（岩土工程专业论文）非饱和土边坡的稳定性评价.pdf

! ! 查窒望查兰塑主兰堡堡苎! 墨一 摘要 ，1 饱和土体的工程性质及稳定性是岩土工程研究女域的重要研究课题之一。非饱和 时目南是具有负孔隙水压力的土，即具有基质吸力的土。基质吸力的存在是造成非饱和土 与饱和士工程陛质有明显差异的根本原因，它在控制非饱和土的力学性状方面起着十分重 要的作用。在对非饱和土的试验中，一般认为抗剪强度与基质吸力之间是线性关系。但非 饱和土的近期抗剪试验成果表明，抗剪强度与基质吸力之间是非线性的。基于此，在对国 内外研究现状深入了解的基础上，婶文重点研究了非饱和士抗剪强度与基质吸力的非线性 的关系，以及当考虑这一非线性关系时，在对边坡稳定性的评价方面的影响。 本文通过t e m p l e 压力板试验，测得试验土样的土水特征曲线，对曲线进行拟合，得 到体积含水量与基质吸力的非线性的关系公式，结合f r e d l u n d 、v a ng e n u c h t e n 、g a r d n e r 三个非线性的经验公式，采用沿土水特征曲线进行p 次幂积分的方法，计算得到非饱和土 抗剪强度与基质吸力之间的非线性关系。比较分析了线性与非线性两种强度包线，得出了 适合f 所研究的粉质粘土的p 值。 在以上分析的基础上，依据非饱和土的强度理论以及常规的边坡稳定性分析的方法 ( 确定推力线位置的条分法) ，列 见有考虑抗剪强度与基质吸力的线性关系时的边坡稳定性 评价模型进行了改进，建立了考虑抗剪强度与基质吸力的非线性关系的边坡稳定性评价模 型。( 在进行分析的同时，对基质吸力的分布特点做了两种假设，分别是：1 假设基质吸力 沿深度为常数；2 假设基质吸力沿深度线l 生减小到地下水位。通过计算，比较分析了当假 设基质吸力沿深度为常数时，线性与非线性两种评价模型的计算结果；当假设基质吸力沿 深度线性减小到地下水位时，线性与非线性两种评价模型的计算结果夕。 通过以上的计算分析，得出当基质吸力比较小时，即体处于低莲质吸力情况下，两 种强度包线计算得的抗剪强度与安全系数的差异不大；随基质吸力的增大，差异开始明显， 所以，在高基质吸力情况f ，应当考虑强度包线的非线性同时，基质吸力沿深度的分布 情况在对边坡稳定性的分析中也麻给予重视。 关键j 同：非饱和土、基质吸力、土水特征曲线、抗剪强度非线性、边坡夕7 ! ! 塑窒望茎堂堡主兰竺堡壅垒星! ! 型坚l a b s t r a c t t h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e sa n ds t a b i l i t yo fu n s a t u r a t e ds o l i s8 3 eo n eo ft h e i m p o r t a n tp r o j e c t si nt h ea r e ao fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g u n s a t u r a t e ds o il is ak i n do fs o i lw i t hm a t r i cs u c t i o n t h ee s s e n t i a 】r e a s o nt h a tt h ee n g j n e e rl n g p r o p e r t i e s o fu n s a t u r a t e ds o i la r ed i f f e r e n t f r o ms a t u r a t e ds o l li st h a t u n s a t u r a t e ds o l l i su n d e rm a t r i cs u c t i o r lm a t r i cs u c t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr 0 1 e i nt h es t r e n g t hp r o p e r t i e so fu n s a t u r a t e ds o l i i nt h ee x p e r i m e n tt ou n s a t u r a t e d s o l l i ti sb e l i e v e dt h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns h e a ra n dm a t r i cs u c t i o ni s 1i n e a r it y b u tt h er e c e n t l yp r o d u c t i o n sa b o u ts h e a rs t r e n g t ho fu n s a t u r a t e ds o i1 i n d i c a t st h a tt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ns h e a rs t r a n g t ha n dm a t r i cs u c t i o ni s u n l i n e a r i t y b a s e do nt h er e s e a r c h e so na c t u a l i t y ，t h eu n l i n e a rr e l a t i o n s h i p b e t w e e ns h e a ra n dm a t r i cs u c t i o nh a sb e e ns t u d i e de m p h a s l y ，a n dc o n s i d e r i n go ft h i s r e l a t i o n s h i p ，t h ei n f e c t i o no fe v a l u a t i o nt os t a b i l i t yo fs l o p ei sa l s or e s e a r c h e d b a s e do nt h et e s to ft e m p l ep r e s s u r ep l a t e ，t h es o i l - 唧a t e rc h a r a c t e r i s t i cc a r v e i so b t a i n e d b yr e g r e s s i n gt h ec u n r e t h e u n l i n e a re q u a t i o nr e p r e s e n t i n gt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns h e a rs t r e n g t ha n dm a t r i cs u c t i o ni sf o u n d c o n s i d e r i n gt h r e e e x p e r i m e n t e de q u a t i o n s _ f r e d l a n d 、v a ng e n u c h t e n 、g a r d n e r 。o n ep r o c e d u r ei s s u g g e s t e d ，w h i c hi si n t e g r a t i n go v e rt h es o l l - w a t e rc h a r a c t e r i s t i cc u r v e 。a p p l i e s a p p o w e rt ot h ev o l u m e t r i cw a t e rc o n t e n td u r i n gi n t e g r a t i n g b yc a l c u l a t i n g t h eu n l j n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns h e a rs t r e n g t ha n dm a t r i cs u c t i o ni sf o u n d b y c e m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h et w ok i n d ss t r e n g t he n v o l o p e s t h ev a l u eo f p s u i t e s f o rs “tc l a y o nt h eb a s i so fa n a l y s i s ，d e p e n d e do nt h es h e a rs t r e n g t ht h e o r yo fu n s a t u r a t e d s o ila n dg e n e r a lm e t h o do fs l o p es t a b i l i t ya n a l y s i s ae v a l u a t i o nm o d e lf o r t h e s 】o p es t a b i l il yo fu n s a t u r a t e ds o i lt a k i n gi n t oa c c o u n tt h ea n l i n e a rr e l a t i o n s h i p b e t w e e ns h e a rs t r e n g t ha n dm a t r i cs u c t i o ni se s t a b l i s h e d b yi m p r o v i n gt h em o d e l i ne x i s t e n c ew h i c hc o n s i d e r i n g t h e l i n e a rr e l a t i o n s h i p b e t w e e ns h e a rs t r e n g t h a n d m a t r i cs u c t i o n a tt h es a n l et i m e ，t w ok i n d sh y p o t h e s i s e sh a v eb e e nm a d e ，w h i c ha r e ， 1 h y p o t h e s i n gt h em a t r i cs u c t i o ni sc o n s t a n ta l o n gt h ed e p t h ；2 h y p o t h e s i n gt h e m a t r i cs u c t i o n r e d u c e dt ot h ew a t e rt a b l ea l o n gt h ed e p t h b yc a l c u l a t i n g , a n a l y z i n g a n dc o m p a r i n gt h et w or e s u l to fl i n e a rm m e la n du n l i n e a rm o d e lw h e nc o n s i d e r i n g t h ef i r s th y p o t h e s i s ：b yc a l c u l a t i o n s ，a n a l y z i n ga n dc e m p a r i n gt h et w or e s u l to f li n e a rm o d e la n du n l i n e a rm o d e lw h e nc o n s i d e r i n gt h es e c o n dh y p o t h e s i s ： ! ! 查銮望查兰堡主兰些堡奎一一璺翌墨坐：l b vc a l c u i a t i o n sa b o v e ，c o n e l u s i o n sc a nb eg o tt h a tw h e n t h em a t r i cs u c t i o n i ss m a l l ，t h ed i f f e r e n c eo ft h es h e a rs t r e n g t ha n ds a f e t yf a c t o rb a s e do nt w ok i a d s s l r e n 碍t he n v o l o p e si sn o td i s t i n c t ：a l o n ew i t ht h em a t r i cs u c t i o ni n c r e a s i n g ，t h e d if f e r e n c eb e c0 【i e sg e t t i n gd i s t i n c t0 nt h ec o n d i t i o no fh i g hm a t r i cs u c t i o n ，t h e u n l i n e a r it yo fs t r e n g t he n v o l o p e ss h o u l db ec o n s i d e r e d ；a t o n et i m e ，t h e d is t r i b u t i o no fm a t r i cs u c t i o na l o n gd e p t hs h o u l db ea t t a c h e di m p o r t a n c et oi nt h e e v a i u a t i o nt os t a b i l i t yo fs l o p e k e y w o r d s ：u n s a t u r a t e ds o i l ，m a t r i cs u c l i o n ，s o i 卜w a t e rc h a r a c t e r i s t i cc u r v e s h e a rs t r e n g t h ，u r l l i n e a r i t y ，s l o p e ! ! 塑銮望查兰堡主堡苎苎二兰! ! ! l 第一章绪论 1 1 前言 随着我国国民经济的发展和城市基础产业建设规模的日益扩大，作为经济建设主战场 的许多大中城市的市政】：程建设进入高速发展时期。许多工程都在地 - j r - 以上或降水后 的1 e 饱和十层介质环境中进行，而人中城市由于地r 水的不断开采造成水位持续降低，更 使非饱和土层成为工程建设的主要介质环境，这种情况在华北地区尤其在北京地区表现的 更为明显。非饱和土的工程性质与饱和上有着很大的差别，因此以非饱和土为介质环境的 工程在设计理论和原则上不能完全引用饱和土的理论。非饱和土力学作为土力学的- - n 分 支正在逐步形成和发展中，存在许多值得研究的课题。 1 2 非饱和土研究的新进展 非饱和土在地球e 分布范围很广，膨胀土、残积土、湿陷性黄土、冻土和压实土等都 属于非饱和土范畴，另外，由于城市建设工程的降水和过量开采地下水也人为形成非饱和 土。近年来，非饱和土的研究受到了国内外较大的关注。 非饱和土的研究走过了曲折的历稃。非饱和】土的早期研究工作大多数同水在负孔隙水 压力区域内的流动( 亦即毛细水流动) 有关。h o n g e n t o g e r 和b a r b e r ( 1 9 4 1 ) 认为，非饱 和土的强度在很大程度e 受毛细水中的应力状态的影响，而毛细水中的应力状态又同蒸腾 以及土层上面空气的相对湿度有关。当时对非饱和土给予最多注意力的是毛细水流动问题， 曾经企图用毛细管上升模型解释现象，这种模型虽用定价值，但其局限性日益明显。实 际上完全依靠毛细管上升模型的做法，正是造成非饱和土土力学发展缓慢的个重要原因。 另外，由于非饱和土中基质吸力的量刹岐术也一苴是这领域中的一个难点。从1 9 8 7 年的 第九届欧洲士力学及基础= 程会议开始) 研究工作又出现了新的活跃局面。1 9 8 7 年在柏林 举行的第九届欧洲土力学及基础工程会议匕a l o n s o 以“土的特殊问题非饱和土与很 软的土”为题向大会做了长达6 0 页的总报告，引起了于会者的热烈讨论。1 9 9 2 年8 月在 美国召开的第七届国际膨胀土会议e ，非饱和土力学是会议的主题之一。中国土木工程学 会士力学及基础工程学会于1 9 9 2 年3 月在北京召开了非饱和土的理论与实姨学术研讨 会，与会者在非饱和残积士抗剪强度特性，膨胀土，湿陷性黄土的工程性质，吸力量测技 术等交流了各自的研究成果，并系统介绍了f r e d l u n d 学派的研究工作。1 9 9 8 年8 月2 8 3 0 日的国际土力学与岩土工程学会在北京召开了第二届国际非饱和土会议，本次会议充分 反映了国际上近月年来在非饱和土领域研究的最新进展。今天，虽然还有许多理论和实践 i ! 查奎望查兰塑圭笙苎苎二童型一 问题有待于进步解决，但是非饱和十力学作为传统土力学的延伸和补充已经女具雏型“ 】，可以说非饱和土的理论体系正在逐步形成。目前，非饱和力学的研究正在朝着三个 方面继续取得迅速进展：一是建立更能准确反映实际陛状的非饱和土力学理论：二是发展 更适用与测试非饱和土力学参数的仪器和试验方法( 包括现场测试) ；三是在工程实践中运 用非饱和土力学基本原理解决i 邑到的问题，以提高工程的设计与施工水平，并验证非饱和 七力学理论的正确性和适肘陛。“ 1 2 1 作饱和土的相 非饱和十为多相混合体，一般认为1 # 饱和土有土粒、水和空气三相组成，而f r e d l u n d 等认为非饱和- t - 由四相组成。他们将十中的气水分界面收缩膜作为第四相，正是由于 收缩膜的存在，土中的液相和气相可以有不同的应力值。然而收缩膜通常只有几个分子层 的厚度，在土中所占的相对体积很小，因此建立土的各相之间的体积质量关系时，可 将其视为液相的部分而不会有太大的误差。另一方面收缩膜在外力作用下的性状同固相 类似，考虑土的各相静力平衡条件时，可以近似将它按固相对待。这样，非饱和土在实用 中可以看作是三相系。 1 2 2 非饱和土的应力理论和强度理论 太沙基用有效应力来描述饱和土的应力状态为： p ，一“ r 。 1 p 】= lb 。一)r ， r 。r 。p ：一) i 式中d 有效正应力；口，、口。、口：1 ，y ，z 方向上的总应力 如果想要对土的行为进行预测，则有效应力原理就显得价值不大。因为当土饱和时， 孔隙压力比较容易测量；但是当士非饱和时，水、气都占据着孔隙，饱和土的有效应力原 理就不能正确的描述非饱和土的状态，所以就需要个不同于饱和土的公式。由于太沙基 有效理论的重要性，许多学者都试图将这理论扩展到非饱和土的理论中。表中总结了一 些以单应力状态变量来描述 饱和土的重要公式”。 对b i s h o p 提出的公式口= p 一“。) 十z b 。一“。) ，尽管被大多数人所接受，但 由于采用的是单应力状态变量，容易导致这样一个结论：抗剪强度和体积变化只与饱和状 态时土的有效应力有关。而且，确定z 值也有困难。在1 9 6 1 年，d o n a l d 通过试验数据得 出z 与饱和度j 之间没有一个独无二的关系”。 j e n n i n g s 和b u r l a n d ( 1 9 6 2 ) 通过一些非饱和土的行为检验了b i s h o p 公式的有效陛。 他们指出存在个“j 临界锤 和度”，当催溯低于世b 临界值时，b i s h o p 公墨：对大多数土 的体积变化和有效应力的关系未能提供满意的结果。对于砂土，临界饱和度大约是5 0 9 6 ； 在粘土中，l 临界饱和度高达9 0 。他们还指出b i s h o p 公式实际e 是定义了个粒间应力， 2 北方交通大学硕上论文 第一章绪论 而这种应力并不真正控制非饱和土的行为。j e n n i n g s 和b u r l a n d 指出当由基厕殁力变化而 引起的体变和抗剪强度的变化与士受到外界施加应力时产生的变化相同时，b i s h o p 公式才 可以有效的席用在非饱和中。 表12l 单应j h 煽受黾量利凿述非饱和土的重要公式 公 作者 参数意义 c r o n e y ， 口结合系数，在张a 作用下，剥t 的抗 o - = o - 0 。 c o j e m a n 剪强度有贡献的结合点的数目 b 1 a c k d 总的正应力 一= p 一“。) + z ( “。一“。) 1 3 is h o p z 一与土的饱和度有关的参数。 ( 1 9 5 9 ) a ti t c h i s o n 、王，在0 ，1 之间变化的参数 盯= 盯+ 甲口” ( 1 9 6 1 ) p 彳i 瞒淋压力差值 j e r l n l n g s _ 反映粒间接触面积的统计系数，通过 = 6 + 印“ ( 1 9 6 1 ) 试验澍定 p 贺孔隙水压力 o - t = p u o ) + z 。协，+ “j z 。考虑基质吸力的有效应力的参数 + 以伪。+ “。) r i c h a r d s k 哇质吸力 “9 6 6 ) z ，考虑溶质吸力的有效应力的参数 h 。_ 溶质吸力 a i t c h i s o n 以_ 基质吸力 a l = a + z 。p ：+ z 。p ： ( 1 9 7 3 ) 嘲质吸力 表1 2 1 中其它有效应力公式中也均含有土的参数，来获得单值的有效应力变量。但 试验结果表明，量测出来的土的性质同建议的有效应力之间不存在单值的关系，也就是说， 建议的有效应力公式中的士睦参数对不同问题( 体变或抗剪强度) 、不同的应力路径、不 同的土类具有不同的数值大小。而公式中土的参数很难测定。更为重要的是，理论上描述 应力状态的变量应当与土的性质无关( f u n g ，1 9 7 7 ) 7 1 。 1 9 7 7 年，f r e d l u n d 和m o r g e n s t e r n 提出了建立在多相连续介质力学基础上的非饱和 土应力分析。可以用三个应力变量中的任两个来定义非饱和土的应力状态。可能的组合是： 1 ( 口n 一“口) 和( “口一“。) 2 ( 口n 一“。) 和( “。一“。) 3 ( 口n 一“。) 和( 口。一“。) 非饱和土的应力状态通常用以下形式表示： 垄互奎鎏叁兰堡主堡壅 p ，一“。 r 卜 c x z6 0 - y x 第一蕈绪论 o 一“。) 0 ) 非饱和土的抗剪强度理论研究已有近4 0 年的历史，它以m o h r - - c o u l o m b 准则为基础 目自日有两类抗剪强度公式被广泛接受。 ( 1 ) b i s h o p 公式： f ，= c + ( 吒一。) t a n 妒+ z ( u 。一“。) t a n 妒 ( 1 、21 ) 式中c ，妒分别是有效凝聚力和有效内摩擦角；“。，“。分别是孔隙气压和孔隙水压力： z 是与饱和度有关的参数，它还与土类、干湿循环及自i ：1 载的应力和路径有关。当饱和度为 零时，z = 0 ：当饱和度为l 时，z = l 。由于b i s h o p 公式中的参数z 测定困难，因而有 不少学者对它的正确性挣陌疑态度，包承纲认为8 j b i s h o p 公式既未从理论上加以论证，也 未在试验中加以充分检验。 ( 2 ) f r e d l u n d 的双变量公刮“： 7 ，2 c7 + ( 口n 一“a ) t a n p + ( “a 一“w ) t a n 妒6 ( 1 、2 2 ) 式中妒6 是随着吸力变化的内摩擦角。c - a n 等研究表明妒6 不是常数，它与吸力有关。 f r e d l u n d 理论虽然同样得到国际的公认和局自睬用，但由于吸力测量和舻6 的测定技术相 当繁杂，因而未能在工程中大量应用。 从以上两个公式可以看出，非饱和土的抗剪强度除了象饱和土与c ，舻及法向应力 有关外，还与吸力有关，吸力引起的这部分强度记为，则以上两个方程可重写为： r f = c + r 。+ ( 口n 一d a ) t a n 妒 ( 1 2 3 ) 是与吸力直接相关的抗剪强度，我们弥它为吸力强度。可以看作是非魄和土的总凝 聚力f 。，的部分即：f 。，= f + r ，对于吸力强度，沈珠江设想用双曲线来拟合与吸力 有关的抗剪强度公式： 1 7 ，2 “a 一“w t ：j ：i 南协“妒 ( i 2 4 ) 但参数d 的确定及拟合精度存在问题。 4 0 、j“ 一o 0 d0 p。l 和 lll 虬 一 b ! ! 塑窒里查堂堡主堡塞墨二主! ! ! 垒一 最近，卢肇均等人又提出了膨胀力的观点“，认为公式( 1 2 2 ) 中的吸力量测比较困 难，主张用膨胀力取代吸力。他在研究人工压实的膨胀土抗剪强度时发现：非饱和土在体 积不变的条件f 浸水测得的膨胀压力p 与吸力强度r ，存在近似线性关系，因而认为膨胀 压力p 可能代表有吸力所产生的内部有效应力，从而其吸附强度可以用下式计算： r ，= m p ，t a n 妒 ( 1 25 ) 式中f 。为由吸力所产生的吸力强度，即式( 12 1 ) 中的z 0 。一“。) t a n 妒或式( 1 2 2 ) 中的姐。一”。) t a n 妒”； p 为膨胀力；为有非饱和t 种类所决定的线性参数“。由于膨胀力的测定方法 较测定吸力简易，因此这研究在非饱和土的强度理论的探讨方面是一个新的尝试。但是 这种想法有待于实践去检验其实用性“”。 1 2 3 微观组构 扫描电镜醐分析结果有助于对已观察到的j 随和土力学性状的理解。非饱和土中的 孔隙可分为团粒间的孔隙( i n t e r - - a g g r e g a t ep o r e ) 和粒间孔隙( i n t e r - - - p a r t i c a lp o r e ) ， 它们对受载压缩和湿陷变形负责，膨胀发生在粘土团粒内和胶结物内，也可以发生在粘土 基质中。以北方交通大学东配楼基坑原状粉质粘土为例，从微观结构来看，其基本结构为 骨架结构，粘土矿物包裹在砂粒周围，颗粒与颗粒之间为点接触，本身连接比较弱。“ 1 2 4 非饱和土的内摩擦角和粘聚力的特性及其变化规律 许多研究资料都表明，土的抗剪强度指标主要取决于土的矿物成分，密度，含水量， 形成历史和结构等因素。卢肇均在1 9 6 1 年对从中国各省份采集的3 7 中不同种类的粘性土 进行内摩擦角与塑性指数，。的关系。1 9 9 1 年，又从8 种膨胀性击实粘土对内摩擦角与塑 性指数，。的关系作了进步的b 嗡研究，发现肋阽性土的内廖嘲诵妒有两个绍成部分， 表示如下：1 妒= 妒o + 妒 ( 1 2 6 ) 为基本内摩擦角，它取决于土的矿物成分，缈为实际内摩擦角与的差值，取决与 土的含水量、结构等因素。对于非饱承1 土而言，抗剪强度参数也取决于土的矿物成分、含 水量、结构等因素。卢肇均”认为用常规试验方法所求得的粘聚力指标包含真粘聚力和表 观粘聚力( 吸附强度) 两部分。在结构不变的前提下，真粘聚力比皎稳定并且数值很小， 可以认为是土体固有的属性，而表观粘聚力的实质是种与外力无关的摩擦强度，它来源 于吸力所产生的负孔隙压力，负孔隙压力在士骨架的内部产生有效应力并因而产生这种与 外力无关的摩擦强度。它由于与外力无关，当用现在的常规试验方法进行剪切试验时，它 j ! 查窒望盔兰堡圭笙苎 苎二兰堕堡 的表现与_ 股的粘聚力性质相似，当土的含水量发生变化时，吸力与吸力强度均发生变化， 表观粘聚力也随之发生变化，所以非饱和土的粘聚力是个变量，含水量可自是个重要的 影响因素。 1 2 5 非饱和土边坡稳定性的研究进展 在非泡和土边坡中，基质吸力对其稳定陛起着主要作用。正如众所周知的b i s h o p ( 1 9 5 5 ) 和f r e d l u n d 及l l o r g e n s t e r n ( 1 9 7 6 ) 的抗剪强度方程所指出的那样，表观凝聚力的大部分是 由于土的基质吸力而引起的。 士坡稳定性分析已成为估计天然边坡及人l 边坡安全系数的一种重要工具。股都采 _ e j _ 二维极限平衡条分法中的一种方法进行分析，这些方法都是建立在静力学原理( 力或力 矩平衡) 基6 出上的，对土体的位移不予考虑。 进行饱和土的边坡稳定分析时，一般采用有效抗剪强度参数( 即c 和妒) 。对于地下 水位以上由负7 峭黼力提供的部分抗剪强度通常不予考虑，主要因为量测负孔隙水压力 并将其纳 稳定分析中比较困难。对于滑动面的主要部分处在地下水以下的许多情况，这 种忽略负孔隙水压力的做法尚算合理。但对于地下水位很深或主要考虑是否可能出现浅层 滑动的情况，就不能在忽略不计负孔隙水压力了。 近年来，人们对基质吸力在提高土的抗剪强度方面的作用有较多认识，并将其纳入土 坡的稳定性分析中，这是传统的极限平衡分析法的矧申。基质吸力效应应当引入边坡极限 平衡分析。随基质吸力( 妒6 ) 函数增加其强度增加的实验参数的确定使得非泡和土边坡 稳定性分析更_ 3 0 n 可靠。如果一个双线性关系或函数可被应用于描述随基质吸力的增加土的 强度也相应增加的话，其结果将更加可靠( r a h a d j o 和f r e d l t m d ) 。 关于边坡稳定性与土的基质吸力随季节变化的效应，许多学者也有论述根据这些研究 学者对表观凝聚力贡献的研究，基质吸力对表部边坡稳定性特别重要。( o b e g , 1 9 9 5 ，l i n 等，1 9 9 6 ，a n d e r s o n 1 9 8 3 ) 。 13 现存的主要问题 在对非饱和土的三轴试验中，一般认为抗剪强度与基质吸力之间是线性关系。但非饱 和土的近期抗剪试验成果表明，抗剪强度与基质吸力之间是非线性的，图l _ 3 1 中所示为 一典型的非线性的基质吸力破坏包线。在低基质吸力下的妒6 角约等于p ，但在高基质吸 力下妒6 有所降低。看来妒6 角是基质吸力0 。一“。) 的函数。考虑在孔隙水压力作用下的 孔隙体积能更好地了解矿角随基质吸力而变化的情况。( 1 l t 中。o | ，为试件破坏时剪切面 6 北方交通大学硕士论壅 蔓二童堕! l 上的总应力：c 为有效凝聚力：“。为孔隙气压力；“。为孔隙水压力；0 。一“。) 6 为土 样的进气值) 由试验可知，试件在低基质吸力f 仍为饱和，因此抗剪强度随基质吸力的增加而增 剪应力tl 一饱和 0f u a ) f t a r l 中 b ，巾畦中 非饱和 ( u a u w ) b = = = = 2 巾中 图1 3 1 强度包线的非线性 基质吸力( u a u w ) 加的情况由埘角所决定。剪应力与基质吸力曲线或包线的坡角妒6 等于妒。只要土一直 是饱和的，这种情况一直有效，如图中的a b 线表示之。当基质吸力不断增大，可能会从土 中将孑l 阱冰吸出。当基质吸力达到土的进气压力值( “。一“。) 时，空气进入孔隙中，使j 十 的饱和度降低。对于非饱和的情况来说，当基质吸力超过土的进气压力值( “。一“。) 6 时， p 6 减小到低于妒。如图中所示1 。 土的进气值0 。一。) 6 很大程度e 取决于土的颗粒级配，因此“。一“。) 6 与土的孔 隙尺寸有关，其关系可用土的土水特征曲线来表示。 在解决实际问题时( f r e d i u n d 等，1 9 8 7 ) 可采用若干种方法处理图中包线的非线性。 常用的方法是将破坏包线分成两个线性部分。如图中的破坏包线可用直线a b 和b d 来代表； 另一种简化处理包线非线陛的方法是采用一条线性包线来代表该线从基质吸力为零处的a 点开始，其坡角扩小于舻，如图中的a e 线。用a e 破坏包线估算的抗翦强度是偏于保守 的；破坏包线也可以分解成若干直线段。各段的p 6 角和截距各不相同。只有当破坏包线 为高度非线性时，这样做才有意义，每段包线相应于规定的基质吸力范围。“7 1 从e 述舒| 述中可以看出，对于非饱和土抗剪强度与基羼吸力之间的线性关系已经有了 充分、成熟的论述，在目前边坡的稳定性 烈介- ，面采用的强度理论也都是考虑破坏包线为 线性的情况。对于破坏包线的非线性问题，只是作了初步的研究，但究竟如何具体考虑这 7 ! ! 查奎望奎堂堡主堡壅 塑二童! ! ! l 一非线陛问题，当考虑这一非线性关系时，抗剪强度与基质吸力之间的关系如何，在边坡 稳定性 乎阶方面引入这关系时，会产生怎样的影响，还没有具体的论述。另外，对于非 饱和土中基质吸力的量澳i _ 直是个比较困难的问题，所以，在本文中，对包线非线性的 问题决定从土的土水特征曲线着手，来讨论这些问题。 1 4 本文的研究思路和主要研究内容 本文的研究内容由以下三个部分组成。 第一：对现有的非饱和土的土水特性进行总结，为论文的进行提供数据上的支持。 第二：考虑土的抗剪强度包线为非线性时，抗剪强度与基质吸力之间的关系。 第三：考虑土的抗剪强度包线为非线性时，边坡稳定性的评价模型。 具体内容有： 1 描述非饱和土中水的种类； 2 非饱和土中基质吸力的概念 3 非饱和土中基质吸力的量测； 4 讨论含水量与基质吸力的关系( 即土水特征曲线) ，进行研究总结； 5 讨论抗剪强度与基质吸力之间非线性的关系； 6 简要介绍考虑土的抗剪强度包线为线性时，边坡稳定性的评价模型； 7 建立考虑土的抗剪强度包线为非线性时，边坡稳定性的评价模型。 8 结合工程实例，讨论假设基质吸力沿深度为常数时，两个模型的计算结果比较： 9 讨论假设基质吸力沿深度为线性减小时，两个模型的计算结果比较。 8 北方交通人学硕士论文 第二章非饱和土中的水 2 1 土中水的形态 第二章非饱和土中的水 进入土中的水分受到土粒表面的分子引力，土粒问水和空气的弯液面上的毛管力和 重力的作用，这些力对土中水分的作用也会随着中含水量的变化而变化。根据这些力 对f ：中水分的作_ e j 和水分存在状态，t 中水可分为以f 四种状态。 2 1 1 吸湿水 颗粒特别是胶粒颗粒表面具有很强的吸附力( 分子引力) ，能将周围环境中得水分 子吸附自身表面，这种被紧紧束缚在十粒表面的水分称为吸湿水，亦称为吸着水。根据 研究，土颗粒对水分子的吸附力最里层高达几千至上万个大气压。最外层大约为31 个人 气压。吸附水接近固态水的性质，其密度可达1 4 1 7 9 c m 3 。吸附水对溶质没有溶解 能力，导电洼能极弱甚至不导电，冰点f 降n - 7 8 c ，不能呈液态流动，不能被植物吸收。 吸湿水量主要取决于单位质量土的表面积、胶体及可溶物质的数量。土的质地越粘重， 胶体越分散，吸附力越强，吸湿水含量就越高。土中吸湿水含量与空气的相对密度呈正 比。当七粒周围空气的湿度达到饱和时，土中吸湿水的含量达到最大值。 2 1 2 薄膜水 当吸湿水达到最大值时，分子引力已经不能再吸附空气中的水分子，但是土粒表面仍 有剩余的分子可吸引周围环境中的液态水分子，增加了土粒周围的水膜厚度，当吸湿水 的外层形成一层水膜，称为薄膜水。薄膜水达到最大值时的土中含水量称为最大分子持 水量。薄膜水的内层紧靠吸湿水，受q 的引力约为3 1 个大气压，薄膜水的外层受到的引 力约为6 2 5 个大气压。薄膜水的性质介于吸湿水与自由的液态7 k 2 _ 间，水分子因受士粒 的引力而排列比较紧，其密度大于 g c m 3 。冰点约为一1 5 c ，具有较高的粘滞性和非溶解 性。相邻土粒的接触处在分子引力的驱动下，水分从水膜厚的土粒表面向水膜薄的土粒 表面上移动，但是其运移速度相当缓慢，一般为0 2 _ _ 0 4 m h ，随着水膜变厚，移动 速度逐渐变得更加缓慢。 2 1 3 毛细管水 土中颗粒之间形成的孔隙，可以近似的看作细小的毛管。当土中和液态水接触时，毛 管中水气界面呈一弯液面，在此面以f 的液态水因表面张力作用承受吸持力，该力称为 毛管力。土中中依靠毛管力保持在十中孔隙中水分称为毛细管水。毛管力的大小与土中 7 l 隙的直径呈反比关系。般认为，当土中孔隙直径大于时，毛管作用不明显：当 毛管直径为0 0 3 _ 0 0 0 0 6 m m 时毛管作用最为明显。当毛管直径小于0 0 0 0 6 r a m 时土中 孔隙被薄膜水所充填。 通常潜水在毛管力的作用下沿着土中细小孔隙上升，由此保持在毛管孔隙中的水分 称为毛管上升水。当潜水位埋深足够大时，毛管上升水远远不能接近或达到表层土中， 此时降雨或灌溉保持在土孔隙中的水分称为毛管悬着水。形成毛管悬着水的原因主要是 土中细孔隙，即毛管各处的截面的直径不相等，因此在不同位置的弯液面产生的毛管力 9 韭查窒望盔兰堡堡苎笙三童韭塑塑圭主! ! j l 是不相等的。毛管悬着水实际是毛管中水分形成的上下弯液面曲率半径不等引起的毛管 力之间的差异造成的。当毛管悬着水达到最大值时的土中含水量，称为田间持水量，此 时的毛管力约在0 1 0 3 个大气压的范围内。 2 1 4 重力水 当土中含水量超过田问持水量时，多余的水分超过土颗粒的分子吸引力和毛管力的作 用范围，在重力作用下将沿着非毛管孔隙下降，这部分水称为重力水。重力水很少能供 植物利用，而且常常引起肥料流失，抬高地下水位造成土中盐渍化或沼泽化。重力水又 能补给地下水，增加水资源。 2 2 基质吸力的概念 从力学角度来说，非饱和土不同r 饱和土的最主要的特征是土中存在负的孔隙水压 力，就是说，土中的水无论是连通的还是不连通的，都是处于承受拉应力的状态，负的 孔隙水压力是相对于孔隙气压力而言的。孔隙气压力和孔隙水压力的差值成为基质吸力。 基质吸力反映以土的结构、士颗粒成分及孔隙大小和分布形态为特征的土的基质对士中 水分的吸持作用，研究表明基质吸力是决定非饱和土力学性状的重要控制因素。 二十世纪9 0 年代初，士壤吸力的理论概念已在土壤物理学中得到发展，这一理论主 要是同土一水一植物相关连而发展起来的。英格兰道路研究所首先指出，土的吸力在解释 工程问题中的非饱和土的力学性状方面具有重要意义。 土中吸力通常称为“总吸力”，它由两个组成部分，即基质吸力和溶质吸力( 亦称 渗透吸力) 。从能量的角度可将他们定义为( i t c h i s o n ，1 9 6 5 a ) ”： “基质吸力为土中水自由能的毛细部分它是通过量测与土中水处于平衡的部 分蒸气压( 相对于与溶液( 具有与士中水相同成分) 处于平蘅的部分蒸气压) 而确定的 等值吸力。 溶质吸力为土中水自由能的溶质部分它是通过量测与溶液( 具有与土中水相 同成分) 处于平衡的部分蒸气压( 相对于与自由纯水处于平衡的部分蒸汽压) 而确定的 等值吸力。 总吸力为土中水的自由能它通过量测与土中水处于平衡的部分蒸气压( 相对于 与自由纯水处于平衡的部分蒸汽压) 而确定的等值吸力。” 上述定义清楚表明，总吸力相当f 土中水的自由能，而基质吸力和溶质吸力是自由 能的组成部分，可用公式表述如下： 妒= ( “。一“。) + 7 ( 22 1 ) 式中：( “。一“。) 基质吸力； “。硐隙气压力； “。_ 孑l 。隙水压力； 口溶质吸力。 尽管总吸力是有基质吸力和溶质吸力组成，但涉及非饱和土的大多数工程问题通常 都是由于环境变化所造成的。房屋下面的水分积聚可能使土中吸力下降，从而引起房屋 1 0 北方交通丈学硕士论文 第二章非饱和土中的水 地基隆起。同样连续暴雨可能使十中吸力下降而危及非饱和土边坡的稳定。这些变化主 要影响基质吸力部分，溶质吸力一般变化不大。已经证明在大多数现场情况中，低吸力 范围内，基质吸力控制着非饱和士的 程行为( f r e d l u n d ，1 9 9 5 ) ，在高吸力时，基质 吸力几乎在数值上与总吸力相同( y a n a p a l l ie ta j1 9 9 5 ) 。所以在讨论吸力时，主要 就是指基质吸力。 还有学者称非饱和土的基质吸力为士中基质势，表征了土中基质对土中水分的吸持 能力，它是由土中的毛管作用和吸附作用引起的。由于自由水不会影响土中基质的作用， 冈而以自由水为标准参考状态。单位数量的十中水分从非饱和十中中某一点移动到标准 参考状态，除土中基质作用外，其他各项保持不变，l l | j 十冲水所做的功为该点土中水分 的基质势。 2 3 基质吸力的量测技术 几十年来，许多学者对基质吸力的量测和估算做了大量的工作，也取得了若干进展， 但是始终未得到适合工程应用的测试方法。卢肇均认为“非饱和土研究的关键和难点在 于其吸力变化的复杂性和测试难度”。基质吸力可用直接法或间接法量测。般采用高进 气值陶瓷板直接量测负孔隙水压力，通常用于直接量测负孔隙水压力的装置有两种，即 张力计和轴平移装置。张力计可在室内或野外使用；轴平移装置仅能用于室内量测。现 在已经发展了若干中多孔介质传感器用于间接量测基质吸力。标准陶瓷的电热特性是含 水量的函数，含水量义是基质吸力的函数，量测传感器的电特性或热特性，便可知道周 围土体的基质吸力例如，美国加卅ia g w a t r o n i c s 公司产生的a g w a - 1 1 型吸力探头和清 华大学研制的b i 型吸力探头都是按热传导原理设计的，即多孔介质不同的含水量热传 导率不同，当置于探头多i l 陶瓷介质内的加热电极给予一定量的电流时，测量加热结束 和间隔一定时间之后介质内的两个温度，两个温度的差值大小对应于该多孔陶瓷介质的 热导率亦即对应其含水量或介质的吸力。埋置于地下的探头经一定时间后，探头介质的 吸力与周围土体的吸力达到平衡，此时探头吸力就代表所在位置体的吸力。探头的吸 力值以轴向压力转换技术加以标定。国内清华大学也研制出了吸力传感器及其量测仪器， 此外，英国g e c 公司也研制出了能够测量基质吸力的三轴仪。 现将一些常用的吸力量测技术总结如下”“”： 北方交通大学硕士论文 第二章非饱和土中的水 表2 3l 吸力量测技术 仪器方法类型吸力种类 测量范围局限性 ( 量测特性指标) ( k p a ) 热电偶十河计间接量测总吸力 1 0 0 一7 5 0 0 受温度波动影响， ( 相对湿度) 晶体管干湿计问接量测总吸力 1 0 0 _ 一7 1 0