非飽和土的強(qiáng)度及變形特性

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1、目錄1概述2非飽和土基本特性3應(yīng)力狀態(tài)變量3.1吸力3.2有效應(yīng)力3.3應(yīng)力狀態(tài)變量.4強(qiáng)度理論4.1Mohr一Coulomb準(zhǔn)則4.2非飽和土的破壞準(zhǔn)則4.3非飽和土抗剪強(qiáng)度公式的討論5變形特性巖土工程中的非飽和土比比皆是，主要是自然干燥土和壓實(shí)土。在地基工程、邊坡工程和洞室工程中尤為常見，因此研究非飽和土的性質(zhì)實(shí)屬必要。非飽和土力學(xué)涉及的一系列工程，如土壩的建造與運(yùn)行、環(huán)境條件變化情況下的天然土坡、豎直挖方的邊坡穩(wěn)定、膨脹土造成的地面隆起及濕陷性土中的許多實(shí)際問題，均要對土的滲流、體變和抗剪強(qiáng)度特性有所了解才能解決

2、。非飽和土是由固相、液相和氣相組成的復(fù)合介質(zhì)，其性質(zhì)遠(yuǎn)比飽和土復(fù)雜。目前對非飽和土的研究還停留在初步階段，對非飽和土力學(xué)涉及的實(shí)際問題還缺乏建立在非飽和土三相特性基礎(chǔ)之上的嚴(yán)密理論和正確解決方案。非飽和土分布廣，并且應(yīng)用廣，但對其特性研究不足的矛盾使得對非飽和土問題的解決成為日益緊迫的研究課題。1概述1936年召開的第一屆國際土力學(xué)和基礎(chǔ)工程會議為建立飽和土力學(xué)的原理和公式提供了論壇，這些原理和公式在隨后幾十年的研究工作中始終起著關(guān)鍵性的作用。在同一會議上討論了有關(guān)非飽和土性狀的許多論文，但遺憾的是沒有出現(xiàn)適用于非飽和

3、土的類似的原理和公式。隨后的歲月非飽和土理論發(fā)展緩慢（Fredlund,1979），一直到50年代后期，解釋非飽和土性狀的若干概念才在英國帝國大學(xué)建立起來（Bishop,1959）。20世紀(jì)60年代前，非飽和土力學(xué)研究的主要特點(diǎn)是以毛細(xì)作用為主要研究內(nèi)容。在30年代進(jìn)行大規(guī)模城市建設(shè)的時候，興建了大量與城市建設(shè)有關(guān)的灌溉工程和交通工程，使工程師感到困難的就是地下水位以上土體中水的流動問題。他們使用了毛細(xì)作用來描述水從地下水位向上的流動，以后對土中毛細(xì)水流動的研究至少長達(dá)20年。在1936年的國際會議上，Ostashev

4、提出了兩篇有關(guān)土中毛細(xì)作用的論文，他指出了土中存在毛細(xì)作用；Boulichev介紹了計(jì)算毛細(xì)水壓力和毛細(xì)水高度的方法。Terzaghi在《理論土力學(xué)》中總結(jié)和吸收Hogentogle和Barder的研究成果，假定土的孔隙率n和滲透系數(shù)k不變，提出毛細(xì)水上升到某個高度z所需要的時間t：式中：h——毛細(xì)水的最大高度。這一階段研究的主要精力都在毛細(xì)水，局限性明顯，因此研究進(jìn)展緩慢，所取得的成功有限。20世紀(jì)60年代到80年代末，這一階段研究的特點(diǎn)是將飽和土力學(xué)有關(guān)理論借用到非飽和土力學(xué)研究中，以Bishop和Fredlund

5、為代表。Hogentogle和Barder就已經(jīng)認(rèn)識到毛細(xì)水的應(yīng)力狀態(tài)對非飽和土強(qiáng)度的影響，并認(rèn)為毛細(xì)水的流動嚴(yán)格符合公認(rèn)的表面張力、重力和水力學(xué)原理；Bernatizk也已經(jīng)觀測到水-氣彎液面會使土的強(qiáng)度增加，并建議用土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度來研究毛細(xì)張力；Black和Crony（1957），Williams（1957），Bishop（1960）等和Aitchison（1967）將飽和土有效應(yīng)力原理引進(jìn)非飽和土中，提出非飽和土有效應(yīng)力的概念，并用其解決非飽和土的強(qiáng)度問題；Coleman（1962），Matyas和Radha

6、krishna（1968），以及Fredlund和Morgenstern（1977）用兩個獨(dú)立的應(yīng)力狀態(tài)變量來研究非飽和土的力學(xué)性質(zhì)。這階段對非飽和土強(qiáng)度問題取得一些公認(rèn)的結(jié)果，對變形問題還處于探索階段。20世紀(jì)80年代后，對非飽和土的變形進(jìn)行了更深入地研究。Alonso(1990)和Toll(1990)分別提出了土的彈塑性本構(gòu)模型；Alonso(1992)根據(jù)非飽和土（膨脹土）的變形特性提出了描述膨脹土體積和剪切變形的本構(gòu)模型；陳正漢（1998）和楊代泉（1992）提出了非飽和土的非線性彈性模型；Kohgo(1993

7、)，Wheeler(1995,1996)和Fredlund(1979)研究了非飽和土的一維固結(jié)理論；殷宗澤（1998）將三維固結(jié)理論簡化為二維。隨著非飽和土研究隨著非飽和土研究的深入，已逐漸認(rèn)識到建立非飽和土力學(xué)理論不能僅僅借用飽和土力學(xué)理論，必須用新的理論從新的角度對非飽和土進(jìn)行研究。徐永福(1999)用分形幾何理論研究了非飽和土的強(qiáng)度問題，建立非飽和土的強(qiáng)度理論和地基承載力理論。連續(xù)介質(zhì)力學(xué)也慢慢地開始成為非飽和土的研究基礎(chǔ)。各式各樣的工具也都開始成為研究非飽和土的有力武器，為非飽和土力學(xué)理論的進(jìn)一步發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)

8、的物質(zhì)基礎(chǔ)。2非飽和土基本特性非飽和土在土骨架形成的孔隙中有水和空氣。無孔隙水的非飽和土是干土，孔隙空氣是連通的，如風(fēng)干砂。無孔隙氣體的非飽和土是飽和土，孔隙水是連通的，如地下水位下的地基軟粘土。介于干土和飽和土之間的土則是非飽和土。通常定義非飽和土具有三相，即（1）固相，土粒；（2）液相，水；（3）氣相，空氣。更確切地說，非飽和