非饱和土的强度及变形特性

目录
1概述
2非饱和土基本特性
3应力状态变量
3.1吸力
3.2有效应力
3.3应力状态变量.
4强度理论
4.1Mohr一Coulomb准则
4.2非饱和土的破坏准则
4.3非饱和土抗剪强度公式的讨论
5变形特性
岩土工程中的非饱和土比比皆是，主要是自然干燥土和压实土。

在地基工程、边坡工程和洞室工程中尤为常见，因此研究非饱和土的性质实属必要。

非饱和土力学涉及的一系列工程，如土坝的建造与运行、环境条件变化情况下的天然土坡、竖直挖方的边坡稳定、膨胀土造成的地面隆起及湿陷性土中的许多实际问题，均要对土的渗流、体变和抗剪强度特性有所了解才能解决。

非饱和土是由固相、液相和气相组成的复合介质，其性质远比饱和土复杂。

目前对非饱和土的研究还停留在初步阶段，对非饱和土力学涉及的实际问题还缺乏建立在非饱和土三相特性基础之上的严密理论和正确解决方案。

非饱和土分布广，并且应用广，但对其特性研究不足的矛盾使得对非饱和土问题的解决成为日益紧迫的研究课题。

1 概述
1936年召开的第一届国际土力学和基础工程会议为建立饱和土力学的原理和公式提供了论坛，这些原理和公式在随后几十年的研究工作中始终起着关键性的作用。

在同一会议上讨论了有关非饱和土性状的许多论文，但遗憾的是没有出现适用于非饱和土的类似的原理和公式。

随后的岁月非饱和土理论发展缓慢（Fredlund,1979），一直到50年代后期，解释非饱和土性状的若干概念才在英国帝国大学建立起来（Bishop,1959）。

20世纪60年代前，非饱和土力学研究的主要特点是以毛细作用为主要研究内容。

在30年代进行大规模城市建设的时候，兴建了大量与城市建设有关的灌溉工程和交通工程，使工程师感到困难的就是地下水位以上土体中水的流动问题。

他们使用了毛细作用来描述水从地下水位向上的流动，以后对土中毛细水流动的研究至少长达20年。

在1936年的国际会议上，Ostashev 提出了两篇有关土中毛细作用的论文，他指出了土中存在毛细作用；Boulichev 介绍了计算毛细水压力和毛细水高度的方法。

Terzaghi 在《理论土力学》中总结和吸收Hogentogle 和Barder 的研究成果，假定土的孔隙率n 和渗透系数k 不变，提出毛细水上升到某个高度z 所需要的时间t ：log nh h z t k h z h ⎡⎤⎛⎫=- ⎪⎢⎥-⎝⎭⎣⎦
式中：h ——毛细水的最大高度。

这一阶段研究的主要精力都在毛细水，局限性明显，因此研究进展缓慢，所取得的成功有限。

20世纪60年代到80年代末，这一阶段研究的特点是将饱和土力学有关理论借用到非饱和土力学研究中，以Bishop 和Fredlund 为代表。

Hogentogle 和Barder 就已经认识到毛细水的应力状态对非饱和土强度的影响，并认为毛细水的流动严格符合公认的表面张力、重力和水力学原理；Bernatizk 也已经观测到水-气弯液面会使土的强度增加，并建议用土的无侧限抗压强度来研究毛细张力；Black 和Crony （1957），Williams （1957），Bishop （1960）等和Aitchison （1967）将饱和土有效应力原理引进非饱和土中，提出非饱和土有效应力的概念，并用其解决非饱和土的强度问题；Coleman （1962），Matyas 和Radhakrishna （1968），以及Fredlund 和Morgenstern （1977）用两个独立的应力状态变量来研究非饱和土的力学性质。

这阶段对非饱和土强度问题取得一些公认的结果，对变形问题还处于探索阶段。

20世纪80年代后，对非饱和土的变形进行了更深入地研究。

Alonso(1990)和Toll(1990)分别提出了土的弹塑性本构模型；Alonso(1992)根据非饱和土（膨胀土）的变形特性提出了描述膨胀土体积和剪切变形的本构模型；陈正汉（1998）
和杨代泉（1992）提出了非饱和土的非线性弹性模型；Kohgo(1993)，Wheeler(1995,1996)和Fredlund(1979)研究了非饱和土的一维固结理论；殷宗泽（1998）将三维固结理论简化为二维。

随着非饱和土研究随着非饱和土研究的深入，已逐渐认识到建立非饱和土力学理论不能仅仅借用饱和土力学理论，必须用新的理论从新的角度对非饱和土进行研究。

徐永福(1999)用分形几何理论研究了非饱和土的强度问题，建立非饱和土的强度理论和地基承载力理论。

连续介质力学也慢慢地开始成为非饱和土的研究基础。

各式各样的工具也都开始成为研究非饱和土的有力武器，为非饱和土力学理论的进一步发展提供了坚实的物质基础。

2 非饱和土基本特性
非饱和土在土骨架形成的孔隙中有水和空气。

无孔隙水的非饱和土是干土，孔隙空气是连通的，如风干砂。

无孔隙气体的非饱和土是饱和土，孔隙水是连通的，如地下水位下的地基软粘土。

介于干土和饱和土之间的土则是非饱和土。

通常定义非饱和土具有三相，即（1）固相，土粒；（2）液相，水；（3）气相，空气。

更确切地说，非饱和土中还有第四项存在，即水-气分界面或收缩膜，见图1.以气泡形式存在的少量空气会使孔隙中的流体成为可压缩的，孔隙中气体的存在，是使非饱和土性质复杂化的主要原因，也给试验揭示其特性规律带来了巨大困难，因而非饱和土的研究工作对岩土学科的进步即岩土测试仪器设备具有强烈的依赖性。

图1 非饱和土严格的四相图解
气相形态的研究是研究非饱和土力学性质的前提。

这方面研究最早见于Gulhati的文章，他将非饱和土分为三个阶段：高饱和度时空气以封闭气泡的形式存在于孔隙水中，称为封闭阶段；低饱和度时气体存在于土内部的通道上，而水则以透镜体形式包围颗粒的接触点，或以气水弯液面形式包围颗粒接触点，故称为透镜体阶段；介于上面两阶段之间称为过渡阶段。

俞培基、陈俞炯依土的饱和度不同，将非饱和土划分为水封闭、双开敞和气封闭三个阶段。

并用高柱法、水渗透试验和击实试验求得三种状态分界饱和度的约值。

包成钢根据试验的结果，对压实非饱和土依其含水量的不同提出了气相的完全连通、部分连通、内部连通和完全封闭四种气相状态，并研究了不同气相状态。