（岩土工程专业论文）基质吸力对黄土边坡稳定性及基坑支护计算的影响.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 基质吸力对黄土边坡稳定性及基坑支护计算的影响 专业：岩土工程 硕士生：李永刚 指导教师：王铁行副教授 摘要 论文基于现有非饱和黄土抗剪强度研究成果，探讨了基质吸力对非饱和黄土 边坡稳定性的影响，经过理论推导上定性地说明了基质吸力对黄土边坡安全性系 数的作用；进一步应用毕肖普条分法对黄土边坡在不同基质吸力作用下的安全系 数进行了计算分析，结果表明：基质吸力对非饱和黄土边坡稳定性有显著影响； 随着基质吸力的增大，边坡安全系数明显增大；并且在基质吸力相对较小的区域 内变化更为显著。 论文同时研究了基质吸力变化对非饱和黄土基坑支护结构内力及变形的影 响。首先从理论上将朗肯土压力理论拓展到非饱和黄土领域；继而按照规范推荐 的排桩支护结构计算方法，应用理正深基坑程序计算了在不同基质吸力作用下某 非饱和黄土基坑的最大正弯距、最大剪应力、总主动土压力和基坑的最大侧移量。 计算结果标明：基质吸力对非饱和黄土基坑支护结构的最大正弯距、最大剪应力、 总主动土压力和基坑的最大侧移量影响十分明显；随着基质吸力的增大，基坑支 护结构的最大正弯距、最大剪应力、总主动土压力和基坑的最大侧移量均明显减 小；在基质吸力相对较小的区域内( o 2 0 0 k p a ) ，上述数值变化相对更为明显； 基质吸力对支护结构的最大正弯距影响最为显著。论文对两种常见基质吸力分布 形式( 常数型分布和倒三角线性分布) 作用下基坑支护结构的最大正弯距、最大 剪应力、总主动土压力和基坑的最大侧移量进行了对比，结果表明：在地表基质 吸力相同的条件下，在最大基质吸力较小时，根据二者计算得到的最大正弯距、 最大剪应力、主动土压力以及支护结构的最大侧移量差别不大，随着最大基质吸 力的增大，根据二者计算得到的最大正弯距、最大剪应力、主动土压力以及支护 结构的最大侧移量的差别逐渐增大，当最大基质吸力较大时，计算结果差别是十 分明显的。 以上研究结果有助于岩土工程师认识到非饱和黄土地区基质吸力对边坡稳定 性和基坑支护结构内力和侧移的显著影响。 关键词：基质吸力非饱和黄土边坡基坑支护 西安建筑科技大学硕士论文 i n f l u e n c eo fm a t r i xs u c t i o no fs o i lo ns a f e t yo fl o e s ss l o p ea n d l o e s sf o u n d a t i o np i t s p e c i a l t y ： p o s t g r a d u a t e ： i n s t r u c t o r ： g e o t e e n g i n e e r i n g l iy o n g g a n g w a n gt i e h a n g a b s t r a c t b a s e do ne x i s t i n ga c h i e v e m e n ti nr e s e a r c ho nt h es h e a rs t r e n g t ho fu n s a t u r a t e d l o e s s ，t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo f m a t r i xs u c t i o nf o rt h es t a b i l i t yo f u n s a t u r a t e d l o e s ss l o p e ，a n dt h e o r e t i c a l l yd e d u c e dt h ei n f l u e n c eo fm a t r i xs u c t i o n ；a n dt h e nu s et h e b i s h o pm e t h o dt oc a l c u l a t et h es t a b i l i t yo fl o e s ss l o p eu n d e rd i f f e r e n tm a t r i xs u c t i o n t h ec o n c l u s i o nr e f l e c t e dt h a tm a t r i xs u c t i o nh a so b v i o u si n f l u e n c eo nt h es t a b i l i t yo f u n s a t u r a t e dl o e s ss l o p e ；w i t ht h ei n c r e a s eo fm a t r i xs u c t i o nt h es t a b i l i t yo fl o e s ss l o p e i n c r e a s e so b v i o u s l y ；a n di nt h ee x t e n do fl o wm a t r i xs u c t i o nt h ec h a n g ei sm o r e n o t a b l e t h ep a p e rm a i n l ys t u d i e dt h ei n f l u e n c eo f m a t r i xs u c t i o nt o w a r dt h ec a l c u l a t i o nf o r t h ee x c a v a t i o n - s u p p o r t i n gs y s t e m f i r s t l yd e d u c e dt h er a n k i n es o i lp r e s s u r et h e o r yf o r t h eu n s a t u r a t e dl o e s sa r e ao nt h eb a s i so ft h es t a t i s t i c a lr u l eo ft h es h e a rs t r e n g t ho f u n s a t u r a t e dl o e s s ；a n dt o o kt h ec a l c u l a t i o nm e t h o df o rp i l es u p p o r t i n gs y s t e mw h i c ht h e c o u n t r ys p e c i f i c a t i o nr e c o m m e n d e d ，t h e nu s et h ec a l c u l a t i o np r o g r a mf o rp i ts u p p o r t i n g s y s t e mo f l i z h e n gi n s t i t u t et oc a l c u l a t et h em a x i m a lm o m e n t 、t h em a x i m a ls h e a r 、t h e t o t a la c t i v es o i lp r e s s u r eo ft h es u p p o r t i n gs t r u c t u r ea n dt h em o v i n go ft h ee x c a v a t i o n u n d e rd i f f e r e n tm a t r i xs u c t i o n t h eo u t c o m er e v e a l st h a t ：m a t r i xs u c t i o nh a sg r e a te f f e c t o nt h em a x i m a lm o m e n t 、t h em a x i m a ls h e a r 、t h et o t a la c t i v es o i l p r e s s u r eo ft h e s u p p o r t i n gs t r u c t u r ea n dt h em o v i n go ft h ee x c a v a t i o no fu n s a t u r a t e dl o e s s w h e nt h e m a t r i xs u c t i o ni n c r e a s e s ，m a t r i xs u c t i o nh a sg r e a te f f e c to nt h em a x i m a lm o m e n t 、t h e m a x i m a ls h e a r 、t h et o t a la c t i v es o i lp r e s s u r eo f t h es u p p o r t i n gs t r u c t u r ea n dt h em o v i n g i i 西安建筑科技大学硕士论文 o ft h ee x c a v a t i o nh a v ed e c r e a s e do b v i o u s l y ；w h e nm a t r i xs u c t i o ni su n d e rt h er e l a t i v e l y l o wc l a s s ( 0 2 0 0 k p a ) ，t h ea b o v ev a l u e sc h a n g em o r eo b v i o u s l y ；m a t r i xs u c t i o na f f e c t s t h em o m e n to ft h es u p p o r t i n gs y s t e mm o s to b v i o u s l y t h ep a p e rc o m p a r ew i t ht h e m a x i m a lm o m e n t 、t h em a x i m a ls h e a r 、t h et o t a la c t i v es o i lp r e s s u r eo ft h es u p p o r t i n g s t r u c t u r ea n dt h em o v i n go ft h ee x c a v a t i o nu n d e rt w oc o m m o nd i s t r i b u t i o nf o r mo f m a t r i xs u c t i o n ( w h i c hi sc o n s t a n t d i s t r i b u t i o na n di n v e r s e d e l t ad i s t r i b u t i o n l a n dt h e o u t c o m er e v e a l st h a t ：i f t h es a m em a t r i xs u c t i o no f t h es u r f a c es o i ll a y e ri si d e n t i c a l ，t h e m a x i m a lm o m e n t 、t h em a x i m a ls h e a r 、t h et o t a la c t i v es o i lp r e s s u r eo ft h es u p p o r t i n g s t r u c t u r ea n dt h em o v i n go f t h ee x c a v a t i o nu n d e rm a t r i xs u c t i o no f c o n s t a n t - d i s t r i b u t i o n a r eo b v i o u s l yl e s st h a nt h ev a l u eo fw h i c hu n d e ri n v e r s e d e l t ad i s t r i b u t i o n t h ea b o v es t u d yo u t c o m ec a nh e l pt h eg e o t e c h n i c a le n g i n e e rt or e a l i z et h en o t a b l e i n f l u e n c eo fm a t r i xs u c t i o nt o w a r dt h es t a b i l i t yo fl o e s ss l o p e ，t h es t r e s so ft h e s u p p o r t i n gs t r u c t u r ea n dt h em o v i n go f t h ee x c a v a t i o n k e yw o r d s ：m a t r i xs u c t i o nu n s a t u r a t e dl o e s ss l o p es l o p e e x c a v a t i o n s u p p o r t i n g 1 1 1 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。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过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位 已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的 所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：秀每国1 吼砂羔、z 5 ) 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 蝴冷泵吲新虢主砝巧嘞谢“ 西安建筑科技大学硕士论文 1 1 研究背景 1 绪论 我国是一个多山、多高原的国家，在这些地区进行工程建设，边坡稳定问题 极为重要。边坡失稳( 滑坡) 是最严重的自然灾害之一，不论是自然边坡的滑动、 崩塌，还是人类工程活动形成的边坡的失稳，都对经济建设和人民生命财产造成 巨大损失。据统计，我国的滑坡等地质灾害主要分布在2 4 个省、市、自治区，以 西南、西北地区为主【1 】o 在黄土高原地区，土质边坡广布在黄土塬、黄土丘陵和黄 土梁边，在陡坡地段滑坡活动比较活跃，有许多滑坡事故频繁发生，给人民的生 命和财产安全带来极大威胁。例如，1 9 8 3 年发生在甘肃省东乡族自治县洒勒山黄 土滑坡，滑体宽7 0 0 1 0 0 0 m ，摧毁三个村庄，造成二百多人死亡、2 2 人重伤、毁 坏林地2 0 0 k i n 2 、淹没两座水库的重大损失。据不完全统计，仅在陕西关中地区， 1 9 8 3 1 9 9 3 年发生黄土滑坡、崩塌灾害近2 0 0 处，造成直接经济损失达亿元以上， 而目前关中地区有活动迹象的滑坡1 0 0 0 余处，它将严重威胁广大人民生命财产安 全，影响这一地区的国民经济建设【2 】1 3 】。 另外，在大量需要支护结构的边坡工程中，一方面工程师们通过应力计等测 量手段发现支护结构中的应力远小于设计应力值，这表明设计过于保守，因而造 成国家财富的巨大浪费；而另一方面，边坡工程、基坑工程事故却频繁发生，每 年都造成大量的生命财产损失。这表明在工程实践中，我们对非饱和土坡稳定性 问题的认识还不够深刻，对于边坡稳定性随外界条件的变化规律把握得不够准确， 因此有必要对非饱和土边坡稳定性问题进行深入的研究。 在我国分布较为广泛的黄土属于非饱和土。土中气相的存在可以显著地影响 黄土的工程性质。我国黄土分布集中的西北地区处于干旱半干旱地区，地下水位 较深，边坡中的土体具有负孔隙压力，负孔压的存在加大了土颗粒间的压力，使 的抗剪强度增大，这对保持边坡的稳定起着重要的作用。然而在非饱和土中的 负孔压很容易受到外界环境变化的影响，特别是受含水量变化的影响。当含水量 增大时，可能导致非饱和土抗剪强度的急剧减小，从而危及土坡的稳定性。这种 现象在西北广袤的黄土地区更为明显。 目前，随着西部大开发战略的实施，黄土高原正在进行大规模的开发与建设， 西安建筑科技大学硕士论文 在许多大型工程和基础设施的建设中，必然会遇到大量黄土边坡和基坑工程的安 全稳定性问题。例如，在基础建设中需对边坡进行开挖和支护时，其坡高、坡角 等因素发生改变，则土坡的稳定状态会发生改变，因此在某些情况下工程师必须 重新考虑其稳定性；更重要也被普遍重视的一个现象是黄土边坡以及基坑在雨后 容易出现坍塌、滑坡等严重事故，究其原因，一个很重要的因素是土体含水量的 增大导致其抗剪强度的减小，从而危及黄土边坡的稳定性；在水利水电人工堤坝 的建设中，堤坝的稳定性问题尤其重要，必须得到充分考虑，从而在保证工程安 全条件下最大限度地追求经济节省。 边坡稳定性分析一直是岩土工程研究的重要课题。从本世纪二十年代开始对 土体的稳定性进行分析和计算，其成果可见于瑞典的f i l l e n i u s 、美国的t e r z a g h i 和t a y l o r 的土力学经典著作中。到目前为止边坡稳定性分析研究的方法发展迅速， 其原有的研究不断完善，新的理论和方法不断引入，但是同时也应该认识到由于 理论和实践的局限，边坡稳定性分析的各种方法都还不完善1 4 。 边坡稳定性的分析方法归纳起来可分为两大类【4 】：即确定性方法和不确定性方 法。确定性方法是边坡稳定性研究的基本方法，它包括极限平衡法、数值方法、 块体理论法、赤平极射投影法等。它们将影响边坡稳定性的各种因素都作为确定 的量来考虑。例如，极限平衡法是通过潜在滑体的受力分析，引入强度准则，根 据滑体力( 力矩) 平衡，建立边坡安全系数表达式进行定量评价，这种方法由于 安全系数的直观性至今仍被工程界广泛应用。这种方法的关键在于判断临界破坏 面的位置和选定计算参数。数值方法是6 0 年代引入边坡稳定性分析中，它包括有 限元法、边界元法、离散元法及混合法等。数值方法能从较大范围考虑介质的复 杂性，全面地分析边坡的应力应变状态，有助于对边坡变形和破坏机理的认识， 较极限平衡法有一定程度的改进和补充。不确定性方法应用一些新的理论和方法， 如可靠性理论、模糊数学、灰色预测系统、分形几何、人工智能等来分析边坡工 程中涉及的大量不确定性因素，对岩土工程进行大量的信息采集，以提高边坡工 程质量状态判断的精度。 极限平衡法作为边坡稳定性分析中最经典的确定性方法，目前在岩土工程界 得到广泛应用。本论文研究的重点是基于文献试验成果和拟合关系式，应用土坡 的极限平衡分析法，探讨考虑基质吸力对边坡稳定性的作用；并通过对黄土边坡 在不同的基质吸力作用下计算所得土坡安全系数的变化特征，从而量化地反映出 基质吸力对边坡稳定性的作用：本文另外一个主要的研究内容是应用规范推荐的 西安建筑科技大学硕士论文 基坑工程支护结构内力计算方法探讨了考虑不同基质吸力作用时支护结构的内力 变化情况，探讨其变化规律。这些结果有助于二l 程师在边坡工程设计和施工时对 基质吸力的作用有一个量化的认识，也有助于工程师判断当含水量变化导致基质 吸力改变时边竣或基坑工程的安全状态，从而采取经济合理的相应措施。 1 2 本文的研究内容和方法 极限平衡分析法的概念简单蜗晰，而且所得安全系数比较直蕊，所以在工程 实践中，工程师分析土坡稳定性时大多采用极限平衡法，包括瑞典法、毕肖普法、 简布法等。本论文在分析基质吸力对非饱和黄土边坡稳定性的作用时，将应用极 限平衡法中的毕肖普法进行计算。 首先，论文基于宜献【5 j 得到的陕西各地区非饱和黄土的抗剪强度规律，应用 毕肖普法对没有支护结构黄土边坡在不同大小基质吸力作用下其安全系麴的变化 规律进行探讨，拟揭示出基质吸力对非饱和黄土边坡安全性的定量影响。 基坑工程属于特殊的边坡工程，很多情况下需要设置支护结构。在对基坑工 程支护结构进行内力计算时，其土压力的取值和计算是至关重要的因素。土压力 值的大小直接影响到挡二e 结构的内力，从而影响支护结构的直径、氏度、间距、 配箭等，也就直接关系整个工程的安全性和造价。由于论文拟探讨非饱和土基质 吸力对支护结构内力的作用，所以须先对传统饱和土的土压力理论进行合理的修 正。本论文基于传统的朗肯土压力理论，结合非饱和土抗剪强度公式，拟推导得 到了适用于非饱和黄土的朗肯土压力计算公式。 在得出作用于非饱和黄土基坑支护结构上的土压力之后，便可以选用合适的 内力计算方法进行支护结构的内力计算。对于有支护结构的基坑工程，其支护结 构的内力计算方法有很多种，各种方法通常都有一些局限性和适用条件。对于本 论文即将探讨的单层锚轩支护结构算铡，拟采用弹性法进行支挡结构的内力计算。 在算出不同基质吸力作用下支护结构上的最大正弯距之后，研究不l 司基质吸力作 用下支护结构上的主动土压力、最大剪应力和基坑的最大侧移量。在得到上述数 据之后，则可以明确地看出基质吸力对于基坑支护计算的影响，有利于指导实践。 综上所述，本文研究的整体思路如下：基于对非饱和土强度理论的认识，首 先确定非饱和黄土基厦吸力与抗剪强度的关系然后采用极限平衡条分法研究非 饱和黄土边坡在不同基质吸力作用下的土坡稳定性系数，得到基质吸力对非饱和 饱和黄土边坡在不同基质吸力作用下的土坡稳定性系数，得到基质吸力对非饱和 西安建筑科技大学硕士论文 黄土边坡稳定性影响的规律；继而基于非饱和黄土的抗剪强度试验表述式，推导 考虑非饱和黄土基质吸力的扩展朗肯土压力理论，然后应用弹性法计算在不同基 质吸力作用下支护结构的最大正弯距，计算不同基质吸力作用下支护结构上的主 动土压力、最大剪应力和基坑的最大侧移量，并对两种基质吸力分布形式下的计 算结果进行了对比分析，探讨基质吸力对非饱和黄土基坑支护结构计算结果的影 响。 西安建筑科技大学硕士论文 2 1 概述 2 非饱和土基本理论 非饱和土的分布很广，在建筑、水利、公路等工程中经常遇到，其性质比一 般饱和土复杂，因此对非饱和土理论与实践的研究日益受到人们的重视。我国的 西北部大都处于干旱半干旱区，年蒸发量大于降雨量，地下水位一般较深，这一 地区的表层土体是非饱和土，即土是以三相状态( 土颗粒、孔隙水、孔隙气) 存 在。除土颗粒本身性质外，孔隙水、孔隙气的含量不同，也将导致土体性质的变 化。此时经典的饱和土力学原理与概念已不适用于非饱和土的实际状态。非饱和 土的工程性质研究对这一地区的工程建设具有十分重要的意义。为了研究基质吸 力对非饱和土边坡和基坑的影响，有必要对非饱和土的基本概念和理论进行说明。 非饱和土的研究始于二十世纪三十年代，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流动问题。例如：水库的水位低于水坝的防渗 心墙墙顶，而水却能够向上越过心墙，形成渗流问题：地基中的负孔隙水压力问 题等。这些问题促使人们对非饱和土问题进行研究。在随后的近二十年中，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、 变形等参数的测量十分复杂，使理论研究的进展比较缓慢。非饱和土中吸力的存 在增加了非饱和的抗剪强度，这是因为吸力增大了土颗粒间的粒间压力，因而， 人们在研究非饱和土的变形及强度理论时也就需要发展一个有效应力原理，多年 以来提出的一系列非饱和土有效应力公式。由于太沙基的有效应力公式在描述饱 和土的性状方面取得了巨大成功，使人们不约而同的把建立非饱和土的有效应力 公式作为目标，其中以b i s h o p 有效应力公式( 1 9 5 4 年) 影响最大，他提出的公式 是： 盯= ( 盯一b a ) + z ( u 。一“。) ( 2 - 1 ) 式中仃为有效应力；甜。为孔隙气压力；为孔隙水压力；z 为与土的饱和度有关 的试验参数。与饱和土的有效应力公式不同，该公式分别考虑了孔隙气体和孔隙 水对土体强度的影响。 以后，人们在应用中发现b i s h o p 公式( 式2 - 1 ) 中的参数z 易受土的类型及其 西安建筑科技大学硕士论文 他因素的影响，不能把( 仃一“。) 和( “。一“。) 两个变量混为一谈，而必须建立各 自独立的状态变量。以后，虽然对其进行了修改，提出了一系列有效应力的计算 公式，这些有效应力公式均含有土的参数，且都想为非饱和土建立一个单值的有 效应力公式。但是试验结果表明，有效应力公式并非单值，而是与应力路径有关。 有效应力公式中的参数很难确定。一般来说，所建立的有效应力公式都没有被普 遍接受并用于描述非饱和土的性状。后来，许多学者倾向于采用两个独立变量如 ( 口一“。) 和( “。一“。) 】来描述非饱和土的性状。f r e d l u n d 和m o r g e n s t e m ( 1 9 7 7 年) 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，他们把非饱和土视 为四相系，假定土颗粒为不可压缩，并认为土内不起化学作用。这些假定同非饱 和土土力学通常采用的假定是一致的。他们的分析结果表明，可以用三个应力变 量中的任意两个来描述非饱和土的应力状态。对非饱和土有三个可能的应力状态 组合，它们是【2 1 ：1 ( 口一“。) 和( “。一甜。) ；2 ( o - - “。) 和( “。一“。) ；3 ( 盯一“。) 和( 仃2 f 。) 。此后，f r e d l u n d ( 1 9 7 8 ) 建立了给予双应力状态变量的非饱和土的 抗剪强度表达式，将摩尔一库仑准则扩展到以r 、( 盯一“。) 和( “。一) 为坐标轴 的三维空间。他认为非饱和土的抗剪强度由三部分组成，即有效内聚力c 、净法向 应力( 盯一“。) 引起的分量和基质吸力( 基质吸力是土中固体颗粒基质与水之间的一 种相互作用力，即( “。一“。) ) 引起的分量。净法向应力( 盯一“。) 引起的分量与有 效内摩擦角p 6 有关。f r e d l u n d 的强度理论包含了基质吸力对强度的贡献，促进了 人们对基质吸力的测试进行研究和试验工作，国内外许多学者都作了这方面的研 究和试验。基质吸力的大小对非饱和土的性质有很大影响，基质吸力常常随外界 环境变化而发生显著变化，对土体的工程性质产生很大的影响。在进行非饱和土 工程性质的研究时，基质吸力是一个重要的因素。 2 2 非饱和土中的基质吸力 非饱和土是由土颗粒和充填于颗粒骨架间的空气及水分组成的。当土颗粒和 水相互作用时，土颗粒基质表现出对水分的亲和性，即对水分的吸持作用。其作 西安建筑科技大学硕士论文 用机理十分复杂，但可以概括为吸附作用和毛细作用，在土力学中将这种作用称 为基质吸力( m a t r i xs u n c t i o n ) ，而对应地将土体中溶液的溶质对土体水分的吸持作 用称为渗透吸力( o s m o t i cs u n c t i o n ) 。现有的研究成果表明，一般土中溶质吸力在 量值和对土的工程性质的影响上均小于基质吸力，所以在土力学研究中考虑的吸 力一般均指基质吸力。非饱和土中的水份都处在一定的吸力状态下，且随着含水 量的变化，吸力也发生变化。岩土工程中将描述土的吸力状态的有关数学式定义 为吸力状态方程( 或吸力方程) ，相应的曲线定义为吸力状态曲线( 或吸力曲线) 。 在特定条件下( 如土体水分仅受单一外界因素作用时) ，它是土中含水量的单值函 数，称其为土体的水分特征曲线，该曲线目前还不能根据土的基本性质由理论分 析得出，只能用实验方法测定。影响土的吸力状态的首要因素是土的类型，一般 情况下，土体中粘粒含量愈高，在相同的饱和度下的吸力愈大，其他的因素是土 的结构、密实度、饱和度、含水状态、应力状态等。吸力是研究非饱和土工程性 质的一项重要参数。土体吸力不但表示土中水的能态高低，揭示土中水和土颗粒 相互作用的强烈程度以及非饱和土中水、气界面的曲率状态，它能从更深层次揭 示土中水、气运动的规律和土的体变、强度变化等物理性质。凡涉及到非饱和土 的变形和强度问题或非饱和土的水分运动问题，如天然边坡、路堤、土坝的稳定 性问题，膨胀土、黄土、红粘土等地基变形以及由此引起的建筑物破坏的问题， 非饱和土中水分迁移的问题等，都要涉及非饱和土中的吸力。总之，要研究非饱 和土的问题，必须对非饱和土中的吸力有一个全面的认识。 ( 1 ) 非饱和土中基质吸力的概念 2 0 世纪9 0 年代初，土中吸力的概念已在土壤物理学中得到发展，土的吸力理 论主要是同土一水一植物相关联而发展起来的。英格兰道路研究所首先指出，土的吸 力在解释非饱和土的力学性状方面具有重要的意义。研究非饱和土的工程性质时 必须考虑基质吸力的作用，这已成为岩土工程界的共识。土中的吸力反映了土中 水的自由能状态。土中吸力通常由两部分组成，即基质吸力( 一“。) 和渗透吸 力( z ) 。表达式如下【2 】： = ( “。一“。) + y r( 2 - 3 ) 西安建筑科技大学硕士论文 土中的总吸力相当于水的自由能，基质吸力为土中水自由能的毛细部分，渗 透吸力为自由能的溶质部分。基质吸力通常与水的表面张力引起的毛细现象联系 在一起，表面张力是由收缩膜( 水一气分晃面) 内的水分子受力不平衡面引起的。 土中渗透吸力通常是因为土中的孔隙水含有盐份，而含有溶质的孔隙水会使得土 体的相对湿度下降，由此而引起土中产生吸力。 对于一般的粘性土和砂土来说，基质吸力通常占主要部分，且易受外界因素 变化的影响。渗透吸力较小，且随含水量变化也不明显，只有对于土中含水量和 含盐量均较高的高塑性土，渗透吸力才显得较为重要。在涉及非饱和土的大多数 土岩土工程问题中，可用基质吸力的变化来代替总吸力的变化；反之，也可以用 总吸力的变化来代替基质吸力变化。 空气的存在，即使是很少量，也会使土成为非饱和土。以气泡形式存在的少 量空气会使孔隙中流体成为可压缩的。通常情况是，较大量的空气在土中形成连 续的气相，这时i l 隙气压力和孔隙水压力开始出现显著差别。在水一气分界面处， 由于孔隙水压力和孔隙气压力差值的存在，使得分界面产生弯曲，以提供一应力 分量，从而维持分界面内水分子力的平衡。土水分界面水膜这种承受张力的特性， 称为表面张力；而土水分界面常称为收缩膜。表面张力作用方向与收缩膜表面相 切，其大小随温度的增加而减小。收缩膜承受大于水压力甜，的空气压力“。，压力 差( “。- “。) 就是基质吸力。基质吸力是非饱和土的一个不同于饱和土的重要指标。 对所有非饱和土共同的特点是孔隙水的负压力。位于地下水位以上的土具有 负的孔隙水压力。负的孔隙水压力能使砂土产生“假凝聚力”，垂直开挖一定深度 面不发生坍塌；负的孔隙水压力能增加土颗粒之间的黏结，从而增加土的有效应 力，使土体的抗剪强度增大。而这种作用直接受含水量大小的影响。当含水量增 大到一定的程度时，砂土间就不存在假凝聚力；对粘土而言，则会方面使土颗 粒间的收缩膜拉结作用减小直至消失，另一方面使得土的有效自重减小，使粘土 的有效应力急剧减小，抗剪强度急剧减小。这就是通常暴雨后出现滑坡的主要原 因之一。 ( 2 ) 非饱和土基质吸力的测量 在非饱和土中，基质势与含水量密切相关，基质吸力随含水量的增减而变化。 一般用土的水分特征曲线来描述非饱和土中的基质势随土体含水量的变化情况， 水分特征曲线表示了非饱和土体中水的能量与数量之间的关系。而目前尚不能根 西安建筑科技大学硕士论文 据非饱和土的基本性质从理论上分析得出土的水分特征曲线，但可用试验来测定 土体的水分特征曲线。 土中的吸力可根据测得的中水的蒸汽压或土中的相对湿度来确定，可用湿 度计直接测量土中的相对湿度；也可以用滤纸间接测量土中的相对湿度，让滤纸 与土中的吸力相平衡，可得到吸力值。目前测量非饱和土中吸力的方法主要有湿 度计法、张力计法、离心机法、压力膜法、砂芯漏斗法、平衡水汽压法等。 2 。3 非饱和土的水分特征曲线 ( 1 ) 非饱和土水分特征曲线及其意义 非饱和土中的基质吸力可以通过多种试验方法测定，它与含水量之间有一定 的对应关系。通常将基质吸力与含水量之间的关系曲线称为土体的水分特征曲线， 也称作土水特征曲线。它是表示土体基本水力特性的重要曲线，对研究土体水份 滞留与运移有十分重要的作用。 非饱和土水分特征曲线的研究最初是土壤学的课题，b u c k i n g h a m 认为非饱和 土的渗透势是其保持水分能力的反映，非饱和土中水的流动和储存是由渗透势决 定的。他第一次给出了非饱和土的水分特征曲线，并认为水分特征曲线是渗透势 和含水量的连续函数。r i c h a r d s 简化了用薄试样测水分特征曲线的方法，主要有 r i c h a r d s 压力板法和离心机中的渗透吸力盒法。c h i l d s 在第一届国际土壤学会议上 提出了湿度特征曲线的概念，他认为可用水分特征曲线来估算非饱和土的渗透性。 a i t c h i s o n 将水膜两侧的压力差和化学势引起的吸力分别定义为基质吸力和渗透吸 力，总吸力定义为两者之和。 非饱和土的基质吸力或基质势是土体含水量的函数，土的含水量( 质量含水 量w 、体积含水率乱) 或饱和度与基值吸力之间的关系定义为土的水分特征曲 线，即s w c c ( s o i l w a t e rc h a r a c t e r i s t i cc u r v e ) 。该曲线反映了在非饱和状态下土 中水的能量与土中水的数量之间的关系。 土体在饱和时，土中的基质势y 。= o 或基质吸力s = o 。如对土施加一定的吸 力，土中并无水流出。当吸力增大直到超过某一临界值s 。时，土中的大孔隙开始 排水，土体含水量减少，咒称为进气吸力。当吸力进一步提高，土中较多的相对 9 西安建筑科技大学硕士论文 大孔隙不能抗拒施加的吸力，其所保持水分排除，土中的含水量进一步减少。这 一过程可以一直进行下去，因此土的含水量随着基质吸力的提高( 随土中基质势 的降低) 丽减少，这一点可以在许多实测的非饱和土的水分特征曲线上有明显的 反映。 水分特征曲线在非饱和土土力学中扮演着重要的角色，试验研究表明非饱和 土的水分特征曲线与其土性之间有一定的关系。基于水分特征曲线可以确定非饱 和土的强度、体应变和导水系数，甚至还可以确定地下水面以上的水分分布。在 非饱和土中的水分运动问题中，许多运动参数都可以由水分特征曲线求得。鉴于 此，有人把非饱和土的水分特征比成饱和土土力学中的口1 0 9 p 压缩曲线，可见水 分特征曲线在非饱和土研究中的重要性； 在非饱和土的研究中，人们投入大量的精力来发展确定水分特征曲线。这些 方法归纳起来可以分为两大类：一类是直接测定法，如上述的张力计法、离心机 法、压力膜法、砂芯漏斗法、平衡水汽压法等。张力计法简单且便于操作，在室 内和现场都得到广泛的应用。同时人们也发展了多种经验公式来表示土体含水量 和吸力的关系，建立了多种模型。另外一类是间接推求法。间接法主要是利用易 于测定的土体物理特性来推求土体水分特征曲线，如a r y a - p a r i s ( 1 9 9 9 ) 利用土壤颗 粒组成来估计土体水分特征曲线，这是近年来发展的利用土体物理特征益线确定 土体水分特征曲线的新方法。 ( 2 ) 水分特征曲线的经验表达式 一般把水分特征曲线拟合成特定的曲线，国内外学者先后提出了大量的经验 公式，其中有代表性的几种如下： s=ao一6(exponential) s = a e 一6 9 s ：! 丝二鱼 臼 0 一良1 一= i 只一o r 6 + ( - a s ) ”r 两- - o r 0 = s吼一，lj ( p o w e r ) ( v i s s e r ，1 9 9 6 ) ( v a ng e n u c h t e n ，1 9 8 0 ) ( b r o o k s & c o r e y ，1 9 6 4 ) 西安建筑科技大学硕士论文 上面各式中，0 ，为饱和含水率，0 ，为残留含水率，s 。为土体开始进气时的基 质吸力，其他参数为拟合公式中的经验常数，由实测得到的非饱和土的含水率和 基质吸力值，用数学的方法可以很方便地求出以上公式中的经验常数。 ( 3 ) 影响非饱和土的水分特征曲线的因素 土的水分特征曲线一般通过实测得到，通过大量的试验得出了各类土的水分 特征曲线，从中得出了一些规律性的结论，影响土的水分特征曲线的主要因素如 下： 1 土性的影响 由于土的类型不同，其水分特征曲线差别较大。同一含水量的粘土和砂土， 粘性土的基质吸力值远大于砂土的基质吸力。也就是说，如果在同一吸力下，粘 性土的含水量比砂土的含水量大。例如在吸力为s 等于l o o c m 水柱即等于9 8 0 p a 时，某粘性土的含水量为4 9 ，而某砂土的含水量则仅为8 。故土壤中的粘粒 含量越多，在同一吸力条件下其含水量也越高。这是由于在粘性土中，细孔隙多， 而且粘粒的表面能高，能吸附较多的水分。而砂土则刚刚相反。另外，粘性土的 水分特征曲线的斜率比较均匀，变化平缓。而砂土的特征曲线的斜率变化比较大， 特别是在低含水量段内斜率的变化很大。土的矿物成分( 包括土颗粒的矿物成分 以及孔隙中可溶盐成分) 对水分特征曲线也有很大的影响。其影响反映在土体对 水分的亲和程度上，对于具有较强亲水性的矿物组成的土体，它表现出的吸力也 必然较大，反映在水分特征曲线上，则为残余含水量较大，曲线的斜率也较平缓。 2 土体结构的影响 土体结构，包括孔隙大小、级配和组成结构等。孔隙结构影响土水作用的面 积和收缩膜的形状，而后者决定吸力的大小。土体的孔隙尺寸小，进气值高，持 水性强，则土水特征曲线平缓。孔隙结构通常和粒径、级配以及土骨架结构有关， 一般说来粒径较小、级配良好的土体，其孑l 径较小。对同一种土，土在压实后孔 隙度减少，特别是团粒之间的大孔隙减少，因而土的饱和含水量有明显降低。土 在压实后，由于一部分大孔隙变成中等大小的孔隙，中等大小孔隙在压实后有历 增加，而对基质吸力有较大影响的小孔隙在压实后受影响较小，因而特征曲线在 压实前后这一段近于相同。但是，由于土性的差异，土体结构对水分特征曲线的 影响规律也不尽相同。 3 温度的影响 西安建筑科技大学硕士论文 温度影响着水的粘滞性和表面张力。当温度上升，水的粘滞性和表面张力下 降，土体基质势升高( 吸力下降) ；当温度下降，则反之。因此在测定土壤水分特 征曲线时，为减少温度的干扰，应尽量在温度变化不大的条件下测定。 4 含水量变化过程的影响 对同一种土，在恒温条件下，土的水分特征曲线并不是单一的曲线，或者说， 吸力与含水量的关系不是单值函数。许多试验资料表明，土在吸湿过程中( 由干 到湿) 和在脱湿过程中( 由湿到干) 测得的水分特征曲线是不同的。这种现象称 为滞后现象。滞后现象产生的主要原因有：i 瓶颈效应或所谓的墨水瓶效应，土 体中的大小孔隙是连在一起的，形成如墨水瓶那样口小肚子大的形状，吸水增湿 过程是较粗的孔径起控制作用；而在脱湿过程中，只有当施加吸力s 大于细孑l 所 对应的毛细管力时，粗孔隙保持的水分才能被排出。显然细孔径的s 值比粗孔径 的大。试土水表面的接触角在吸湿和脱湿过程中不同，一般脱水过程的士水接触 角比吸水过程的接触角小，而接触角越小相应的吸力越大。土的水分的滞后现象 说明，土容易吸收水分，而不易于失去水分，因而土是天然的保持水分的介质。 土水特征曲线的滞后现象，使我们对土中水分的研究更加复杂。但在实际应 用中一般我们已经知道了土体的水分变化过程，例如降雨入渗时主要是吸水过程， 以吸湿曲线为主；而雨后一般伴随着较长时间的干燥过程，则以脱湿曲线为主。 在实际应用中依据具体情况选择特定的水分特征曲线进行分析。 5 土体密实度的影响 试验研究表明，基质吸力随密度的变化是明显的，含水量越低，这种变化越 明显。在含水量相同的情况下，当砂土从疏松状态逐级加密时，吸力值经历变小、 变大、又变小的过程。 此外，士体的膨胀收缩、吸附性离子的种类和数量等因素也影响土体水分特 征曲线。 2 4 非饱和土抗剪强度理论 2 4 1 综述 非饱和土的抗剪强度，因其试验技术复杂，使有关的理论研究进展缓慢，到 2 0 世纪5 0 年代后期至6 0 年代初期，随着有效应力原理在饱和土中的广泛应用， 人们也将它推广到非饱和土的研究中，其中最著名的是b i s h o p 在莫尔一库仑准则 西安建筑科技大学硕士论文 基础上提出了非饱和土的有效应力强度表达式： f ，= c + 0 。一“。) t a l l 妒。+ b ( u 。一“。) t a n 妒 ( 2 - 4 ) 式中，z 为经验系数，它与饱和度、应力路径及土的类型有关。该式中分别考虑 了孔隙气体和孔隙水对强度的影响。 b i s h o p 公式在很长一段时间内得到了岩土工程师的认同，但该式也存在明显 不足，尤其是工程应用较难。1 9 7 8 年，加拿大s a s k a t c h e w a n 大学的m o r g e n s t e m 和d g f r e l u n d 教授建议用两个独立的应力状态变量p 一) 和0 。一) 建立抗剪 强度表达式，从而将莫尔一库仑强度准则推广到以r ，、p u o ) 和0 。一) 为坐标 轴的三维空间，并提出另一个抗剪强度公式 r ，= c + p 。一”。) t a n q ，。+ 0 。一“。) t a n 0 6 ( 2 5 ) 式中：p 。一“。) 和q 。一“。) 作为两个独立的应力状态变量；矿为吸力内摩擦角。 在提, m , n - - n 论的初期曾假设t a n 矿对于同一种土样为常数，但1 9 8 8 年g a n 的研 究结果表明，t a n r 0 6 对于一个固定的土样也并非常数，而是与吸力有关的变数。当 土样接近饱和、吸力很小时，t a l l 矿的数值接近与饱和土的内摩擦角；但当土样的 饱和度降低，吸力增大时，t a n 妒6 的数值逐渐减小。不难看出，t a n f 0 6 与t a l l p 的相 互关系为t 趾矿= z t a n p ，其相互关系与b i s h o p 所得参数z 的变化规律基本一致。 这表明t a nq 9 6 = z t a n q 9 ，f r e d l u n d 公式与b i s h o p 公式的物理概念基本相同，其差 别只是在选用参数时分别采用了t a n p 6 和z 两种不同的形式。 最近几年国内也有一些学者提出过一些非饱和土的抗剪强度公式