狀態(tài)變量變形狀態(tài)變量孔隙比的變化（或孔隙比的變化（或體應(yīng)變的變化）、含水量的變化（或體積體應(yīng)變的變化）、含水量的變化（或體積含水量的變化）含水量的變化） 建立的應(yīng)力狀態(tài)變量與變形狀態(tài)變量建立的應(yīng)力狀態(tài)變量與變形狀態(tài)變量之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：孔隙比本構(gòu)面孔隙比本構(gòu)面（土骨架本構(gòu)面）（土骨架

44、本構(gòu)面） 只在單調(diào)加、卸荷時(shí)有唯一性只在單調(diào)加、卸荷時(shí)有唯一性含水率本構(gòu)面含水率本構(gòu)面（液相本構(gòu)面）（液相本構(gòu)面） 只在單調(diào)增、減濕時(shí)有唯一性只在單調(diào)增、減濕時(shí)有唯一性土骨架本構(gòu)面、液相本構(gòu)面有不同的形式土骨架本構(gòu)面、液相本構(gòu)面有不同的形式 各種形式中的土性參數(shù)均需通過等吸力試驗(yàn)與各種形式中的土性參數(shù)均需通過等吸力試驗(yàn)與等凈總應(yīng)力試驗(yàn)求得。等凈總應(yīng)力試驗(yàn)求得。加荷條件不同（如單軸加荷、三軸加荷、等壓加荷條件不同（如單軸加荷、三軸加荷、等壓加荷、平面應(yīng)力加荷、平面應(yīng)變加荷、以及加荷、平面應(yīng)力加荷、平面應(yīng)變加荷、以及K0加荷等）都會(huì)得到不同的土性參數(shù)值，加荷等）都會(huì)得到不同的土性參數(shù)值，加荷與卸荷

45、、增濕與減濕也會(huì)對(duì)參數(shù)有影響。加荷與卸荷、增濕與減濕也會(huì)對(duì)參數(shù)有影響。非飽和土的本構(gòu)模型理論非飽和土的本構(gòu)模型理論 應(yīng)該既建立應(yīng)該既建立土骨架的本構(gòu)模型土骨架的本構(gòu)模型，即骨架的，即骨架的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系方程，稱為應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系方程，稱為變形模型變形模型； 又建立又建立流體的本構(gòu)模型流體的本構(gòu)模型，即流體的梯度與，即流體的梯度與流量關(guān)系方程，稱為流量關(guān)系方程，稱為流動(dòng)模型流動(dòng)模型。 這兩種本構(gòu)關(guān)系都含有孔隙水壓力和孔隙這兩種本構(gòu)關(guān)系都含有孔隙水壓力和孔隙氣壓力，氣壓力，二者之間用吸力狀態(tài)方程來協(xié)調(diào)。二者之間用吸力狀態(tài)方程來協(xié)調(diào)。（流體的梯度與流量關(guān)系方程，含吸力）（流體的梯度與流量關(guān)系方程，含吸

46、力）液相的連續(xù)方程，氣相的連續(xù)方程液相的連續(xù)方程，氣相的連續(xù)方程液相運(yùn)動(dòng)方程，氣相運(yùn)動(dòng)方程液相運(yùn)動(dòng)方程，氣相運(yùn)動(dòng)方程流體的本構(gòu)模型流體的本構(gòu)模型流動(dòng)模型流動(dòng)模型（骨架的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系方程，含吸力）（骨架的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系方程，含吸力）非線性彈性模型，彈塑性模型，結(jié)構(gòu)損傷模型非線性彈性模型，彈塑性模型，結(jié)構(gòu)損傷模型土骨架的本構(gòu)模型土骨架的本構(gòu)模型變形模型變形模型因流動(dòng)模型均較容易寫出，因流動(dòng)模型均較容易寫出，故變形模型成了本構(gòu)模型研究的中心。故變形模型成了本構(gòu)模型研究的中心。非飽和土的非線性彈性模型非飽和土的非線性彈性模型關(guān)鍵是確定切線模量和切線泊桑比，關(guān)鍵是確定切線模量和切線泊桑比，通常以通常以

47、Duncan&Chang模型為基礎(chǔ)，但需將模型為基礎(chǔ)，但需將吸力的影響吸力的影響在確定切線模量或切線泊桑比時(shí)反映進(jìn)去。在確定切線模量或切線泊桑比時(shí)反映進(jìn)去。對(duì)此，不同的學(xué)者采用了不同的方法。對(duì)此，不同的學(xué)者采用了不同的方法。Fredlund-Rahardgio在計(jì)算壓縮的切線模量時(shí)，在計(jì)算壓縮的切線模量時(shí)，將吸力的影響反映在應(yīng)力上，（強(qiáng)度仍采用將吸力的影響反映在應(yīng)力上，（強(qiáng)度仍采用Bishop的強(qiáng)度公式）。的強(qiáng)度公式）。陳正漢陳正漢在計(jì)算壓縮的切線模量時(shí)，將吸力的影響在計(jì)算壓縮的切線模量時(shí)，將吸力的影響既反映在應(yīng)力上（但用既反映在應(yīng)力上（但用Fredlund的強(qiáng)度公式），的強(qiáng)度公式），

48、又反映在又反映在Duncan&Chang模型的模量系數(shù)模型的模量系數(shù)k上，上，而且，對(duì)吸力和圍應(yīng)力分別得到了土骨架的體積而且，對(duì)吸力和圍應(yīng)力分別得到了土骨架的體積切線模量和液相的體積切線模量的表達(dá)式。切線模量和液相的體積切線模量的表達(dá)式。沈珠江沈珠江將吸力的影響反映在應(yīng)力上（對(duì)將吸力的影響反映在應(yīng)力上（對(duì)Et仍用仍用Fredlund的思路），但用的思路），但用Mt代替了切線泊桑比代替了切線泊桑比Gatmiri&Delage采用采用EK模型，直接引入吸力模型，直接引入吸力來計(jì)算來計(jì)算體積切線模量體積切線模量KtRobert Lytton采用采用EK模型模型, ,將應(yīng)力利用八面將應(yīng)

49、力利用八面體應(yīng)力表示，體應(yīng)力表示，非飽和土的彈塑性模型（非飽和土的彈塑性模型（Alonso模型）模型）應(yīng)力狀態(tài)變量應(yīng)力狀態(tài)變量球應(yīng)力，基質(zhì)吸力球應(yīng)力，基質(zhì)吸力應(yīng)變狀態(tài)變量應(yīng)變狀態(tài)變量球應(yīng)變球應(yīng)變，偏應(yīng)變偏應(yīng)變，應(yīng)變均分為彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變，而且考慮應(yīng)變均分為彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變，而且考慮應(yīng)應(yīng)力對(duì)應(yīng)變之間的交叉影響。力對(duì)應(yīng)變之間的交叉影響。假定吸力不引起偏應(yīng)變時(shí)，假定吸力不引起偏應(yīng)變時(shí)，只需求出只需求出6個(gè)個(gè)應(yīng)變與應(yīng)力之間的關(guān)系。應(yīng)變與應(yīng)力之間的關(guān)系。* *在在q=0時(shí)的時(shí)的s-p平面內(nèi)，有平面內(nèi)，有LC和和SI兩類屈服面：兩類屈服面：將它們的硬化參量與土的塑性應(yīng)變聯(lián)系起來，將它們的硬化參量與土的

50、塑性應(yīng)變聯(lián)系起來，可可得新的得新的后繼屈服面后繼屈服面。* *在在q不等于零時(shí)一定吸力下不等于零時(shí)一定吸力下q p平面內(nèi)的平面內(nèi)的屈服面屈服面隨隨硬化參量硬化參量p0而變化，而變化， 上述在上述在s-p平面和平面和p-q平面內(nèi)的屈服面用平面內(nèi)的屈服面用-ps=-ks, , 了聯(lián)系起來。了聯(lián)系起來。本模型適用于略具膨脹性的低塑性非飽和土本模型適用于略具膨脹性的低塑性非飽和土（沙、粉沙、粘質(zhì)沙、沙質(zhì)粘土及粘土）。（沙、粉沙、粘質(zhì)沙、沙質(zhì)粘土及粘土）。由于用了硬化塑性理論和極限狀態(tài)模型，由于用了硬化塑性理論和極限狀態(tài)模型，對(duì)反應(yīng)強(qiáng)烈的應(yīng)力路徑依賴性提供了改進(jìn)。對(duì)反應(yīng)強(qiáng)烈的應(yīng)力路徑依賴性提供了改進(jìn)。非

51、飽和土的彈塑性模型（非飽和土的彈塑性模型（Kato Matsuoka模型）模型）Matsuoka 在在SMP平面平面（Strength Mobilized Plane，稱為稱為強(qiáng)度發(fā)揮面強(qiáng)度發(fā)揮面）上研究本構(gòu)模型上研究本構(gòu)模型。應(yīng)力狀態(tài)變量：應(yīng)力狀態(tài)變量：SMP平面上的轉(zhuǎn)換正應(yīng)力和轉(zhuǎn)平面上的轉(zhuǎn)換正應(yīng)力和轉(zhuǎn)換剪應(yīng)力換剪應(yīng)力（綜合考慮了非飽和土的粘結(jié)應(yīng)力，（綜合考慮了非飽和土的粘結(jié)應(yīng)力，含吸力的影響）含吸力的影響）應(yīng)變狀態(tài)變量：應(yīng)變狀態(tài)變量：SMP平面上的正應(yīng)變?cè)隽亢图羝矫嫔系恼龖?yīng)變?cè)隽亢图魬?yīng)變?cè)隽繎?yīng)變?cè)隽?彈塑性變形的彈性部分彈塑性變形的彈性部分由一般彈性理論由一般彈性理論方法得到，方法得到，

52、彈塑性變形的塑性部分彈塑性變形的塑性部分有球應(yīng)力有球應(yīng)力引起的引起的塑性應(yīng)變和偏應(yīng)力引起的塑性應(yīng)變，按塑性塑性應(yīng)變和偏應(yīng)力引起的塑性應(yīng)變，按塑性理論得到。理論得到。非飽和土的彈塑性體積變化模型非飽和土的彈塑性體積變化模型（Gallipoli D）基本應(yīng)力變量采用基本應(yīng)力變量采用Bishop的有效應(yīng)力，的有效應(yīng)力，但認(rèn)為但認(rèn)為Bishop有效應(yīng)力公式，只考慮了流體壓力有效應(yīng)力公式，只考慮了流體壓力改變對(duì)骨架應(yīng)力的作用，未能反映改變對(duì)骨架應(yīng)力的作用，未能反映彎液水結(jié)合法彎液水結(jié)合法向力向力的作用。的作用。又引入了一個(gè)又引入了一個(gè)結(jié)合變量結(jié)合變量從從單個(gè)彎液水穩(wěn)定法向力的大小與彎液水接觸點(diǎn)單個(gè)彎液水

53、穩(wěn)定法向力的大小與彎液水接觸點(diǎn)數(shù)目的多少兩方面反映了數(shù)目的多少兩方面反映了彎液水結(jié)合法向力彎液水結(jié)合法向力的作的作用，用，在應(yīng)力空間內(nèi)建立了正常壓縮狀態(tài)面在應(yīng)力空間內(nèi)建立了正常壓縮狀態(tài)面基本變形變量采用孔隙比基本變形變量采用孔隙比再假定由孔隙比再假定由孔隙比e改變的彈性部分增量表達(dá)式改變的彈性部分增量表達(dá)式與等向平均骨架應(yīng)力和結(jié)合變量有關(guān)，與等向平均骨架應(yīng)力和結(jié)合變量有關(guān)，得到了孔隙比得到了孔隙比e改變的塑性部分的增量的表達(dá)改變的塑性部分的增量的表達(dá)式。式。非飽和土的結(jié)構(gòu)性模型非飽和土的結(jié)構(gòu)性模型建立一種在增荷與增濕作用下，既考慮滑移，建立一種在增荷與增濕作用下，既考慮滑移，又考慮膠結(jié)力破壞過

54、程中結(jié)構(gòu)變形的又考慮膠結(jié)力破壞過程中結(jié)構(gòu)變形的結(jié)構(gòu)性模結(jié)構(gòu)性模型。型。是一種新的、有吸引力的方向是一種新的、有吸引力的方向結(jié)構(gòu)性土的變形：結(jié)構(gòu)性土的變形：接觸點(diǎn)靠緊的變形接觸點(diǎn)靠緊的變形（整體結(jié)構(gòu)完好，弱處少量破壞，彈性和松弛距（整體結(jié)構(gòu)完好，弱處少量破壞，彈性和松弛距離再靠近）離再靠近）接觸點(diǎn)滑移的變形接觸點(diǎn)滑移的變形（先是膠結(jié)薄弱處破損，再是塊體逐漸碎小，（先是膠結(jié)薄弱處破損，再是塊體逐漸碎小，剪切滑移漸大）剪切滑移漸大）接觸點(diǎn)固化的變形接觸點(diǎn)固化的變形（水膜變薄，孔隙減小，后期的孔隙水壓力消散（水膜變薄，孔隙減小，后期的孔隙水壓力消散非飽和土的結(jié)構(gòu)性模型非飽和土的結(jié)構(gòu)性模型（沈珠江）（沈

55、珠江）復(fù)合體模型：復(fù)合體模型：由土的由土的原狀部分原狀部分（理想彈性體）（理想彈性體）和和損傷部分損傷部分（彈塑性體）（彈塑性體）共同承擔(dān)荷載。共同承擔(dān)荷載。堆砌體模型：堆砌體模型：土的應(yīng)變?yōu)橥恋膽?yīng)變?yōu)閺椝苄詰?yīng)變彈塑性應(yīng)變（有效應(yīng)（有效應(yīng)力增加引起的）力增加引起的）與與損傷應(yīng)變損傷應(yīng)變（土顆粒破碎引起（土顆粒破碎引起的）的）之和。之和。 統(tǒng)一變形模型：統(tǒng)一變形模型：土的變形為土的變形為飽和擾動(dòng)土的飽和擾動(dòng)土的變形變形（用彈塑性模型，有效應(yīng)力）（用彈塑性模型，有效應(yīng)力）和和非飽和原非飽和原狀土吸力喪失引起的變形狀土吸力喪失引起的變形（隨廣義吸力的喪失，（隨廣義吸力的喪失，土孔隙比逐漸趨于穩(wěn)定孔隙

56、比，即趨于飽和擾土孔隙比逐漸趨于穩(wěn)定孔隙比，即趨于飽和擾動(dòng)土的孔隙比）動(dòng)土的孔隙比）之和。之和。 破損介質(zhì)模型破損介質(zhì)模型由土的結(jié)構(gòu)塊由土的結(jié)構(gòu)塊（應(yīng)力為（應(yīng)力為膠結(jié)應(yīng)力，線彈性體性質(zhì)）膠結(jié)應(yīng)力，線彈性體性質(zhì)）與結(jié)構(gòu)帶與結(jié)構(gòu)帶（應(yīng)力為（應(yīng)力為摩擦應(yīng)力，損傷體性質(zhì)）摩擦應(yīng)力，損傷體性質(zhì)）共同承擔(dān)荷載。共同承擔(dān)荷載。此外，國內(nèi)還有從不同角度提出的模型此外，國內(nèi)還有從不同角度提出的模型繆林昌繆林昌用飽和度場代替吸力場，用飽和度場代替吸力場，將殷宗澤的雙屈服面模型（橢圓形的體積屈服將殷宗澤的雙屈服面模型（橢圓形的體積屈服面和拋物線型的剪切屈服面）推廣到非飽和土，面和拋物線型的剪切屈服面）推廣到非飽和土

57、，代表了一種有意義的思路。代表了一種有意義的思路。7. 非飽和土體的固結(jié)特性非飽和土體的固結(jié)特性 固結(jié)過程是由荷載施加，應(yīng)力增長，骨架變形，固結(jié)過程是由荷載施加，應(yīng)力增長，骨架變形，氣相壓縮，水、氣逐漸排出，氣相壓縮，水、氣逐漸排出，土骨架應(yīng)力逐漸增大，土骨架應(yīng)力逐漸增大，土逐漸變形，土逐漸變形，孔隙水、氣壓力逐漸調(diào)整到骨架應(yīng)力、孔隙水、氣壓力逐漸調(diào)整到骨架應(yīng)力、變形和孔隙水、氣壓力穩(wěn)定的全過程。變形和孔隙水、氣壓力穩(wěn)定的全過程。 它是土的變形模型和流動(dòng)模型相互交織影響、共它是土的變形模型和流動(dòng)模型相互交織影響、共同協(xié)調(diào)的過程。同協(xié)調(diào)的過程。( (既解決土骨架變形場特性問題，既解決土骨架變形場

58、特性問題，又解決孔隙流體的滲流場特性問題又解決孔隙流體的滲流場特性問題) )非飽和土的固結(jié)過程非飽和土的固結(jié)過程非飽和土的固結(jié)與飽和土的固結(jié)的不同之處非飽和土的固結(jié)與飽和土的固結(jié)的不同之處一是非飽和土中可壓縮孔隙氣的存在一是非飽和土中可壓縮孔隙氣的存在 可以使土骨架受可以使土骨架受力并超過它的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度力并超過它的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度后迅速變形，后迅速變形， 使孔隙氣壓力迅速增長，使孔隙水壓力使孔隙氣壓力迅速增長，使孔隙水壓力也受到影響而變化，也受到影響而變化， 從而從而使土在沒有排水排氣條件下也會(huì)產(chǎn)使土在沒有排水排氣條件下也會(huì)產(chǎn)生壓縮變形。生壓縮變形。二是溶解在水中的空氣引起的壓縮性二是溶解在水中的空氣引

59、起的壓縮性 要比水的壓縮性約大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。故當(dāng)要比水的壓縮性約大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。故當(dāng)孔隙水中只有孔隙水中只有1的溶解空氣時(shí)，的溶解空氣時(shí)， 孔隙流體孔隙流體的壓縮性已就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無溶解空氣時(shí)水的的壓縮性已就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無溶解空氣時(shí)水的壓縮性，此時(shí)，在一般土粒和水體積不可壓壓縮性，此時(shí)，在一般土粒和水體積不可壓縮的假定下，縮的假定下，土的壓縮體變就可只由氣的體變來估計(jì)。土的壓縮體變就可只由氣的體變來估計(jì)。三是非飽和土常有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度三是非飽和土常有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 不是在荷載一作用就有水、氣壓力的變化不是在荷載一作用就有水、氣壓力的變化和土骨架的損傷變形。和土骨架的損傷變形。非飽和土的固結(jié)理論非飽和土

60、的固結(jié)理論土的固結(jié)理論與土體的固結(jié)理論不同，土的固結(jié)理論與土體的固結(jié)理論不同， 前者前者研究一個(gè)點(diǎn)（材料），研究一個(gè)點(diǎn)（材料），后者后者研究一個(gè)研究一個(gè)場（土體），場（土體）， 但土的固結(jié)理論和土體的固結(jié)理論均由變但土的固結(jié)理論和土體的固結(jié)理論均由變形模型和流動(dòng)模型所確定的控制方程及定解條形模型和流動(dòng)模型所確定的控制方程及定解條件來反映。件來反映。土土的固結(jié)理論的固結(jié)理論要要在土性試驗(yàn)的定解條件在土性試驗(yàn)的定解條件下求解固結(jié)理論的控制方程，得到不同時(shí)刻下求解固結(jié)理論的控制方程，得到不同時(shí)刻土的土的應(yīng)力和位移，應(yīng)力和位移，土體土體的固結(jié)理論的固結(jié)理論要在土體定解條件要在土體定解條件下求解固結(jié)理論的控制方程，得到不同時(shí)刻下求解固結(jié)理論的控制方程，得到不同時(shí)刻土體中各個(gè)