非饱和土力学研究现状与进展
非饱和土力学讲义(Fredlund在香港科大)chapter2ustmod
Soil Mechanics for Unsaturated Soils Professor Delwyn G. Fredlund
?The study of a multi-phase system such as an unsaturated soil, requires an understanding of the properties of each component phase. rties of each phase of an unsaturated soil; ii.) an understanding of the interaction between air and water; iii.) establishment of useful volume-mass relations for solving engineering problems. Additional notes:
Soil particles & contractile skin behave as solids Air & water behave as fluids ?An unsaturated soil is commonly referred to as a 3-phase system composed of: i.) solids (soil particles); ii.) water; iii.) iii.) air. ?The air-water interface (i.e., the contractile skin) warrants inclusion as an additional phase due to its unique and specific properties. ?The contractile skin interacts with the soil particles in an independent manner and can significantly change the mechanical behavior of an unsaturated soil. fore can be neglected in volume-mass relationships. ?The air phase might be present in an unsaturated soil either in a continuous or an occluded (bubbles) form. Additional notes:
非饱和土力学讲义(Fredlund在香港科大)chapter8ustmod
?The mechanical behavior of an unsaturated soil is directly affected by changes in the pore-air and pore-water pressures. Undrained loading of an unsaturated soil generates pore pressures in both the air and water phases. ?This chapter presents the pore-pressures generated as a result of the application of total stresses to the soil. ?The compressibility of air, water, and air-water mixtures is presented along with the compressibility of the soil structure which is summarized in the form of a constitutive relationship. ?The pore pressure response is expressed in terms of pore pressure parameters, which relate the development of pore-pressures to a change in total pressure applied to a soil mass. These parameters perform a useful role in visualizing unsaturated soil behavior.?Estimated pore pressures are required at the start of a transient consolidation type analysis. ?Comparisons between the predictions and measurements of pore pressures generated by applied loads are presented and discussed. ?This chapter addresses pore pressures generated under various loading conditions. Additional notes:
非饱和土力学作业
《非饱和土力学课程作业》 授课教师：詹良通 姓名：穆青翼 学号：21112085 日期：2012/6/25
非饱和土力学土坝渗流稳定分析 问题描述： 4m 10m 42m 14m 3m 大坝截面图（1） 有一水库土坝，尺寸如图所示。现在水库中的水位从4m 升至10m ，整个水位上升用时100个小时，水位上升高度随时间函数关系如下图。 时间（小时） 水位高度（米） 100小时4m 10m 19656小时 图（2）大坝水位上升时间曲线 大坝土吸力-体积含水量，吸力-渗透系数曲线如下图所示： 图（3）吸力-渗透系数曲线
图（4）吸力-体积含水量图 大坝土的力学参数指标如下表所示： 表1、大坝土物理参数指标 重度（kN/m3） 粘聚力（Kpa ） 内摩擦角（°） 17 20 20 试分析当水位由4m 升至10m 时，土坝中浸润面的变化情况，以及该土坝的稳定性？ 0.050.10.150.20.250.30.350.40.450.1 1 10 1001000100001000001000000 体积含水量 吸力（Kpa ）
问题求解 一、渗流分析求解： 1、4m 初始水位稳态分析 （1）建模、网格划分及材料性质输入： 图1.1.1 最终建模结果 图1.1.2 吸力—渗透系数关系 图1.1.3 吸力—体积含水量关系 依据题述模型尺寸建立如上模型,其中材料土水特性如上图所示，网格为四边形—三角形混合形式，大小为1m 。模型边界条件为左端红色线总水头4m ，右边蓝色线边界条件为总流量0m 3/s ，右端底坡脚点边界条件为总水头0m ，其余边界条件为软件默认不透水边界。 （2）模型计算结果： Distance 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 E l e v a t i o n Distance E l e v a t i o n
非饱和土力学-中国地质大学(武汉)
非饱和土力学 - 中国地质大学（武汉） 上课时间：上午9:00 - 中午12:00， 周一（6月20日）- 周五（6月24日） 办公时间：上午10:15 - 上午10:30，周一（6月20日）- 周五（6月24日） 讲学老师：卢宁（Ning Lu ）， ninglu@https://www.360docs.net/doc/5518221517.html, ，美国科罗拉多矿业大学 个人主页：https://www.360docs.net/doc/5518221517.html,/~ninglu/ 课程目标：介绍非饱和土的力学、水文地质与物理特征，及其在岩土工程、地质工程、环境工程以及水文地质研究领域中的应用。 教材：《非饱和土力学》；作者：N. Lu ，J. W. Likos ；John Wiley and Sons 出版社 2004年 课程大纲： 周一：上午 9:00-10:15 上午10:45-12:00 周二：上午 9:00-10:15 上午10:45-12:00 周三：上午 9:00-10:15 上午10:45-12:00 周四：上午 9:00-10:15 上午10:45-12:00 周五：上午 9:00-10:15 上午10:45-12:00 学员需要进行自主学习，每次课程开始前要求预习当日课程内容，从第二次课程起每次课程前十分钟为测验时间。 第一章：引言 第二章：材料变量 [阅读作业 #1：第一、二章] [课后作业 #1：第三、四章] 第三章：界面平衡 [课后作业讲解 #1] [阅读作业测验 #1，5分钟] 第四章：毛细作用 [课后作业 #2：第三、四章] [阅读作业 #2：第五、六章] 第五章：应力状态 [课后作业讲解 #2] [阅读作业测验 #2] 第六章：抗剪强度 [课后作业 #3：第五、六章] [阅读作业 #3：第八、九章] 第八章：恒定流 [课后作业讲解 #3] [阅读作业测验 #3] 第九章：瞬变流 [课后作业 #4：第八、九章] [阅读作业 #4：第十、十二章] 第十章：吸力测量 [课后作业讲解 #4] [阅读作业测验 #4] 第十二章：吸力与水力传导模型
非饱和土力学
石家庄铁道大学 研究生课程考试答题纸 培养单位土木工程学院 学科专业岩土工程 课程名称非饱和土力学 任课教师冯怀平 考试日期 2011-12-28 学生姓名李幸吉 学号 120110404 研究生学院 4 非饱和渗流场与应力场耦合分析
非饱和渗流场与应力场的耦合机制为：介质内渗流会产生渗透力，进而改变应力场及其分布；应力场的变化又引起介质孔隙率等的变化，从而改变其渗透系数及渗流场，这一点可以从考虑了应力的土-水特征曲线（即式（3））得到体现。从而两场是耦合的。目前，解决两场耦合问题常用的方法还是迭代解法。本文同样采用迭代的方法。该程序先假定一初始应力场，计算围压后，通过式（3）、式（7）计算渗透系数，即从考虑固结压力的土-水特征曲线入手，建立应力与渗透系数的关系，从而计算渗流场，实现两场耦合计算。其中，应力计算采用弹塑性有限元计算程序，非饱和径流-渗流耦合计算采用第3节中所述方法。笔者在现有程序基础上，自编两场耦合有限元分析程序CPSS，用于耦合分析。其计算流程图如图 1 所示。
目前在工程实践中渗流对土坡稳定的影响分析一般采用传统的极限平衡法(LEM) ,强度折减有限元方法也已成功用于分析干土坡的稳定性。Gri ffiths D V和Lane P A[1 ]分析了稳定渗流对土坝稳定性影响的算例,但文中假定土体内的浸润线为直线且没有采用非饱和渗流分析以及没有考虑非饱和区的影响。Cai F和Ugai K[2 ]采用该技术并结合非饱和非稳定渗流有限元程序用于分析降雨作用下的土坡稳定性。Lane P A和Gri ffiths D V[3 ]采用强度折减技术用于确定水位缓降以及水位刚骤降瞬时这两种极端情况的土坡稳定性,但其中没有考虑非饱和非稳定渗流的影响。黄茂松和贾苍琴[4 ,5 ]利用强度折减有限元方法分析了饱和- 非饱和非稳定渗流条件下土坝的安全系数,并与极限平衡法进行初步的比较。韦立德[6～8 ]先后研制了饱和稳定渗流下的强度折减有限元程序、饱和- 非饱和稳定渗流下的强度折减有限元程序、考虑泡水强度降低的饱和稳定渗流下的强度折减有限元程序和考虑饱和稳定渗流下饱和区膨胀变形的强度折减有限元程序等,并把程序计算结果和常规极限平衡法的计算结果进行对比,并得到了一些有价值的结论。 饱和- 非饱和渗流计算基本方程和耦合原理 基本方程 假设地下水渗流在微段压力梯度上遵从Darcy定律。对于稳定饱和- 非饱和渗流场(无内源时)的简单情况计算归结为求解满足边界条件的拟调和方程:
非饱和土力学(同济大学)
非饱和土力学 同济大学地下建筑与工程系 2006年10月
第一章绪论 非饱和土分布十分广泛，与工程实践紧密联系的地表土几乎都是非饱和土。干旱与半干旱地区，由于蒸发量大于降水量，地下水位较深，这些地区的表层土是严格意义上的非饱和土；土坝、铁路和公路路基填土，机场跑道的压实填土都是处于非饱和状态，亦即非饱和土；即使是港口平台、管道等离岸工程中所遇到的土，往往是含生物气的海相沉积土，其孔隙中含有以大气泡（气泡直径远大于土粒直径）形式存在于孔隙中的生物气；另外，在地下水面附近的高饱和土体，其孔隙水中溶解了部分以小气泡（气泡直径与土粒粒径相当）形式存在于孔隙中的气体，土体卸载以后（取样或开挖等），溶解于孔隙水中的气体逸出，以气泡形式存在于孔隙水中，这两种含气泡的土也应属于非饱和土。可见，非饱和土才是工程实践中经常遇到的土，饱和土是非饱和土的特例，真正意义上的饱和土在工程实践中很少见到。 土力学发展至今，已形成了一套完善、独立的理论体系。然而，迄今为止的土力学主要是把其研究对象——土，视为两相体，即认为土是由土粒和孔隙水组成。严格的讲，迄今为止的土力学只能称之为饱和土力学。然而，实际工程中遇到的土多是以三相状态(土粒、孔隙水、孔隙气)存在。经典的饱和土力学原理与概念并不完全符台其实际性状。有人甚至认为在土中水一气的结合面上还存在第4相一水气结合膜。土中气相的存在，使得土体性质复杂、性状多变。将土作为饱和土对大多数工程来讲是一种合理的简化，但是，随着研究的逐渐深入，人们已经注意到，对于某些特殊区域或特殊性质的土，这种简化将造成研究理论的失误。如在膨胀土地基基础的设计中。如果单纯按照膨胀土的现有强度进行设计，则有可能将强度参数估计过高，不安全；如果按其最低强度进行设计，又将造成浪费。因此，合理地提出膨胀土在不同状态下的强度参数是工程的客观需要。此外，膨胀土等非饱和土的变形性能也随饱和度而变化。这些问题都是饱和土力学难以解决的。由此观之，按多相(非饱和)状态下研究土体的工程力学性质是土力学发展的趋势。 一、非饱和土的四相性 一般说来，根据饱和度和饱和介质，土可分为四类： ①两相饱和土：包括土颗粒和充满所有孔隙的水； ②三相饱和土：包括土颗粒、水和以封闭气泡形式存在的空气； ③三相非饱和土：包括土颗粒、水和连通的空气； ④四相非饱和土：包括土颗粒、水、空气和结合水膜。 非饱和土力学研究的主要对象为非饱和土，就是由土粒（固相）、孔隙水（液相）、孔隙气（气相）和液-气交界面构成的四相体系（Fredlund, 1993）。我们常说的非饱和土就是四相非饱和土，其中的结合水膜将是影响这类土体性态的关键因素。非饱和土的气-液相交界面的性质既不同于水，也不同于气体，是一个独立的相，该相在表面化学里被称为收缩膜，是非饱和土中的第四相。非饱和土的孔隙水和孔隙气的形态与非饱和土的含水量（饱和度）密切相关，因此可以根据非饱和土的孔隙气和孔隙水的形态将非饱和土分为不同的类型。俞基培和陈愈炯用高柱法试验、渗透试验和击实试验研究了非饱和击实粘土的孔隙气和孔隙水的形态，将非饱和土分为三类：水封闭型、双开敞型和气闭型。Barden（1965）将非饱和土分为五种类型，各类土之间的饱和界限分别为：①S<50%；②50%≤S<90%；③S=90%，w=w opt （w opt为最优含水量）；④90%
非饱和土及土动力学复习题
《非饱和土力学及土动力学》复习思考题 1．试述吸力的概念、种类及其定义。 能使土中水移动的除了重力、压力、荷载之外就是吸力。它是吸引水移动的一种能力，反应土中水的自由能状态。根据相对湿度确定土中吸力通常称为“总吸力”，由两个部分组成：基质吸力和渗透吸力（溶质吸力）。 基质吸力为土中水自由能的毛细部分，它是通过测量土中水处于平衡的部分蒸汽压而确定的等值吸力。 渗透吸力为土中水自由能的溶质部分，是通过测量与溶液处于平衡的蒸汽压而确定的等值吸力。 2．非饱和土的强度与哪些因素有关？何为双参数理论？ 认为土强度指标c和fai中是一个确定的值，是指饱和土强度指标，试验时要将土样浸水饱和。如果试样不泡水饱和，测得的强度指标将是变量，随土的饱和度而变．饱和度愈低．强度指标愈高。在不排气、不排水条件下，ua和uw都随外力的增加而增加. 非饱和土的抗剪强度: 非饱和土的强度是由有效凝聚力c’，外荷引起的有效应力(σ-ua)产生的剪阻力，内部有效应力(ua-uw=s)产生的剪阻力，三部分组成的。 非饱和土的强度表达式： 双参数理论：在非饱和土体内任一平面上有三个法向应力变量，即σ，ua和uw。而三个变量中任两个的组合可用来规定非饱和土的应力状态。可能的组合有： (σ-uw)和(ua-uw)，(σ-ua)和(ua-uw)，(σ-ua)和(σ-uw)。非饱和土的强度和变形可用上述任一组合表达。Fredlund推荐用(σ-ua)和(ua-uw)的组合，这是因为在大多数实际问题中孔隙气压力是大气压力，因而，总应力变化和孔隙水压力变化的影响可以分开考虑。 3. 产生湿化变形的原因。 土中水含量的数值对吸力有很大的影响，进而对土的特性有很大的影响。因非饱和土浸水而使吸力减少，使土体产生加大变形，土体软化，称为非饱和土湿化。 4．非饱和土用的三轴仪与饱和土用三轴仪，有哪些不一样？ ①它必须能分别测量或控制孔隙水压力和孔隙气压力，从而得出吸力。这就要用陶土板讲孔隙水压和孔隙气压分开来测。②它不能依据试样排出的水量来推出试样的体积变形，试样非饱和，受荷后除了排水还要排气，它必须用另外途径来推出试样的体积变形，有两种方式，一是利用压力室水体积的变化来测体积变形，另一种是利用位移传感器测试试样高度和周长的变化。 5. 何为土的水分特征曲线？怎么表示？
非饱和土
非饱和土基质吸力量测试验研究与探讨 摘要：土－水特征曲线能够解释非饱和土力学的许多力学特性。土－水特征曲线的获取依赖于试验设备、试验技术、试验方法，土－水特征曲线的准确获取能够促进非饱和土力学的发展。结合目前的非饱和土力学研究，对现有主要非饱和基质吸力量测试验进行了归纳总结。关键词：非饱和土；土－水特征曲线；基质吸力；量测试验 0 引言 非饱和土已是目前国内外土力学研究的热点和难点，其应用范围越来越广，诸如边坡工程，路基工程，基坑工程，河堤工程，湿陷性黄土，膨胀土及核废料封堵材料等领域。非饱和土的土水特征曲线是解释非饱和土工程现象的一项本构关系，一切非饱和土的基本特性研究均通过吸力作为内在联系的纽带。非饱和土力学的发展对测试手段和仪器设备依赖性更为强烈。以前试验测试落后是非饱和土力学发展迟缓的原因之一。上世纪80 年代以来，现代测试技术及计算机技术的发展，是非饱和土得以发展的基础之一。因此，测试设备及准确试验数据资料是非饱和土力学研究的重要前提和基础。目前，非饱和土的基质吸力量测仍受到测试设备的制约。 1 土水特征曲线 土－水特征曲线( SWCC) 是指土中基质吸力ψ( ua－uw )与体积含水率θ w( Vw /V)或重力含水率Ww( gw /g)或饱和度S( Vw /V)之间的函数关系。它是用来解释非饱和土性状的主要本构关系。它将理论、实验测试与预测方法有机地联系起来。非饱和土的土－水特征曲线对于研究非饱和土力学性质、渗透系数、抗剪强度有重要意义。 2 量测基质吸力的方法 室内土－水特征曲线量测可分两个部分，大致以1500kPa 为界。对于基质吸力范围0～10000 kPa 并不都是最优的，有些方法还有待进一步改进，对于高吸力范围的基质吸力量测采用饱和盐溶液法(气相法)。 2. 1 张力计法 张力计由陶土头、腔体、集气室、计量指标器等部件组成。陶土头是仪器的感应部件，具有许多微小的孔隙，陶土头被水浸润后，在孔隙中形成一层水膜。当充满水且密封的张力计插入水分不饱和的待测土体中，水膜就与待测土体发生水力联系。直至两个系统的水势平衡。当忽略了重力势、温度势、溶质势后，系