非饱和土土力学(新)

主讲人：倪万魁,非饱和土土力学,参考书：1.弗雷德隆德（Fredlund,D.G）、拉哈尔佐（Rahardjo,H.)著,陈仲颐、张在明等合译，非饱和土土力学，中国建筑工业出版社，1997.82.卢宁（NingLu)、WilliamJ.Likos著，韦昌富、侯龙、简文星译，非饱和土力学，高等教育出版社，2012.6,1、传统土力学理论都是针对饱和土建立的，对非饱和土无能为力，只能称之为饱和土力学,传统（经典）土力学的局限,两相介质(固体和液体)只涉及土的变形，不考虑水量的变化（因为对饱和土）唯一应力状态变量有效应力用总应力或有效应力分析,库仑公式本构模型DucanChang模型，剑桥模型,传统（经典）土力学的局限,强度理论与本构模型,屈服面,极限状态面,传统（经典）土力学的局限,固结理论,(Lambe&Whitman,1969),1-Dconsolidation,3-Dconsolidation,Biot(elastic),固结理论,Conservationofwatermass,3-Dconsolidation,Conservationofsolidmass,Equilibrium,平衡方程,Darcyslaw,Mechanicalconstitutivelaw,固结本构方程,传统（经典）土力学的局限,2、固结变形和强度分析中有效应力的表现形式是不一致的,传统（经典）土力学的局限,强度分析：,固结变形分析：,3、现有土工试验仪器主要是针对饱和土设计的,试验数据按饱和土相关理论来整理，不符合实际情况。不能测负孔隙水压力。未考虑气相影响。,传统（经典）土力学的局限,单轴压缩,三轴压缩,非饱和土物质组成：固体、气体和液体,非饱和土土力学理论,固体,气体,液体,空隙度,饱和度,非饱和土为固、液、气相及收缩膜组成的四相介质,非饱和土土力学理论,存在一个新的应力状态变量：吸力,非饱和土土力学理论,式中为总势能,为基质势，由土粒对水的吸引力引起；,为溶质势，由溶解盐离子的作用力产生；,为重力式；,为气压势。,基质吸力,非饱和土存在双应力状态变量：净正应力和基质吸力,非饱和土土力学理论,吸力随含水量变化，其表现形式不同,非饱和土土力学理论,在第阶段，土体处于饱和状态，土孔隙中为能够传递压力的自由水，没有水-气接触面存在，也没有由表面张力产生的毛细应力。,第阶段，为毛细作用发挥阶段。当基质吸力超过最大空气进气值，土体开始进入非饱和状态，含水率从饱和含水率变化到塑限含水率，毛细应力开始快速增加。,第阶段，为水膜吸附作用阶段。土体中的水主要为结合水，弱结合水膜变薄。孔隙水和孔隙气处于双封闭状态。这一阶段的特点是固-液之间短程作用力（范德华力、双电层力和化学吸附力）快速增大。,进入第阶段，也就是牢固吸附阶段。土体中的水为强结合水，孔隙气处于连通状态。粒间作用力主要为化学键力。,非饱和土土力学理论,吸力随含水量变化，其表现形式不同,非饱和土土力学理论,吸力随含水量变化，其表现形式不同,1、非饱和土应力状态,非饱和土土力学理论,非饱和土的应力应变,2、非饱和土的有效应力,非饱和土土力学理论,Fredlund(1978),2、非饱和土的有效应力,非饱和土土力学理论,LuNing(2001),非饱和土中的基质吸力与吸应力非饱和土和饱和土系统中都有三种作用力：,颗粒传递的骨架作用力（型）,颗粒接触点或面上的作用力（型）,颗粒与颗粒之间的接触作用力（型）,范德华力,胶结作用力,双电层斥力,毛细作用力,负的孔隙水压力,饱和状态,非饱和状态,2、非饱和土的有效应力,非饱和土土力学理论,LuNing(2001),吸应力,在非饱和土中孔隙压力不再是一个中性压力。由于土的不饱和，系统通过水-空气-土壤系统中的液相和气相相互作用，孔隙压力可分成三种作用力：（1）作用于干燥或者湿润的土颗粒表面的空气压力；（2）作用于靠近湿润颗粒表面的弯液面的水压力；（3）作用于水-气接触面的表面张力。,毕肖普定义的非饱和土有效应力没有切实考虑物理化学机制和表面张力机制中的颗粒间应力，概念并不是十分明确。,3、非饱和土的强度理论,非饱和土土力学理论,（1）Bishop的抗剪强度公式,3、非饱和土的强度理论,非饱和土土力学理论,（2）Fredlund的抗剪强度公式,3、非饱和土的强度理论,非饱和土土力学理论,（2）Fredlund的抗剪强度公式,基于土水特征曲线的表达式,3、非饱和土的强度理论,非饱和土土力学理论,（3）LuNing的强度公式,将摩尔-库伦理论进行扩展，认为土在饱和及非饱和时，其摩擦角变化不大，主要是粘聚力随含水量在变化。明确了粘聚力的物理含义。,3、非饱和土的强度理论,非饱和土土力学理论,（4）直接用含水量表示的抗剪强度公式,缪林昌结合Bishop公式和Fredlund公式，直接用含水量或饱和度来表示非饱和土的强度：,（5）陈正汉等认为，土的强度随温度和吸力的升高而增大，重塑黄土的凝聚力随吸力增加而提高，内摩擦角则基本不变，据此建立了土的广义抗剪强度公式：,温度的影响,吸力的影响,3、非饱和土的强度理论,非饱和土土力学理论,4、非饱和土的应力应变关系及本构模型,非饱和土土力学理论,Fredlund和Morganstern(1976)、Fredlund(1979)提出了基于双应力变量和的弹性应力应变关系：,（1）弹性模型,由引起的土骨架的压缩系数；,由引起的压缩系数。,陈正汉等以弹性理论为基础，充分考虑了基质吸力对非饱和土的强度、变形和水量变化的影响，建立了比较完整的非饱和土的非线性本构模型，包括土骨架变形和水量变化两个方面；共13个材料参数，都有确定的物理意义和几何意义，广泛应用的Duncan-Chang模型是其在基质吸力为零时的特例。,起始模量、体积模量、土骨架和水量变化都与吸力有关,4、非饱和土的应力应变关系及本构模型,非饱和土土力学理论,（2）非线性弹性模型,屈服点的轨迹在p-s面内是一条曲线，在p-q面内随吸力增加向外扩展，据此构建非饱和土的统一屈服面模型。,p-s平面的屈服轨迹p-q平面的屈服轨迹统一屈服面模型,吸力的影响,非饱和土土力学理论,4、非饱和土的应力应变关系及本构模型,（3）弹塑性模型（陈正汉）,非饱和土土力学理论,4、非饱和土的应力应变关系及本构模型,（3）弹塑性模型（ShengDaichao）,非饱和土应力应变关系,非饱和土土力学理论,4、非饱和土的应力应变关系及本构模型,（3）弹塑性模型（ShengDaichao）,非饱和土应力应变关系,非饱和土土力学理论,4、非饱和土的应力应变关系及本构模型,（3）弹塑性模型（ShengDaichao）,非饱和土应力应变关系,非饱和土土力学理论,4、非饱和土的应力应变关系及本构模型,（3）弹塑性模型（ShengDaichao）,非饱和土应力应变关系,前期固结压力,残余吸力,非饱和土土力学理论,4、非饱和土的应力应变关系及本构模型,（3）弹塑性模型（ShengDaichao）,屈服面方程,接近饱和时吸力,饱和时屈服压力,参考压力,表观张应力（抗拉强度）,非饱和土土力学理论,4、非饱和土的应力应变关系及本构模型,（3）弹塑性模型（ShengDaichao）,屈服面方程,非饱和土土力学理论,4、非饱和土的应力应变关系及本构模型,（3）弹塑性模型（ShengDaichao）,屈服面方程,非饱和土土力学理论,4、非饱和土的应力应变关系及本构模型,（3）弹塑性模型（ShengDaichao）,减湿（干缩）土水特征线方程,增湿（膨胀）土水特征线方程,干湿循环下塑性应变增量方程,非饱和土土力学理论,4、非饱和土的应力应变关系及本构模型,（3）弹塑性模型（ShengDaichao）,屈服面方程,广义剑桥模型,非饱和土土力学理论,4、非饱和土的应力应变关系及本构模型,（3）弹塑性模型（ShengDaichao）,硬化定律,非饱和土土力学理论,4、非饱和土的应力应变关系及本构模型,（3）弹塑性模型（ShengDaichao）,弹塑性增量方程,非饱和土土力学理论,4、非饱和土的应力应变关系及本构模型,（3）弹塑性模型（ShengDaichao）,模型参数,5、非饱和土的固结理论,非饱和土土力学理论,（1）压缩试验曲线及方程,Fredlund等人研究一维加载条件和三向等压加载条件，认为孔隙比与应力状态变量和存在如下函数关系：,为对应正应力的压缩指数；,为对应吸力的压缩指数，下标0表示初始应力状态。,非饱和土土力学理论,（2）增湿下的湿陷变形,5、非饱和土的固结理论,非饱和土土力学理论,5、非饱和土的固结理论,（2）增湿下的湿陷变形,非饱和土土力学理论,（3）干湿循环下的收缩、膨胀变形,5、非饱和土的固结理论,非饱和土土力学理论,5、非饱和土的固结理论,（3）干湿循环下的收缩、膨胀变形,非饱和土土力学理论,5、非饱和土的固结理论,（3）干湿循环下的收缩、膨胀变形,非饱和土土力学理论,5、非饱和土的固结理论,非饱和土固结问题非常复杂三相运动（土骨架变形、排水、排气、气体压缩）多场耦合（应力、应变、水压、气压、渗流）随空间和时间过程变化,水渗流方程,气体流动方程,非饱和土试验设备的研制与开发,非饱和土小型三轴仪,三轴渗气装置,非饱和土固结仪和直剪仪2001,非饱和土水平土柱渗透试验,温控三轴仪,多功能三轴仪,改进的压力板仪改进的三向胀缩仪,研究湿化变形规律及其模型确定计算湿化变形模型参数,GDS压力/体积控制器,二元双层压力室底座,控制板（其后有步进电机）,地基浸水试验（最大湿陷量2.7