非饱和土理论的分析研究.doc

非饱和土理论的分析研究摘要:介绍了目前岩土工程界提出的非饱和土抗剪强度公式。同时还对Bishop、Fredlund和卢肇钧提出的抗剪强度公式中的参数测试方法进行分析,指出各种抗剪强度理论在概念上都是相同的,其区别仅在于确定由吸力产生的那部分有效应力时采用的参数和测试方法不同。 关键词:非饱和土;抗剪强度 一、土力学的发展历程18世纪中期以前人类的建筑工程实践主要是根据建筑者的经验进行的。18世纪中叶至20世纪初期工程建筑事业迅猛发展许多学者相继总结前人和自己实践经验发表了迄今仍然行之有效的多方面的重要研究成果。例如法国的 C.-A.de库仑发表了土压力滑动楔体理论(1773)和土的抗剪强度准则(1776)法国的H.P.G.达西在研究水在砂土中渗透的基础上提出了著名线性渗透定律(1856)英国的W.J.M.兰金分析半无限空间土体在自重作用下达到极限平衡状态时的应力条件提出了另一著名的土压力理论与库仑理论一起构成了古典土压力理论法国的J.V.博西内斯克(1885)提出的半无限弹性体中应力分布的计算公式成为地基土体中应力分布的重要计算方法德国的O.莫尔(1900)提出了至今仍广泛应用的土的强度理论19世纪末至20世纪初期瑞典的A.M.阿特贝里提出了黏性土的塑性界限和按塑性指数的分类至今仍在实践中广泛应用。1925年奥地利的K.太沙基出版了世界上第一部土力学是土力学作为一个完整独立学科已经形成的重要标志在此专著中他提出了著名的有效压力理论。此后在土的基本性质和动力特性固结理论和强度理论的研究流变理论的应用土体稳定性分析方法以及试验技术和设备等方面都有很大的发展使土力学得到进一步的完善和提高。20世纪中叶非饱和土力学研究的复苏是土力学发展中又一具有长远影响的事件。岩土工程中遇到的土大多数处于非饱和状态,非饱和土的工程性质已成为20世纪90年代以来国际土力学界研究的热点问题之一。地球上大部分的表层土均处于非饱和状态，不仅在那些干旱和半干旱地区,就是在河、海附近 地区的土层也可能处于非饱和状态,例如海洋底下含油或含气的沉积物。另外工程建设中常遇到 的压实土层(如土石坝、路基、压实粘土衬垫等)也是非饱和的。土力学是以土和由其构成的土体为研究对角，研究土的特性及土体受自土的自重、建筑物荷截、水的浮力、静水压力、动水压力、基础掉过去和地震等诸多方面的力）后，应力、变形、强度和稳定性的学科。它是力学的一个分支，是为解决建筑物的地基、土工建筑物和地下结构物的工程问题服务的。近年来，大型水利工程（如葛洲坝工程、黄河小浪底工程、举世瞩目的三峡工程和南水北调工程）、蓬勃发展的港口航道与海岸工程、海洋石油工程以及工业与民用建筑工程的兴建，为本学科的发展和应用提供了广阔的基地。土的抗剪强度是土的一个重要力学性质,它的准确确定对土坡和地基稳定分析及土压力计算至关重要。Mohr-Coulomb强度理论可非常准确的确定饱和土的抗剪强度,这早已被实验和工程实践所证实,但20世纪中叶以前岩土工程界一直近似的应用饱和土的Mohr-Coulomb强度公式确定非饱和土的抗剪强度。20世纪中叶以后随着非饱和土力学研究的复苏和深入,国内外许多学者通过实验研究非饱和土的抗剪强度,总结出了各自的非饱和土抗剪强度理论和公式,并逐步应用于岩土工程实践。综上所述，土力学及基础工程是一门应用科学是为基本建设服务的科学技术。土力学及基础工程的发展离不开一个国家的经济建设。20世纪60年代全球范围的地震，带动了土动力学，特别是砂土液化的研究和发展；地基加固技术的发展离不开地质地理环境和经济发展要求；近海油田的开发带动了近海岩土工程的发展；其它如环境岩土工程等的兴起，这些都是社会经济建设要求的产物。二、非饱和土研究的主要内容及意义干旱及半干旱地区的土都属于非饱和土状态，在我们实际遇到的工程中大部分是和非饱和土分不开的，如土坝、公路、铁路、机场跑道工程中的压实土及我国“南水北调”碰到膨胀土、残积土、湿胀性土、北方的冻土、人工填土等都属于非饱和土的范畴。非饱和土视为三相体或四相体（土颗粒，孔隙水，孔隙气（及水气收缩膜），土中气相及基质吸力的存在，是饱和与非饱和土本质得差别，也是使得非饱和土的性质更加的复杂内在因素。非饱和土研究的主要内容：（1）非饱和土的力学理论：应力理论、渗流理论、强度理论、本构理论、固结理论、土压力理论和承载力理论；（2）量测技术：土中吸力的量测；（3）土水特征曲线；（4）非饱和土理论应用的新方向。非饱和土研究的现实意义及工程意义：（1）路堤及土坝等工程填筑中的孔隙压力堤坝等工程孔隙压力的消散、因孔隙气体的存在而发生的变形、蓄水后水位变化而堤坝土的固结等都不能用经典土力学理论 解释；（2）边坡稳定天然边坡的稳定随时间、气候、降雨量等因素的变化而变化，特别的对于长时间的降雨后的边坡稳定性不能用常规的方法分析，需考虑到土体含水量的变化。（3）深基坑等竖直挖方中的支护设计由于开挖使得地下水位下降，基坑土体在一定的范围内成为非饱和土体，短期内土体的抗剪强度增加，随着时间的增长，土中的吸力又会非饱和区内的孔隙水压力增加，土体的抗剪强度降低，最终导致基坑失稳；（4）挡土墙和桩顶地梁上的测向土压力计算常规的主、被动土压力是按照饱和土力学理论计算的，而实际墙后的土体通常位非饱和土，且还应当考虑墙后土体浸湿后所引起的侧向土压力。三、非饱和土研究存在的趋势目前国际和国内的非饱和土研究来看,主要存在三种趋势。(1)从宏观和微观的层面上对非饱和土的基本特性和工程性状进行较为本质的研究。从根本上认识非饱和土的真实面目和各种性状,包括其物质组成(矿物成分和胶结物质)、结构(struc2ture)和组构(fabric)(包括孔隙研究)、应力变量(stressvariables)、体积变化、抗剪强度和剪切刚度特性、吸力变化对土的含水率、水的流动以及变形的影响,然后在认识其面目和行为的基础上再建立相关的本构关系和各种计算公式,并进行数值模拟。(2)把非饱和土的研究尽量与现有的饱和土力学的原理、方法和成果联系起来,即在现有饱和土的有关原理的基础上考虑一定的非饱和土特性指标,形成“modified”新公式,以便尽快在工程实际问题中得到应用。(3)在非饱和土的特性进行研究和认识的过程中,同时加强与工程问题的衔接,建立既反映了非饱和土主要特性,同时在形式上也比较简便的实用分析和计算方法,并尽量在工程中应用。总之,非饱和土的合理研究途径应当首先研究非饱和土基本特性,尤其是水和气在土中孔隙中的迁移规律为前提,在基本弄清其力学性状的基础上,联系非饱和土工程中各种可能的相关特性,如体变特性,强度特性,水气运动特性等建立符合非饱和土本来面目的本构模型和其它关系,建立数值分析方法和实用计算方法,并在工程中应用、验证和进一步完善。参考文献:1Fredlund D G,Rahardjo H;陈仲颐,张在明,陈愈炯,等(译).非饱和土土力学M.北京:中国建筑工业出版社,1997.2卢肇钧.非饱和土抗剪强