非饱和土力学作业
非饱和土力学
非饱和土力学1. 简介非饱和土力学是土力学中的一个重要分支，研究非饱和土的力学性质和行为规律。
非饱和土是指含有一定空隙度和部分或全部未饱和的水分的土壤。
相比于饱和土，非饱和土具有一些特殊的力学性质和变形特性，因此对其力学行为的研究具有重要的实际意义。
2. 非饱和土特性非饱和土的特性主要包括以下几个方面：2.1 吸力吸力是非饱和土中水分存在的特殊状态所引起的一种力。
在非饱和土中，由于存在着未饱和水分，土颗粒表面会形成一种吸附力，即吸力。
吸力的大小与土壤的孔隙结构密切相关。
2.2 干湿收缩性非饱和土在干燥过程中会发生干缩现象，而在被湿润后会发生湿润膨胀。
这是因为非饱和土中的水分含量影响着土颗粒之间的接触状态和土壤体的结构。
2.3 孔隙气压非饱和土中的气体存在一定的孔隙气压，该气压与土壤孔隙水的张力有关。
在非饱和土力学中，孔隙气压的变化对土体的力学行为有重要影响。
3. 非饱和土力学实验为了研究非饱和土的力学性质和行为规律，人们进行了大量的实验研究。
常用的非饱和土力学实验包括以下几种：3.1 吸力试验吸力试验是用来测试非饱和土吸力大小的实验。
在吸力试验中，通常采用吸力仪器对土样进行测量，得到吸力与土壤含水量之间的关系。
3.2 干湿循环试验干湿循环试验是用来模拟非饱和土在干燥和湿润过程中的变形行为的实验。
通过反复进行干燥和湿润过程，可以观察并记录土样的收缩和膨胀行为。
3.3 压缩试验压缩试验是用来研究非饱和土的压缩变形特性的实验。
实验中通常使用压缩装置对土样施加压力，并记录土样的变形和力学参数的变化。
4. 非饱和土的工程应用非饱和土力学的研究对于土木工程的设计和施工具有重要的指导意义。
非饱和土的一些特性和行为规律在以下方面有着广泛的应用：4.1 坡面稳定性分析非饱和土在坡面稳定性分析中发挥着重要作用。
由于非饱和土具有较好的抗侵蚀和抗冲刷能力，因此在坡面设计中通常采用非饱和土力学原理。
4.2 基础工程在基础工程中，非饱和土的力学行为对基底承载力和变形进行了特别的研究。
非饱和土力学在工程中的应用
力 变化 引起 的 孔 隙水 压 力 随 深 度 及 时 间 的变 化 。 实验 表 明 ： 加 总 应 力于 饱 和 土 ， 产 生较 大 的 瞬 施 会
当 ＤＸ Ｆ文 件 转换 成 Ｄ ＷＧ 文 件 时 ， 同的 地 不
物 层 、 注 层 同 时 建 立 ， 图 人 员 可就 需 开 关 图 标 制 层 ， 编辑更 方 便 。 自动 成 图后 ， 使 因现 场 编码 不 准
确 或 地物 复 杂 等 原 因 ， 形 图 还 要 对 图形 进 行 编 地
时体积变化 ， 但随着时间的增加体积变化较 小 ， 引
起 的孔 隙水 压 力 远远 小 于 施 加 的 总应 力 ．但 对 非
饱 和 土而 言 ， 主 要 的边 界 条 件是 流量 变化 ， 不 其 而 是 总应力 变 化 。 因此 ， 全 面 了 解地 下水 位 以上 的 要
相 应 的土 质 状 况 提 出 相 应 的保 障措 施 ， 能进 行 才
根 据实 际情 况 进 行 图形 编辑 。 ３ ６ 在 Ａｕｏ ＡＤ１ ． ． ｔＣ ４ ０中用 Ｌｓ ｉｐ二 次 开 发 测 量
制 图工 具
生 产 中难 以 广 泛 使 用 ， 采 用 近 似 平 差 代 替严 密 多
平 差 ， 面积 小于 ｌ ｍ 的 测 量 中可 以使 用 ， 在 ｋ 但测 区 面 积 大 于 ｌ ｍ 时 ， 似 平 差 将 产 生 较 大 的 偏 ｋ 近 差 ， 时 控制 计 算 应 采 用 严 密平 差 。 此 为 充分 发 挥 计 算 机 的 特 性 ， 平 差程 序编 制 在 时采用间接平差 ， 差方 程为 ： 误 Ｖ一１ 。 ３ ＋Ｌ， 算 ３ 计 线性 方 程组 时 ， 有 采 用 惯 用 的逆 阵法 ， 没 而是 充分 利 用计 算机 的 运 算 速度 ， 用 迭代 法 代过 程 中 采 迭 步 长采 用 牛 顿 法 加 快 迭 代 进 程 ， ２次 相 邻 值 之 当
土力学作业非饱和土抗剪强度理论的研究进展
[10]卢肇钧等.膨胀力在非饱和土强度理论中的应用[J].岩土工程学报，1997(5)：20-27.
[11]卢肇钧等.非饱和土的抗剪强度与膨胀压力[J].岩土工程学报，1992(3)：1-8.
[12]缪林昌，殷宗泽.非饱和土的剪切强度[J].岩土力学，1999，20(3)：1-6.
[13] Rohm S A,VilarO M. Shear strength ofunsaturatedsandysoil[A]. Proc.1st Int. Conf. UnsaturatedSoils[C]. Paris: [s.n.], 1995. 189-195.
图2非饱和黄土的剪切强度曲面(引自党进谦等，1997)
Fig.2 Shear strength envelop of unsaturated loess
6从粒间吸力对非饱和土抗剪强度理论的解释
汤连生(2001)通过对非饱和土粒间吸力的研究，将作用于非饱和土颗粒上的并对颗粒间相互作用有贡献的吸力(简称粒间吸力)分为：本征结构吸力、可变结构吸力、有效基质吸力、孔隙气压力，孔隙水压力、湿吸力和牵引力五类吸力，如图3示。
2 Bishop理论及进展
Bishop依据Terzaghi饱和土的有效应力原理和实验研究给出了非饱和土的有效应力公式
（1）
在此基础上根据Mohr-Coulomb强度理论公式得到了非饱和土的抗剪强度公式
非饱和土力学行为的三维离散元分析
非饱和土力学行为的三维离散元分析非饱和土力学行为的三维离散元分析摘要：非饱和土力学行为是岩土工程领域的一个重要课题，对于土壤的稳定性和工程设计起着关键作用。
离散元方法是一种能够描述复杂力学行为的数值模拟方法，广泛应用于岩土工程中。
本文主要研究了非饱和土力学行为的三维离散元分析，探讨了该方法在理论和实践中的应用。
1. 引言在岩土工程中，非饱和土指的是土壤中同时存在水分和空气的状态。
由于非饱和土的特殊性质，其力学行为与饱和土不同。
非饱和土作为一种复杂的多相材料，其力学性质受到水分状况的影响非常大。
因此，研究非饱和土的力学行为对于岩土工程的设计与分析具有重要的理论和实际意义。
2. 离散元方法离散元方法是一种能够描述材料微观结构和宏观力学行为的数值模拟方法。
其核心思想是将连续介质离散为许多小颗粒，在每个颗粒上施加力，通过求解运动和位移方程来模拟材料的变形和破坏过程。
离散元方法具有考虑材料微观结构的优势，能够较好地模拟岩土材料的非线性和非饱和的力学行为。
3. 非饱和土力学行为的三维离散元模型在三维离散元模型中，非饱和土被表示为由颗粒和孔隙水组成的系统。
颗粒以离散的形式存在于模型中，并通过弹簧和阻尼器模拟颗粒之间的相互作用力。
孔隙水则通过流体动力学的方法进行模拟。
在模拟过程中，土体的应力变化和孔隙水的流动过程被同时考虑。
4. 非饱和土力学行为的三维离散元分析三维离散元分析可以用于研究非饱和土在不同工况下的力学行为。
通过变化模型中的水分含量、应力状态和加载方式等参数，可以模拟土体的各种力学行为，如压缩、剪切和液化等。
通过对比实验室试验结果和数值模拟结果，可以验证离散元模型的可靠性和准确性。
5. 应用案例将该方法应用于某坝体的稳定性分析。
通过构建离散元模型，模拟了坝体在受到水位上升和不同荷载作用下的应力变化和变形过程。
结果表明，在考虑非饱和土力学行为的情况下，模型能够较为准确地预测坝体的稳定性，并给出合理的防护措施。
土力学习题及答案
土力学习题及答案《土力学》习题第一章土的物理性质及工程分类选择题1.土颗粒的大小及其级配，通常是用颗粒级配曲线来表示的。
级配曲线越平缓表示：A．土颗粒大小较均匀，级配良好B.土颗粒大小不均匀，级配不良C.土颗粒大小不均匀，级配良好2.作为填土工程的土料，压实效果与不均匀系数的关系：A．大比小好B.小比大好C.与压实效果无关3.有三个同一种类土样，它们的含水率都相同，但是饱和度不同，饱和度越大的土，其压缩性有何变化？A.压缩性越大B.压缩性越小C.压缩性不变4.有一非饱和土样，在荷载作用下，饱和度由80%增加至95%。
试问土样的重度γ和含水率怎样改变？A．γ增加，减小B.γ不变，不变C.γ增加，增加 5.土的液限是指土进入流动状态时的含水率，下述说法哪种是对的？A．天然土的含水率最大不超过液限B.液限一定是天然土的饱和含水率C.天然土的含水率可以超过液限，所以液限不一定是天然土的饱和含水率判断题6.甲土的饱和度大与乙土的饱和度，则甲土的含水率一定高于乙土的含水率7.粘性土的物理状态是用含水率表示的，现有甲、乙两种土，测得它们的含水率，则可以断定甲土比乙土软8.土的液性指数会出现>0或<0的情况9.土的相对密实度会出现>1或<1的情况10.土的天然重度越大，则土的密实性越好计算题11.击实试验，击实筒体积1000cm2，测得湿土的质量为1.95kg，取一质量为17.48kg的湿土，烘干后质量为15.03kg，计算含水率和干重度。
12.已知某地基土试样有关数据如下：①天然重度=18.4kN/m3，干密度=13.2kN/m3；②液限试验，取湿土14.5kg，烘干后质量为10.3kg；③搓条试验，取湿土条5.2kg，烘干后质量为4.1kg，求（1）土的天然含水率，塑性指数和液性指数；（2）土的名称和状态。
13.从A，B两地土层中个取粘性土进行试验，恰好其液塑限相同，液限=45%，塑限=30%，但A地的天然含水率为45%，而B地的天然含水率为25%。
《非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析》
《非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析》篇一非饱和-饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析一、引言在地质工程中，土质边坡的稳定性是一个重要的研究领域。
尤其是在非饱和到饱和状态变化的过程中，土的物理力学性质会发生显著改变，进而影响边坡的稳定性。
本文将深入分析这一变化过程中土质边坡的稳定性问题，为地质工程提供理论依据和实践指导。
二、非饱和状态下的土质边坡稳定性在非饱和状态下，土的强度和稳定性主要取决于土的抗剪强度。
非饱和土的抗剪强度受多种因素影响，如土的粒度分布、结构特性、含水率以及外部荷载等。
在非饱和状态下，土的抗剪强度随着含水率的增加而逐渐降低，但当含水率达到一定阈值时，土的强度会突然降低，导致边坡失稳。
三、饱和状态下的土质边坡稳定性当土体进入饱和状态时，土的物理力学性质将发生显著变化。
在饱和状态下，土的抗剪强度主要由孔隙水压力决定，而孔隙水压力的大小与土的渗透性、外部荷载以及边界条件等因素有关。
在饱和状态下，边坡的稳定性受多种因素影响，如土的渗透性、饱和度、以及地下水位等。
四、非饱和到饱和状态变化对土质边坡稳定性的影响非饱和到饱和状态的变化过程中，土的物理力学性质将发生连续变化。
这种变化将直接影响边坡的稳定性。
一方面，随着含水率的增加，土的抗剪强度逐渐降低；另一方面，饱和状态下土的渗透性增强，可能导致边坡内部产生较大的孔隙水压力，从而降低边坡的稳定性。
此外，地下水位的变化也会对边坡的稳定性产生影响。
五、分析方法与模型为了分析非饱和-饱和状态变化条件下土质边坡的稳定性，需要采用合适的分析方法和模型。
目前常用的方法包括极限平衡法、有限元法、离散元法等。
这些方法可以有效地模拟土质边坡在非饱和和饱和状态下的应力-应变关系以及变形过程。
同时，还需要考虑土的渗透性、含水率、地下水位等因素对边坡稳定性的影响。
六、实例分析以某地区土质边坡为例，通过现场试验和数值模拟等方法，分析该边坡在非饱和和饱和状态下的稳定性。
非饱和土力学 实验报告
（1）控制竖向净正压力p为常数的收缩试验。试验时先给试样施加一定的竖向压力p，待变形和排水速率满足指定要求时，再逐级施加气压力，即逐级增大基质吸力。由此可得竖向净正压力p不为零的广义土—水特征曲线，将其用于非饱和土问题的分析计算能反映上覆压力的影响，更符合实际情况。
（2）控制气压力的不排水压缩试验。试验中要量测水压力和竖向变形，含水率保持不变，饱和度则发生变化
（2）排水v为纵坐标，时间t为横坐标，作排水与时间的v—t曲线。
图4
由图4可看出随着竖向荷载的不断加大试样的排水量呈曲线形增加，并且在开始加压时排水的速度较快，之后速度越来越慢，最后逐渐趋于稳定。
（3）孔隙比e为纵坐标，压力p为横坐标，作孔隙比与压力的孔隙比与压力的e - p曲线。
图5
由图5可知随着竖向荷载的不断加大，土的孔隙比逐渐减小，且在竖向荷载小于600kpa时减小的速度较快，600kpa之后曲线趋于平缓。
最后感谢冯老师和同学的指导和帮助。
总结
（1）首先配制含水量W=12%的土，放到保鲜袋里静置一天再使用。（2）制备土样，注意分两层击实，试样静置一天以备明天使用。（3）将土样压入固结容器内，并且保证固结容器的陶土板清洁、湿润，顺次放上洁净而湿润的滤纸，在试样上再置洁净而湿润的滤纸和透水石各一，最后放下导环和加压上盖，加装竖向压缩位移传感器，保证试样与仪器上下各部件之间接触良好。（4）实验分级加载前，应先满足气水平衡条件。实验结束后，应先关闭气压阀门，扭转三相排水阀门至闭合状态，吸去固结容器内的水。（5）实验加载最大加到1200kpa就可以。
（3）试样的压缩量用位移传感器量测，数据自动采集
(二)其它试验仪器
天平、换刀、量杯、击样器、修土刀、钢丝锯、滤纸、凡士等。
非饱和土力学
非饱和土力学引言非饱和土力学是土力学的一个分支，研究非饱和土壤的力学性质和行为。
饱和土壤是指土壤中的孔隙完全充满水分，而非饱和土壤是指土壤中的孔隙中同时存在气体和水分。
非饱和土力学的研究对于土壤工程、农业、环境科学等领域具有重要的意义。
本文将介绍非饱和土力学的几个重要概念和应用。
概念非饱和土壤的吸力非饱和土壤中存在着气体和水分。
由于毛细现象的存在，非饱和土壤中的水分会受到一定的吸力作用。
吸力是指土壤颗粒表面附近的环境中存在的气体与土壤孔隙中的水分之间的一种力。
吸力是非饱和土力学研究的基础，它与土壤的水分含量、孔隙结构等因素密切相关。
孔隙水压力非饱和土壤中的水分受到吸力作用，会产生一定的压力，称为孔隙水压力。
孔隙水压力是非饱和土力学中的一个重要概念，它描述了土壤中水分的分布和移动情况。
孔隙水压力的变化会影响非饱和土壤的力学性质和行为。
非饱和土壤的力学性质非饱和土力学研究的一个重要目标是揭示非饱和土壤的力学性质。
非饱和土壤的力学性质与饱和土壤有一些明显的差异。
例如，非饱和土壤的抗剪强度和变形特性会受到吸力和孔隙水压力的影响。
非饱和土壤的力学性质的研究对于土壤工程的设计和施工具有重要的指导意义。
应用土壤含水量测定非饱和土力学的研究需要准确测定土壤中的水分含量。
常用的方法有重量法、电容法、压力传感器法等。
这些方法可以测定不同吸力下土壤中的水分含量，从而揭示土壤的吸力特性和水分传输规律。
非饱和土壤的稳定性分析非饱和土壤的力学性质和行为与饱和土壤存在一定的差异。
因此，非饱和土壤的稳定性分析需要考虑吸力和孔隙水压力等因素对土壤的影响。
非饱和土壤的稳定性分析可以用于土壤边坡、挡土墙、基础等工程的设计和施工。
土壤水分调控非饱和土力学的研究成果可以应用于农业、环境科学等领域。
例如，在农业生产中，了解土壤中的水分分布和移动规律，可以合理调控土壤水分，提高植物的生长和产量。
此外，在环境科学研究中，非饱和土力学的研究成果可以用于土壤污染防治和土壤水源涵养等方面。
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《非饱和土力学课程作业》
授课教师：***
姓名：***
学号：********
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
100
1000
10000
1000001000000
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
图1.1.4 四米水位稳态分析
2、水位由4米升至10m 瞬态分析： （1）模型设置：
改变上述稳态模型的边界条件，按题述，设置左边红色边界为水位-时间函数关系，水位在前100小时按线性升高，100小时至19656小时，水位维持在10m ，
（2）模型计算结果：
图1.2.2 0小时浸润面位置
图1.2.3 50小时浸润面情况
Distance
E l e v a t i o n
Distance
E l e v a t i o n
图1.2.4 100小时浸润面情况
图1.2.5 200小时浸润面情况
图1.2.6 300小时浸润面情况
图1.2.7 1000小时浸润面情况
Distance
E l e v a t i o n
Distance
E l e v a t i o n
Distance
E l e v a t i o n
Distance
E l e v a t i o n
图1.2.8 2000小时浸润面情况
图1.2.9 5000小时浸润面情况
图1.2.10 19656小时后浸润面情况
（3）计算分析
从上述浸润面计算结果可以看出，浸润面随水位升高不断变化，当100小时后水面达到稳定的10m ，此时浸润面仍未达到稳定，根据计算结果分析，大约在1000小时左右，浸润面才达到稳定。
二、稳定分析
1、水位4米时土坝稳定分析：
稳定分析的模型轮廓与渗流分析相同，土坝选用摩尔—库伦模型，模型所需参数如下表所示：
重度（kN/m3） 粘聚力（Kpa ） 内摩擦角（°）
Distance
E l e v a t i o n
Distance
E l e v a t i o n
Distance
E l e v a t i o n
计算结果：
（1）Mogenstern-Price 法计算最优滑裂面结果：
（2）普通条分法计算结果：
（3）Bishop 法计算结果
（4）Jian-bu 法计算结果：
Distance
E l e v a t i o n
Distance
E l e v a t i o n
Distance
E l e v a t i o n
四种计算方法算的最优滑裂面的安全系数如下表所示：
计算方法 Mogenstern-Price 法 普通条分法 Bishop 法
Jian-bu 法
1.463
1.404
1.461
1.390
从上述计算可知，四种计算方法最小安全系数在1.390—1.463之间，平均安全系数为1.430，可知在水位上升前土坝处于稳定状态。
2、水位升高后土坝稳定分析
稳定分析的模型轮廓与上述渗流分析相同，土坝选用摩尔—库伦模型，模型所需参数如下表所示：
17 20 20
土坝稳定分析时的孔压为上次瞬态分析19656小时计算结果。
计算结果：
（1）Mogenstern-Price 法计算最优滑裂面结果：
显示50条安全系数最小的滑裂面图：
Distance
E l e v a t i o n
Distance
E l e v a t i o n
（2）普通条分法计算结果：
显示50条安全系数最小的滑裂面图：
（3）Bishop 法计算结果
Distance
E l e v a t i o n
Distance
E l e v a t i o n
Distance
E l e v a t i o n
显示50条安全系数最小的滑裂面图：
（4）Jian-bu 法计算结果：
显示50条安全系数最小的滑裂面图：
Distance
E l e v a t i o n
Distance
E l e v a t i o n
Distance
E l e v a t i o n
（5）其他相关参数计算结果：
Distance E l e v a t i o n
2、计算结果分析：
四种计算方法算的最优滑裂面的安全系数如下表所示：
计算方法Mogenstern-Price法普通条分法Bishop法Jian-bu法
1.237 1.187 1.257 1.273
四种计算方法最小安全系数范围为1.187—1.257，平均值为1.239，说明在水位升高过程中以及其后过程，土坝是稳定的。
比较水位上升前其平均安全系数降低了0.192
从上述沿边坡从上至下孔压分布可以看出，在距离边坡顶部约9m的地方孔压开始为正，其后孔压随距离先增大在减小至零，大约在距离边坡顶部20m处孔压达到最大值42Kpa。
从上述沿边坡从上至下抗剪强度分布可以看出，在孔压由负变为正的点，抗剪强度有一个峰值，此外在孔压最大点，抗剪强度也有一个峰值，且此峰值大于孔压由负变正点。