非饱和土有效应力

非饱和土有效应力的新探讨 一 对于非饱和土 有效应力问题的研究既要遵循著名的饱和土有效应力的实质性原则 有效应力应是由土骨架传递并能引起土变形和强度变化的应力 又要考虑非饱和土一系列的特殊性质 三相性与结构性 1 从固相角度分析 仅由土骨架传递 但不能使土发生变形的应力不能视为完整意义上的有效应力非饱和土的有效应力应是骨架传递的应力和结构性阻抗应力之差骨架传递的应力达到结构性阻抗应力才是非饱和土有效应力的起点 2 从液相角度分析 非饱和土孔隙流体中的液相与在饱和土中唯一存在的孔隙水不同 它不能均衡地作用在土粒周围 即不能只显示中性压力的作用 而不参与土骨架的变形和强度 3 从气相角度分析 非饱和土孔隙流体中的气相 具有非常明显的可压缩性 它的存在使土在没有水和气排出时 也会使土骨架在有外荷作用时 立即承受一部分相应的荷载 4 从三相综合分析 当外荷作用后 土骨架会立即承受一部分荷载 到这个荷载开始超过土的结构性阻抗应力时 才会使土开始发生变形 此后 荷载的增长将首先使孔隙气相发生压缩 导致土的变形 土变形过程中 孔隙气压力 孔隙水压力或水 气交界面 或收缩膜所受的表面张力 要发生新的调整达到新的平衡 荷载的逐级增长均会引起有效应力与水 气应力成分之间在量上的逐级调整 对应于每级荷载都有一个达到平衡时的有效应力与孔隙压力 这时的孔隙压力才具有中和应力的性质 可称为综合流体压力或等效孔隙压力 因此 孔隙水压力和孔隙气压力作用是非偏性应力 它们对骨架的作用 因其一般分别作用于它与土粒部分的 不等的 而且是非对称的接触面上 故它们对土变形的影响并不能显示出非偏性应力的特性 而是作用力系中一种既有方向性 又有动态变化性的力 会影响到综合应力状态 或球应力和偏应力的变化 即不应一般地将它们的差值再视为非偏性应力 只有当它们在量上通过与实际情况相一致的调整后所形成的非有效应力部分 即综合流体压力 或等效孔隙压力才可视为非偏性应力 5 非饱和土的有效应力可以写为 式中为外荷引起的总应力为土结构性的阻抗应力为土的有效应力为综合孔隙流体应力 等效孔隙应力 对于饱和土 如结构阻抗应力很小 可以忽略不计时 有 得即著名的饱和土有效应力原理的表达式 二 土受到外荷后的有效应力状态与土性相关应是松散多孔多相介质有别于其它固体连续介质的基本特性 1 饱和土的有效应力原理 提示了碎散颗粒材料与连续固体材料在应力 应变关系上的重大区别 是土力学成为一门独立学科的重要标志 它的根本特点是界定了饱和土有效应力这一重要的概念 使与土性变化无关的总应力和与土性变化密切相关的孔隙水压力联系了起来 2 对于非饱和土 有效应力也不例外地必须与土性变化所对应的应力变化相联系 这不仅应无可非议 而且是必由之路 如果对饱和土体 要确定它的有效应力就必须先把压缩定理 实际上是应力 应变关系 引入 并通过固结理论来求得孔隙水压力 太沙基的渗透固结理论正是这种处理方法的典型 那么 对非饱和土体 要确定它的有效应力也就必须先通过把相应的本构关系 平衡条件 尤其是水 气的连续条件相联系的非饱和土固结理论来求解符合调整平衡条件 即综合孔隙流体应力条件的孔隙水压力和孔隙气压力 因此 对饱和土和非饱和土 只要承识它是松散 多孔 多相介质 真正的有效应力必须与上述同本构关系等一系列条件相协调的孔隙水压力和孔隙气压力相联系 间接地将本构关系引入了有效应力 换句话说 有效应力的大小应与变形的大小 应力路径及增湿 减湿的变化有关 试验按变形与强度确定得到的有效应力会有明显的不同正好表明了这一种基本特性的存在 三 对于非饱和土 结构性也像收缩膜一样同样都是需要正确面对的重要因素 结构性阻抗应力来源于土经过不同的沉积环境和应力应变历史所形成的湿密构状态下所具有的吸力 基质吸力及渗透吸力 胶结力和嵌固力 咬合力 等的综合作用 它们在性质上都具有一定抵抗土发生变形的能力 亦可称为广义吸力 或更确切地称为广义结构强度 从概念上对各种结构阻抗应力的成分可以而且必需作出明显的区分 以便揭示结构性阻抗应力的本质 避免片面性 但在实际上要将它们一一区分并加以量测不仅是相当困难的 而且是没有必要的 考虑到这种广义结构强度的性质 就不难理解用Bishop的有效应力公式整理试验资料时 会出现 值大于1或小于零 Donald的试验会得出砂土在吸力增大并超过某一数值后抗剪强度会出现下降 以及浸水使湿陷性黄土的吸力降低 却会出现大量附加变形等现象的根据所在 四 对于非饱和土 吸力是一种只能由它自身的基本物理本质因素 即粒度 密度 湿度和构度所决定的属性力 只有土的本质因素改变 输入 才引起吸力的改变 输出 人为地用改变孔隙水压力或孔隙气压力使土的吸力改变到某一数值 可以来源于不同的输入 即孔隙水压力或孔隙气压力的变化可以来源于不同的原因 这不同的原因会导致土物理本质有不同的改变 同一个孔隙水压力可来自增湿过程和减湿过程 但它们对变形的影响绝不是等同的 同一个孔隙气压力可来自土的不排水压密和湿度的增长 但它们对变形的影响也绝不是相等地 因为只控制孔隙气压力和孔隙水压的差值相等时 水 气压力对非饱和土骨架的非均匀对称作用不能不使土性随不同具体变化条件而发生差异 如果加卸荷或增减湿是对土体系统的输入 那么孔隙水压力 孔隙气压力 变形与变形后的结构状况都是与它相应并具确定性的输出 把输出量的一个或几个作人为地改变 参与输入作用 对三相系统材料的特性会带来违反自然的歪曲 这就不能不使人惑疑所谓 等吸力试验 这样作为双应力变量理论测试与应用支柱的合理性 五 对于非饱和土 由于其孔隙大小分布的非均匀性 往往在非饱和土中存留着一定数量的饱和区 加上通常的应力状态研究也总是把应力作为一个平均量的概念 通常一切力系所产生的应力均按平均概念来考虑 并注意力的大小 方向和作用点三个要素和力的分解原则 六 对非饱和土 应同时考虑它的结构性和它的三相性 但关键性的困难问题主要在于因气相存在而出现的水气交界面对有效作用力系的影响 因此 对与收缩膜有关各力的作用必须在概念上正确地作出清理 早年用毛细压力代替收缩膜作用的作法已因其偏面性而逐渐被抛弃 将收缩膜张力分解为土粒中心连线方向的法向分量 湿吸力 和沿粒膜接触点切线方向的切向分量 牵引力 或分解为水平分量和垂直分量的思路 提示了收缩膜张力对土粒间滑动所具有的实际作用 纠正了只用竖向分量毛细压力代替收缩膜作用的片面性 但在对收缩膜作用作了如上考虑之后 无需再重复计入通常意义上的基质吸力作用 它们只不过是一种效用的不同反映方式 而前者具有更加完整的视野 事实上 作为水气交界面的收缩膜可以不与土颗粒相接触 气泡形态时 此时 它对土骨架的影响 只能通过收缩膜两侧的 内外的 孔隙气和孔隙水在维持收缩膜平衡条件时所形成的孔隙气压力和孔隙水压力来体现 收缩膜本身的力仍然等于表面张力 一般绝大多数的非饱和土 含水量较小 收缩膜总要和土颗粒相接触 可以视为通过粒膜接触点处土粒对水的吸附而挂在土骨架上作用 并将收缩膜中的表面张力传递给土骨架 对土施加影响 这种收缩膜对土粒作用力的大小仍应等于此时的表面张力 但作用方向与由固体材料性质等因素决定的接触角 视增湿和脱湿可以为推进角和撤退角 有关 不管接触角多大 收缩膜对土粒的作用力总可以由粒膜接触点上作用的竖向 横向和侧向的三个分量来反映 它们与作用在粒粒接触点上的胶结力C和作用在粒粒交错面上的咬合力E的相应分量一起构成了土的结构性阻抗力 即R T C E R再同有效力 共同构成了土骨架所分担的荷载力P 即 P R 对一个单位面积的应力来说 总应力除土骨架分担的应力外 还有孔隙水分担的应力和孔隙气分担的应力 即有 如果利用这种概念写出竖向V 横向H和侧向L三个面上的力和应力的关系式 则有式中i j