（岩土工程专业论文）基于数字图像测量的非饱和压实土应力应变特性研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 基于亚像素角点检测的数字图像测量方法在三轴试验试样变形测量中的应用，为三 轴试验试样变形测量提供了一项新方法，该方法通过捕捉跟踪角点的位移对试样变形进 行测量，测量结果能够达到较高的亚像素精度( 0 0 2 像素) ，精度分析结果表明应变测量 精度可以达到1 0 4 数量级。应用该方法能够更加准确地测量饱和土和非饱和土三轴试验 试样的局部变形，进而深入研究土在三轴应力状态下的应力一应变特性。同时，还可以 利用其独特的测量机理，获取相当于将试样表面离散化的变形试验数据，计算出三轴试 样的表面应变场对三轴试样的变形性质进行研究。 在控制吸力条件下的非饱和压实土三轴试验中应用基于亚像素角点检测的数字图 像测量方法，使非饱和压实土三轴试验试样的局部变形测量更加简便，同时克服了接触 式传感器会对试样产生径向约束、测量截面少等不足，提高了局部变形测量的精度。由 于受到端部约束的影响，测量非饱和压实土试样整体变形的试验结果相对真实情况而言 强度被提高，变形能力被降低，由此获得的试验数据不能够真实地反映非饱和土的强度 和变形性质。通过比较控制吸力条件下非饱和压实土三轴试验中试样整体与试样中部 i 3 区域的试验结果，证明测量试样中部i 3 区域受端部约束的影响较小，其试验结果 更能代表非饱和土的基本受力变形特性，对于研究非饱和土的应力一应变关系可以提供 更为可靠的试验数据。采用双应力状态变量强度理论系统分析了试样的抗剪强度，结果 表明端部约束对抗剪强度公式的参数取值有较大影响。应用非饱和土a l o n s o 弹塑性模 型研究探讨了模型参数取值对非饱和土数值计算结果的影响，使用包含端部约束影响的 试样整体变形确定的模型参数进行有限元数值计算将产生误差，同时也高估了非饱和土 体的强度。 在常吸力的各向等压压缩试验中，试样整体与试样中部1 3 区域的变形测量结果趋 势一致，同一平均净应力下前者变形小于后者；前者的屈服应力值大于后者，二者的屈 服应力都是随着吸力的增加而增大。由试样整体与试样中部1 ，3 区域变形确定的l c 屈 服曲线模型参数差别较大，试验值和模型计算的p j 平面l c 屈服曲线的形式也存在差 别，前者的弹性区域明显大于后者。针对a l o n s o 模型中l c 屈服轨迹方程中存在的计算 结果与试验结果误差较大以及存在不具有普遍意义的假设的问题，基于局部变形试验结 果深入研究了l c 屈服轨迹方程的合理形式。 在一系列常吸力的非饱和压实土三轴剪切试验中，应用数字图像测量方法测量试样 中部1 3 区域的强度及变形的试验结果表明：吸力对非饱和土抗剪强度的提高有重要影 响，抗剪强度随着吸力的增加而增加。基于局部变形测量的常吸力非饱和压实土三轴剪 基于数字图像测量的非饱和压实土应力一应变特性研究 切试验结果，全面描述了非饱和土p q s 三维应力空间中临界状态面的合理形态：在 p q 平面，临界状态线斜率m 是与吸力无关的物理量；临界状态面与l c 屈服面交线 在三维应力空间中是一条存在极值的曲线；该交线在p s 平面的投影曲线在三轴压缩 应力状态下应位于第一象限；该交线在q j 平面的投影曲线应存在渐近线：反映凝聚力 与吸力关系的函数曲线也应存在渐近线。修正了a l o n s o 模型中临界状态线的表达式， 验证了其合理性。 依据局部变形试验结果绘制的塑性体应变等值面形状为水滴形，并针对非饱和土 a l o n s o 弹塑性模型的不足，将水滴形屈服面扩展到非饱和土中，提出了非饱和土水滴形 屈服面函数，采用相关联的流动法则，应用合理的l c 屈服轨迹方程和临界状态线的修 正表达式，结合对偶应力硬化理论改进了模型，改进模型的计算结果与原模型及试验结 果的对比表明，改进模型能够较好地对控制吸力条件下的非饱和土三轴压缩试验进行模 拟，其结果与试验结果吻合得较好，优于原模型，进而验证了改进模型是一种合理的形 式。 。 关键词：数字图像测量；非饱和压实土；三轴试验；端部约束；吸力；应力；应交；弹 塑性 大连理工大学博士学位论文 s t u d yo f s t r e s s s t r a i nc h a r a c t e r i s t i c so f u n s a t u r a t e dc o m p a c t e ds o i l b a s e do n d i g i t a li m a g em e a s u r e m e n t a b s t r a c t d i g i t a li m a g em e a s u r e m e n tm e t h o d ，w h i c hi sb a s e do ns u b - p i x e lc o r n e rd e t e c t i o n ，i sa n e w t e c h n i q u eo f 仃i a x i a ls p e c i m e nd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t t 1 1 i st e c h n i q u em e a s u r e st h e s p e c i m e nd e f o r m a t i o nt h r o u g ht h et r a c k i n go fc o m e rd e t e c t i o nd i s p l a c e m e n t ，a n dt h er e s u l t p r e c i s i o nc a l lb eu pt os u b p i x e ll e v e l ( o 0 2p i x e l ) ，a n dt h es t r a i nm e a s u r e m e n tp r e c i s i o nc a n u pt o1 0 e 4 t 1 】i sn e wt e c h n i q u ec a nm e a s u r et h et r i a x i a ls p e c i m e nd e f o r m a t i o no fb o t h s a t u r a t e da n du n s a t u r a t e ds o i lm o r ee x a c t l y ，a n dc a nd e e p l ya n a l y z et h es o i ls t l e s s s t r a i n p r o p e r t yu n d e rt r i a x i a l s t r e s ss t a t e d u et ot h ep e c u l i a rm e a s u r e m e n tm e c h a n i s m , t h i s t e c h n i q u eo b t a i n st h ed e f o i t n a t i o nt e s td a t at h a td i s c r e t i z et h es p e c i m e ns u r f a c e ，w h i c hc a l lb e u s e dt oe a l c u l a t et h es u r f a c ed e f o r m a t i o nf i e l do ft h et e s ts p e c i m e n ，a n dt h c na n a l y z et h e s u r f a c ed e f o r m a t i o np r o p e r t y t h ea p p l i c a t i o no fs u b p i x e lc o r n e l d e t e c t i o nm e a s u r e m e n tb a s e dd i g i l a l i m a g e m e a s u r e m e n tt e c h n i q u ei nu n s a t u r a t e da n dc o m p a c t e ds o i lt r i a x i a lt e s tu n d e rt h ec o n d i t i o no f s u c t i o nc o n t r o l ，m a k e si tc o n v e u l e n tt om e a s u r et h el o c a ld e f o r m a t i o no ft h es o i ls p e c i m e n o v e r c o m e ss u c hs h o r t c o m i n g sa sr a d i a lc o n s t r a i n tc a u s e db yc o n t a c ts e n s o ra n ds m a l l m e a s u r e m e n ts e c t i o n ，a n di m p r o v e st h ep r e c i s i o no fl o c a lm e a s u r e m e n t b e c a n s eo ft h e i n f l u e n c eo fe n dr e s t r a i n t ，t h ei n t e g r a lm e a s u r e m e n to fu n s a t u r a t e da n dc o m p a c t e ds o i l s p e c i m e no v e r r a t e st h es p e c i m e ns t r e n g t ha n du n d e r r a t e st h ed e f o r m a t i o nc o m p a r e dt ot h e r e a ls i t u a t i o n ；h e n c et h et e s td a t ac a n n o ts t a n df o rt h er e a ls t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o np r o p e r t y o f u n s a t u r a t e da n dc o m p a c t e ds o i l 1 1 1 ec o m p a r i s o no f t e s tr e s u l to f t h eo v e r a l ls p e c i m e na n d 也em i d d l e1 3p a r to f u n s a t u r a t e da n dc o m p a c t e ds o i ls p e c i m e nu n d e rs u c t i o nc o n t r 0 1 r e f l e c t s t h a te n dr e s t r a i n th a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h em i d d l e1 3p a r t a n dt h et e s tr e s u l to f t h i sp a r tc a l l s t a n df o rt h ep r i n c i p a ld e f o r m a t i o np r o p e r t yo fu n s a t u r a t e ds o i l ，a n dp r o v i d e sc r e d i b l et e s t d a t af o rt h er e s e a r c ho fu n s a t u r a t e ds o i ls t r e s ss t r a i nr e l a t i o n s h i p t h ee n dr e s t r a i n th a sg r e a t i n f l u e n c eo np a r a m e t e ro ft h es h e a rr e s i s t a n ts t r e n g t hf o r m u l a , w h e nu s i n gt w os t r e s ss l a t e v a r i a b l es t r e n g t ht h e o r ys y s t e m st o a n a l y z et h es h e a rr e s i s t a n ts t r e n g t h t h i sp a p e ru s e s u n s a t u r a t e ds o i la 1 0 l l s oe l a s t o - p l a s t i cm o d e lt oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo fm o d e lp a r a m e t e r v a l l l co nn u m e r i c a lt a l c u l a t i o n a n dt h e r e s u l ts h o w st h a t f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a l c a l c u l a t i o nw h i c ha d o p t st h es p e c i m e ni n t e g r a ld e f o r m a t i o nm o d e lp a r a m e t e rw i l lg e n e r a t e g r r o r s a n do v e r e s t i m a t e su n s a t u r a t e ds o i ls t r e n s t h 一i i i 基于数字图像测量的非饱和压实土应力一应变特性研究 u n d e rt h ec o n d i t i o no fi s o t r o p i cc o m p r e s s i o nc o n d i t i o nw i t hs u c t i o nc o n t r o l ，t h e m e a s u r e m e mr e s u l to ft h ei n t e g r a ls p e c i m e na n dt h em i d d l e1 3p a r ti sc o n s i s t e n t ，a n dt h e d e f o r m a t i o no ft h ef o r m e ri sl e s st h a nt h a to ft h el a t t e ru n d e rt h ec r i t i c a ln e ts t r e s s ；t h ey i e l d s t r e s so ft h ef o r m e ri sf e a t e rt h a nt h a to ft h el a t t e r a n dt h e yb o t hi n c r e a s e sw i t ht h es u c t i o n i n c r e a s e b u tt h e r ei so b v i o u sd i f f e r e n c eb e t w e e nl cy i e l dc u r v em o d e lp a r a m e t e r st h a ta r e o b t a i n e df r o mt h ei n t e g r a ls p e c i m e na n dt h em i d d l e1 3p a r t a n dt h el c y i e l dc u r v ef o r m a t s i n p sp l a n ei na l s od i f f e r e n tb e t w e e ne x p e r i m e n ta n dm o d e lc a l c u l a t i o n a n dt h ee l a s t i c z o n eo f t h ef o r m e ri sg r e a t e rt h a nt h a to f t h el a t t e r d u et ot h i sg r e a te r r o ro f a l o n s om o d e ll c y i e l de q u a t i o nb e t w e e nc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t ，a n dt h eu n c o m m o na s s u m p t i o n , t h e r e a s o n a b l el cy i e l dl o c u se q u a t i o ni sa n a l y z e db a s e do nt h er e s u l to f l o c a ld e f o r m a t i o ni nt h i s p a p e r i nt h eu n s a t u r a t e da n dc o m p a c t e ds o i lt r i a x i a ls h e a rt e s t t h es t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o n m e a s l l r e m e n tr e s u l t so ft h es p e c i m e nm i d d l e1 3p a r ts h o wt h a tt h es u c t i o ng r e a t l ya f f e c t s u n s a t u r a t e ds o i ls t r e n g t h w h i c hi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h es u c t i o n n l eu n s a t u r a t e d a n dc o m p a c t e ds o i lt r i a x i a lt e s tr e s u l tu n d e rc o n s t a n ts u c t i o nd e s c r i b e st h eu n s a t u r a t e ds o i l c r i t i c a ls t a t es u r f a c ei np g st h r e ed i m e n s i o n a ls p a c e ：i np - qp l a n e , t h es l o p emo f c r i t i c a ls t a t el i n ei si n d e p e n d e n to fs u c t i o n ；t h ec r o s sl i n eo fl cy i e l ds u r f a c ea n dc r i t i c a ls t a t e s u r f a c ei sac u r v ew i t he x t r e m u mi nt h r e ed i m e n s i o n a ls t r e s ss p a c e ，a n di t sp r o j e c t i o ni n p - sp l a n ei sl o c a t e di nq u a d r a n tl i nt r i a x i a lc o m p r e s s i o ns t a l e ；i t sp r o j e c t i o ni ng - - $ p l a n eh a sa s y m p t o t e ，a n dt h e r es h o u l da l s ob ea s y m p m t ei nr e s p e c to f t h ec u l v et h a ts t a n d sf o r t h ef u n c t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o h e s i v ea n ds u c t i o n t l l i sp a p e ri m p r o v e st h ee x p r e s s i o n f o r m a to f t h ec r i t i c a ls t a t el i n ei na l o n s om o d e l ，a n dv e r i f i e si t sr a t i o n a l i t y a c c o r d i n g t ot h ed r i pt y p ep l a s t i cv o l u m es t r a i ni s o l i n eo b t a i n e db yl o c a ld e f o r m a t i o n t e s tr e s u l t , a n dd u et ot h ed e f e c to f u n s a t u r a t e ds o i le l s a t o - p l a s f i ea l o n s om o d e l 。t h ed r i pt y p e y i e l ds u r f a c ei se x p a n d e dt ou n s a t u r a t e ds o i l t l l i sp a p e rp r o p o s e su n s a t u r a t e ds o i ld r i pt y p e s u r f a c ef u n c t i o n , a d o p t sa s s o c i a t e df l o wr o l ea n dr e a s o n a b l el cy i e l d1 0 n t se q u a t i o na n d c r i t i c a ls t a t el i n ee x p r e s s i o n , a n di m p r o v e st h em o d e l 谢t l ld u a ls t r e s sh a r d e m n gp r i n c i p l e n e c o m p a r i s o no f t h ec a l c u l a t i o nr e s u l to f t h ei r e p r o v e dm o d e la n dt h eo r i g i n a lm o d e ls h o w s t h a tt h ei m p r o v e dm o d e lc a nb e t t e rs i m u l a t et h eu n s a t u r a t e ds o i lt r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t u n d e rs u c t i o nc o n t r o l l e d 。a n dt h er e s u l ti sb e t t e rt h a nt h a to f t h eo r i 西i l a lm o d e l ，w h i c hf u r t h e r d e m o n s t r a t e st h a ti m p r o v e dm o d e ii sm o r er e a s o n a b l e k e yw o r d s = d i g i t a li m a g em e a s l l r e m a n t ；u n s a t u r a t e dc o m p a c t e ds o i l ；t r i a x i a lt e s t ；e n d r e s t r a i n t ；s u c t i o n ；s t r e s s ；s t r a i n ；e l a s t o - p l a s t i c 一 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：娅日期：坦! ：! ：! 大连理t 大学璃士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 导师签名： 凌驾罨 盈巨益逸 互丝年l 月三日 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 土力学发展至今，己形成了一套完善、独立的理论体系。然而，迄今为止的土力学 主要是把其研究对象一土，视为两相体，即认为土是由土粒和孑l 隙水组成【1 5 】。严格的 讲，迄今为止的土力学只能称之为饱和土力学。然而，实际工程中遇到的土多是以三相 状态( 土粒、孔隙水、孔隙气) 存在，经典的饱和土力学原理与概念并不完全符合其实际 性状。有人甚至认为在土中水一气的结合面上还存在第四相一水气结合膜( 收缩膜) 。土 中气相的存在，使得土体性质复杂、性状多变。将土作为饱和土对大多数工程来讲是一 种合理的简化，但是随着研究的逐渐深入，人们已经注意到，对于某些特殊区域或特殊 性质的土，这种简化将造成研究理论的失误。 压实土是工程中常遇到的一种非饱和土，其特性受结构和饱和度的影响极大，国内 外已有过许多研究【6 ”】，它是土坝和路堤的主体结构，也用作建筑物、桥梁及多种结构 物的回填。但由于压实土的非饱和状态，致使它的性质还没有被完全理解。众所周知， 在建设阶段，压实土处于非饱和状态，随后其饱和度有可能升高( 比如，在入渗或额外 的附加载荷条件下) ，也有可能降低( 比如，在水分蒸发条件下) ，土的性质也会随之发 生相当大的改变。搞清楚这种改变对于优化工程设计具有重大的意义。压实土的变形除 了荷载作用下发生的压缩变形，在外部条件发生变化( 湿化或脱湿) 时也会发生变形。其 中，塌陷是压实填土工程中面临的主要问题。与压实土塌陷沉降相关的问题包括压实填 土上的结构和地基的破坏；压实填土的破裂和边坡破坏；公路路堤和路基的破坏：土坝 中的管涌、渗流损害和坝体破坏；以及地下设施存在的危险与破坏等等。随着高土坝、 高度压实的公路路堤和其它工程中的厚层压实填土成为非常普遍的工程建设，工程师们 不得不考虑和控制压实填土可能发生的塌陷。天然沉积土的塌陷可能性是由自然沉积过 程决定的，与其相反，工程师能够在施工过程中控制压实填土的塌陷可能性。但当前对 其研究大部分基于传统土力学的研究方法，未能很好的揭示其机理。而非饱和土土力学 在当前的蓬勃发展，为揭示压实土的力学性质及变形特性提供了理想的研究平台和分析 手段。因此，非饱和压实土的变形特性及其机理的试验研究，具有重要的科学意义和广 阔的应用前景。 此外，在膨胀土地基基础的设计中，如果单纯按照膨胀土的现有强度进行设计，则 有可能将强度参数估计过高，不安全；如果按其最低强度进行设计，又将造成浪费。因 此，合理地提出膨胀土在不同状态下的强度参数是工程的客观需要。此外，膨胀土等非 饱和土的变形性能也随饱和度而变化。这些问题都是饱和土力学难以解决的。 基于数字图像测量的非饱和压实土应力一应变特性研究 由此观之，按三相( 非饱和) 状态下研究土体的工程力学性质是土力学发展的趋势 d 4 1 。 随着对诸如膨胀土、残积土、压实土和湿陷性黄土等特殊土进行研究，发现应用传 统的饱和土力学的强度理论来研究特殊土的强度问题产生了较大困难。土中气相的存 在，导致土中产生负孔隙水压力，使非饱和土的抗剪强度变得复杂起来。可以说，非饱 和土的研究和发展是伴随着对特殊土的工程性质研究发展起来的。有关非饱和土的研究 历史可以说与饱和土一样长久，但由于难度大，长期进展缓慢，直到最近才出现加速发 展的趋势。1 9 9 5 年9 月在法国巴黎召开了第一届国际非饱和土会议是非饱和土研究历史 上的重大转折。 1 1 非饱和土的研究意义 自然界中的地基土体是由土颗粒和颗粒间的孔隙组成的。工程中所遇到的土体，大 多数以非饱和土形态存在，即土颗粒孔隙中既含有液体，又含有气体。除了土颗粒本身 的性质外，孔隙中水、气的含量不同，也将导致土体的性质各异。包承纲f l5 】先生曾经在 1 9 7 8 年采用土壤的毛细压力试验( 吸力与含水量关系试验) 和气渗性试验研究了土壤在 不同状态下的毛细水压力情况。他认为，非饱和土在负孔隙水压力作用下的气相状态可 以分为4 种形态，即气连通、部分连通、内部连通和气封闭等。当孔隙中的气相以完全 连通方式存在时，气渗性与含水量无关，土体有效应力为法向应力与孔隙气压力的差值： 随着含水量的增大，孔隙中的气体体积逐渐减少，并形成半封闭或封闭的气泡，孔隙气 体以部分连通或内部连通状态存在，此时，土壤的负孔隙水压力( 土中吸力) 逐渐减小， 土体有效应力表达式中应当分别考虑孔隙气压力和孔隙水压力的影响；当土壤中的含水 量很高以后，气相完全为液体所包围，体积微小，并只能随液体一起流动，可视为一种 挟气水的二相体系。此时，土体基本达到饱和状态，土壤的气渗性极小，负孔隙水压力 基本为零，土体有效应力表达式与饱和土相同。由此，非饱和土的关键问题就在于土中 气体对土体性质的影响，而且这种影响是通过负孔隙水压力产生的，也即非饱和土力学 中所谓的土中吸力( s u c t i o n ) 。研究表明，经典土力学理论的不完善是没有反映土中吸力 的存在。由于土中吸力的影响，使得下述岩土工程问题更加复杂。 ( 1 ) 路堤及土坝等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。 - 2 - 大连理工大学博士学位论文 ( 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。 ( 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 ) 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。 ( 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分影响的土类。 膨胀土的胀缩变形，内因是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、水的影响，如果简单地将其视为饱和土， 必然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，设计值如何取定有待研究。 综上所述，非饱和土力学是现代土力学的重要研究内容和攻坚任务之一。在过去4 0 年里，非饱和土性质的研究已经受到了广泛的关注，膨胀土、黄土、残积土、压实土等 是非饱和土理论最为适用的土体。膨胀土的胀缩变形、边坡稳定分析，黄土的湿陷、沉 降分析等，用非饱和土理论能够得到比经典力学更为准确的成果。但是对非饱和土特征 的认识与研究还处于探索阶段，研究成果至实际应用还有一段距离。也就是说，目前非 饱和土理论尚处于逐渐完善阶段。因此对非饱和土工程性质的试验研究就更显得迫切和 重要，只有深入了解非饱和土的本质才能对其可能引起的灾难进行预防，造福于人类。 相信在不久的将来，非饱和土理论也会像饱和土理论一样，为解决工程实际中的非饱和 土问题提供可靠的依据。实际工程中大量存在着非饱和土的课题，以往由于研究手段的 限制，研究工作进展缓慢。近年来，由于人们的重视，情况大有改善。 1 2 非饱和土的研究历史 。 非饱和土分布十分广泛，与工程实践密切联系的地表土几乎全都是非饱和土。干早 与半干旱地区，由于蒸发量大于降水量，地下水位较深，这些地区的表层土是严格意义 基于数字图像测量的非饱和压实土应力一应变特性研究 上的非饱和土；公路和铁路路基填土、土坝、机场跑道的压实填土都处于非饱和状态， 亦即非饱和土【3 1 ，即使是港口平台、管道等离岸工程中所遇到的土，也往往是含生物气 的海相沉积土，其孔隙中含有生物气，生物气以大气泡( 气泡直径远大于土粒直径) 形式 存在于孔隙中；另外，在地下水面附近的高饱和土体，其孔隙水中溶解了部分气体，气 体以小气泡( 气泡直径与土粒粒径相当) 形式存在于孔隙水中，这两种含气泡的土也应属 于非饱和土。可见，非饱和土才是工程实践中经常遇到的土，饱和土是非饱和士的特例， 真正意义上的饱和土在工程实践中很少见到。 事实上，非饱和土力学的研究早已引起注意，非饱和土力学的研究历史与饱和土一 样悠久，非饱和土力学的研究大致可以分为三个阶段。 第一阶段，2 0 世纪3 0 年代至6 0 年代，非饱和土力学研究的主要特点是以毛细作用 为主要研究内容。主要以h o g e n t o g l e r 、b a r d e r 1 6 1 和t e r z a g h i t l7 】等为代表。他们忽略了对 非饱和土其它方面的研究，因此研究进展缓慢，所取得的成果也有限。 据有关资料，非饱和土的研究始于本世纪3 0 年代，当时由于水利和交通工程的大规 模兴建，出现了许多地下水位以上的水体流动问题。例如，低于防渗心墙墙顶的地下水 由于“毛细管作用”向上越过心墙所形成的渗流问题：地基中的负孔隙水压问题等。这 些问题促使人们对非饱和土课题进行研究。在随后的近2 0 年中，非饱和土的研究多局 限于毛细水的流动问题。这主要是由于土在三相状态下的强度、变形等参数的量测十分 复杂，使有关的理论研究进展缓慢。本世纪5 0 6 0 年代，由于太沙基的有效应力公式 在描述饱和土性状方面取得的巨大成功，使人们不约而同地把建立非饱和土的有效应力 公式作为目标【1 8 抛】，其中，以b i s h o p 的有效应力公式影响最大 2 3 - 2 5 】，与饱和土的有效 应力公式所不同的是，该式中分别考虑了孔隙气体和孔隙水对强度的影响。 第二阶段，2 0 世纪6 0 年代至8 0 年代末，这一阶段研究的特点是将饱和土力学的有 关理论借用到非饱和土力学研究中，以b i s h o p 【2 3 1 和f r e d l t m d l 2 6 1 为代表。对非饱和土的强 度问题取得了一些公认的成果，对变形问题还处于探索阶段。 b i s h o p 公式在一段时间内得到了岩土工程师的认同。d o n a l d ( 1 9 6 1 ) 和b l i g h t ( 1 9 6 1 ) 曾分别用无粘性粉土和击实土进行试验以验证b i s h o p 公式的正确性 2 4 , 2 5 】。然而，遗憾的 是，人们发现参数z 受土类及其它因素的影响，因此，不能把净法向应力和基质吸力两 个变量混为一谈，而必须建立各自独立的状态变量。1 9 7 7 年，m o r g e n s t e r n 和f r e d l u n d 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，建议用两个独立的应力状 态变量净法向应力和基质吸力建立有效应力表达式，并采用“零位”试验验证了该论点 的可行性1 2 6 。在此基础上，f r e d l u n d ( 1 9 7 8 ) 建立了基于双应力状态变量的非饱和土的抗 4 大连理工大学博士学位论文 剪强度表达式，将摩尔一库伦准则推广到以剪应力、净法向应力和基质吸力为坐标轴的 三维空间【2 7 3 。 第三阶段，2 0 世纪8 0 年代以来，对非饱和土变形进行了较为有效的研究。 a l o n s o ( 1 9 9 0 ) 2 s j 和t 0 1 1 ( 1 9 9 0 ) 【2 9 】分别提出了非饱和土的弹塑性本构模型。随着对非饱和 土研究的深入，逐渐认识到建立非饱和土力学理论不能光靠借用饱和土力学理论，必需 用新的理论以新的角度对非饱和土进行研究。f r e d l u n d ( 1 9 9 3 ) 又将表面化学理论应用到非 饱和土的研究中，且取得了较为理想的效果。 近年来，国内学者在非饱和土的固结理论研究上也取得了较大的进展。如李锡夔等 在简单假定z = s ，后从有效应力概念出发把b i o t 固结理论推广到非饱和土 3 0 1 ，陈正汉 ( 1 9 8 9 ) 等初步建立了非饱和土固结的混合物理论【3 1 。4 】，杨代泉提出的广义固结理论 ”, 3 6 1 ， 沈珠江先生倡导建立的结构性本构模型1 3 7 , 3 s l ，包承纲先生提出的以非饱和土气相存在状 态划分孔隙水的流动规律【1 5 】，徐永福( 1 9 9 7 ) 的分形几何t 里论t 3 9 1 等。 可以说，非饱和土的理论研究在国内外方兴未艾，正日益向着工程实用的领域迈进。 正如沈珠江院士所指出的“非饱和土力学的发展已经到了从量的积累到质的飞跃的关 键时刻”。 1 3 非饱和土的研究现状 1 3 1 微结构 d e l a g e ( 1 9 9 6 ) 【帅】认为对非饱和土力学性质的理解需要用可靠的概念模型来实现。第 一种概念模型涉及到非饱和土的微结构。第二种模型即非饱和土的弹塑性模型，以研究 弹性( 屈服前) 、屈服、塑性硬化、流动法则和强度规则等。d e l a g e 等在对压缩淤泥的微 结构研究中注意到各种状态下压缩土的结构特征，以及含水量变化对土结构的影响。他 们采用电子扫描显微镜定性观测和压汞法定量分析对非饱和土的微结构进行研究，发现 了含水量低于、等于、高于最优含水量颗粒聚集结构形态变化情况。 a l o n s o ( 1 9 9 0 。1 9 9 2 ) ：8 ，4 1 ，4 2 】等指出微结构对应非饱和土内部的饱和凝聚孔隙，它主要 受粘土与水的物理化学相互作用：宏观模型对应非饱和土的外部凝聚孔隙。并认为微结 构具有可逆性。有关土微结构定量研究中常用四个参数：( 1 ) 定向性指标，用各向异性率 表示；( 2 ) 有序指标，用概率表示；( 3 ) 粘土矿物定向频率分布函数；( 4 ) 粘性土团粘频率 分布函数。施斌 4 3 , 4 4 】研究了粘土的定向频率分布函数9 ( 口) 在击实过程中的变化规律， 定量地描述了粘土微结构在击实过程中的变化特点。 基于数字图像测量的非饱和压实土应力一应变特性研究 1 3 2 有效应力原理 土体中的应力可分为三大类，即总应力、孔隙应力和粒间力。有效应力原理的实质 是有效应力控制着土的体积变化和强度。对饱和土来说，大量的实验资料表明有效应力 盯= 盯一u ，虽不能取得十分精确的值，但都能得出相当好的近似值，故基本上是正确 的，因此饱和土的粒间力，其值等于( 或近似等于) 有效应力。而非饱和土的粒间力，是 由外荷及颗粒间接触的毛细压力而引起的，其值不一定等于控制力学性质的有效应力， 因此促使人们对非饱和土进行相应的研究。有不少学者提出了非饱和土有效应力方程。 先后有b i s h o paw 【2 3 0 4 1 ，c r o n e yd 4 5 1 ，c o l e m a nd c 4 6 ，a r t e h i s o ngd 【4 7 1 ， j e n n i n g s t 4 引， r i c h a r d sbg 1 4 9 】等，而较为流行的是b i s h o p 的有效应力公式 盯= 盯一“。+ z ( “。一“，) = 口一b “。+ ( 1 一z h 。】 ( 1 1 ) 式中，z 为有效应力系数，与饱和度有关。对饱和土z = i ，干土z = 0 ，但z 的物理意 义含糊不清，难以确定，只能当作经验常数。 我国学者陈正汉【5 0 1 ( 1 9 9 4 ) 从弹性理论出发，由体变方面导出非饱和土的有效应力公 式 盯= 盯一 筹甜。+ ( 1 一一芸 u 。 c12k 一，盯= 盯一l 甜。，+ l 一= i 。i 1 ) l 七埘 i蜊j 。i 、 式中，k “分别为孔隙率为n 的多孔介质与孔隙率为s l l 的多孔介质的体变模量与 b i s h o p 公式( 1 1 ) 比较可知 z = 各 ( 1 3 ) 这样赋予了有效应力参数z 明确的物理意义。但存在两个问题，一是k ”和k ”的测 量比较困难，二是它没有计入剪胀与湿化，它不适用于膨胀土。由于非饱和土的力学特 性、变形特点比较复杂，很难用单一的有效应力方程进行描述，随着研究的不断深入， f r e d i u n d 和m o r g e n s t e m 【2 6 2 7 , 5 1 1 的双变量理论逐渐被人们所接受。按照这一理论，非饱和 土的强度和体积变形可写成如下形式 f ，= c + ( 盯一u 。) t a n 妒+ ( 。一u w ) t a n 纯 ( 1 4 ) a s v = c