非饱和土力学6本构理论
非饱和土力学理论的研究意义及其工程应用
本文在扼要介绍了当前非饱和土力学在土材料基本特性方面的主要成果后,对进一步研究的有关问题做一些力所能及的探讨.本文的内容包括基本特 性和若干思考两个部分.
5.期刊论文 刘海宁.刘汉东.王思敬.LIU Hai-ning.LIU Han-dong.WANG Si-jing 黄河下游堤防非饱和土边坡稳定
人民长江 YANGTZE RIVER 1999，30(7) 12次
参考文献(1条) 1.Fredlund DC.Rahardjo H 非饱和土力学 1997
相似文献(10条)
1.期刊论文 姚攀峰.张明.张振刚.祁生文.YAO Panfeng.ZHANG Ming.ZHZNG Zhengang.QI Shengwen 非饱和土土力
参考文献
１ ｈ删Ｄｃ，ｆｔａＩｌａ嫡ｏＨ．非饱和土力学．北京：中国建筑工业出版社，
１９９７． 作者简介 龚壁卫 男 长江科学院土工所工程师 湖北省武汉市４３∞１０ 刘艳华女长江科学院土工所硕士湖北省武汉市４３００１０
●…，…】…，忡，一＿ 詹良通男 河海大学硕士江苏省南京市２１００％ （收ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ日期：１９９８—０９—０ｒ７编辑：车友宜）
性分析 -岩石力学与工程学报2005,24(20)
利用应力应变控制式非饱和土三轴仪进行了室内非饱和土的渗透试验和强度试验,并得出了非饱和土的渗透参数和强度参数.针对黄河下游堤防这一 典型的非饱和土边坡,采用有限单元法系统地分析了堤防非饱和土边坡在降雨和洪水作用下的非饱和渗流场特征;在此基础上应用非饱和土坡的刚体极限 平衡理论中的普通条分法对堤防边坡稳定性受非饱和渗流场变化影响的大小进行了分析与计算.结果表明,对黄河下游堤防的非饱和土边坡在降雨和洪水 条件下的分析研究具有实际意义.
非饱和土的力学理论
文章编号:1000-582x(2000)S0-0197-04非饱和土的力学理论Ξ陈正汉,王权民,李 刚,孙树国(后勤工程学院土木工程系,重庆 400041) 摘 要:介绍了笔者多年来在非饱和土力学领域研究的主要理论成果。
内容包括非饱和土的建模理论、应力理论、渗流理论、本构理论和固结理论,其中本构理论和固结理论都涉及线性、非线性、弹塑性、结构性、动力特性和热力特性等6个方面。
关键词:非饱和土;力学理论;渗流理论;本构模型;固结模型 中图分类号:TU43;O357.3 文献标识码:A 非饱和土的力学理论包括渗流理论、本构理论、强度理论和固结理论,其中非饱和土的固结涉及水气渗流和土骨架的变形两个方面,是一个综合问题。
非饱和土中渗流包括水流和气流,变形有线性、非线性、弹塑性、结构性、动力特性和热力特性之分,从而组成了非饱和土的本构模型谱系和固结模型谱系。
通过笔者的多年努力,这两个谱系已基本形成,笔者简要介绍有关研究成果。
1 非饱和土建模的公理化理论体系渗流理论、本构模型和固结模型都是数学模型,建模需要理论指南。
1994年,笔者融理性力学、不可逆过程热力学和土力学的精华于一体,建立了岩土力学的公理化理论体系[1]。
该理论体系包括5个基本定律和8个本构原理,对饱和土与非饱和土都适用。
5个基本定律是:质量守恒定律、动量守恒定律、动量矩守恒定律、能量守恒定律和热力学第二定律。
8个本构原理是:等存性原理、相容性原理、客观性原理、Curie对称原理、Onsager原理、压硬剪胀原理、有效应力原理和记忆原理。
2 非饱和土的应力理论[2,3]非饱和土是固-液-气三相复合介质,描述应力状态一般需要三个应力张量。
在不计土粒的压缩性时,则可用两个应力状态变量σij-u aδij和(u a-u w)δij描述,分别称为净总应力张量和吸力张量;也可用下式表达的有效应力刻划之:σ′ij=σij-u aδij+χ(u a-u w)δij称为Bishop公式,其中σij、σ′ij、u a、u w分别是总应力、有效应力、孔隙气压力和孔隙水压力,χ是有效应力参数,与土的饱和度及应力路径有关,且0≤χ≤1。
非饱和土本构关系的混合物理论_非线性本构方程和场方程
1 混合物理论
混合物 ( mixture) 是由几种不同性质 ( 物理性质或化学性质) 的单一物质混合形成的复杂介 质・ 这些物质的混合可以是局部和整体都均匀的混合 ( 如混合气体和混合溶液) ,也可以是局 部不均匀但整体均匀的混合 ( 如悬浮溶液和多孔介质) ・ 组成混合物的单一物质是混合物的组 ( ) 分 constituent ,混合物组分之间不仅可能存在相对运动 ,而且可能存在相互作用 ,甚至可能存 在物质转化 ( 如相变和化学反应) ・ 混合物理论 ( mixture theory) 就是研究混合物各组分运动规 律、 相互作用规律和相互转化规律以及混合物整体运动变化与外界对混合物作用之间关系的 理论体系・ 混合物理论以热力学理论为基础 , 是对单一物质连续统理论 [17 ,18 ] 的拓展 , 也称为相互作 用连续介质理论 ,具有很好的自恰性和系统性・ 混合物理论把混合物抽象为代表混合物各组 分连续介质的迭加物 ,混合物中任一点同时被各组分中的一个质点占据 ,这些相互迭加的连续 介质之间存在多种相互作用・ 1957 年 Truesdell [19 ] 建立了混合物的数学理论・ 该理论有 3 个基 本公设 :1) 混合物的性质完全由组分的性质决定 (All properties of the mixture must be mathemati2
( 1)
其中 , t 是时间 , x a ( 空间坐标) 是质点 Xa 在 t 时刻的空间位置 ・ 该方程也称为第 a 组分的形
) — 非饱和土本构关系的混合物理论 ( Ⅰ — — 非线性本构方程和场方程
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变函数 ( deformation function) ・ 假设各组分的运动满足连续性公设 , 则方程 ( 1) 在空间点 x a 的 邻域内有唯一逆 Xa = Xa ( x a , t ) ・
非饱和土的广义有效应力原理及其本构模型研究
非饱和土的广义有效应力原理及其本构模型研究土力学发展到目前为止,其理论基础仍然很不完善,仍处于半理论、半经验的发展阶段,土力学统一和完备的理论基础仍有待于研究和发展。
上世纪六七十年代发展起来的多相孔隙介质理论,为非饱和土力学的发展提供了理论基础。
非饱和土是一种三相的多孔介质材料,它由固体颗粒和孔隙组成,孔隙中填充着水和气。
气体的存在使得非饱和土的性质比饱和土要复杂得多,也使得影响非饱和土性质的因素变多,因此很难像饱和土那样找出非饱和土的响应(或应变)与应力状态之间的简单和唯一的关系。
本文以多相孔隙介质力学理论为基础,提出了非饱和土广义有效应力原理,并建立了非饱和土的本构模型,主要研究成果为：(1)以多相孔隙介质理论为基础,从基本的物理规律即各种平衡方程出发,建立非饱和土的基本方程,并得到了非饱和土变形功的表达式。
在总变形功的具体方程基础上提出了广义有效应力原理,给出了本文建议的与土骨架位移在功上对偶的有效应力表达式。
指出应当选择非饱和土有效应力,修正吸力和气压三个应力状态变量来描述非饱和土的行为,并给出了相对应的功共轭的广义变形,为建立非饱和土本构方程奠定基础。
(2)根据非饱和土的变形功表达式,推导得到了非饱和土各相的自由能和耗散势增量方程,然后采用热力学的方法来建立非饱和土的本构模型。
根据广义有效应力原理选择应力变量,并选择适当的内变量来考虑非饱和土三相之间的联系,建立了固液气三相耦合的非饱和土本构模型框架。
该框架将可以考虑很多复杂因素的影响,比如气相耗散对土体的影响等。
(3)在非饱和土模型框架的基础上,通过适当的假设和简化,建立三轴应力状态下固液气三相耦合的非饱和土本构模型。
其最大的特点在于首次在模型中考虑了气相硬化的影响,从理论的角度,这一模型由于考虑了气相压力变化的影响,因此更加全面和更具有一般性。
采用已有的实验数据对模型进行验证,结果表明不论是在低饱和度阶段还是高饱和度阶段,模型都能很好的拟合试验结果。
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。
非饱和土土力学新PPT课件
库仑公式 本构模型
D uf can－cChantgg模型 ， 剑桥模型
屈服面
极限状态面
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传统（经典）土力学的局限
固结理论
pw
1-D consolidation
k 2 pw pw
wm z2 t
(Lambe & Whitman,1969)
3-D consolidation
2 4 6 8 10 12 14 16 18
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吸力的影 响
温度的影响
/kPa
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
（1）弹性模型 Fredlund和Morganstern(1976)、Fredlund(1979)提出了基于双应力变量 ( ua ) 和 (ua uw )
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非饱和土土力学理论
吸力随含水量变化，其表现形式不同
在第Ⅰ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Ⅱ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。
w ( p)
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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）
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。
p0 p0* ms n[e / patm 1]
吸力的影响
吸力 s(kPa)
200
k wm
2
pw
非饱和土理论的分析研究
非饱和土理论的分析研究摘要：介绍了目前岩土工程界提出的非饱和土抗剪强度公式。
同时还对Bishop、Fredlund和卢肇钧提出的抗剪强度公式中的参数测试方法进行分析，指出各种抗剪强度理论在概念上都是相同的，其区别仅在于确定由吸力产生的那部分有效应力时采用的参数和测试方法不同。
关键词:非饱和土；抗剪强度一、土力学的发展历程18世纪中期以前，人类的建筑工程实践主要是根据建筑者的经验进行的。
18世纪中叶至20世纪初期，工程建筑事业迅猛发展，许多学者相继总结前人和自己实践经验，发表了迄今仍然行之有效的、多方面的重要研究成果。
例如法国的C.-A.de 库仑发表了土压力滑动楔体理论(1773)和土的抗剪强度准则(1776) ；法国的H.P.G.达西在研究水在砂土中渗透的基础上提出了著名线性渗透定律(1856)；英国的W.J.M.兰金分析半无限空间土体在自重作用下达到极限平衡状态时的应力条件，提出了另一著名的土压力理论，与库仑理论一起构成了古典土压力理论；法国的J.V.博西内斯克(1885)提出的半无限弹性体中应力分布的计算公式，成为地基土体中应力分布的重要计算方法；德国的O.莫尔(1900)提出了至今仍广泛应用的土的强度理论；19世纪末至20世纪初期瑞典的A.M.阿特贝里提出了黏性土的塑性界限和按塑性指数的分类，至今仍在实践中广泛应用。
1925年奥地利的K.太沙基出版了世界上第一部《土力学》，是土力学作为一个完整、独立学科已经形成的重要标志，在此专著中，他提出了著名的有效压力理论。
此后，在土的基本性质和动力特性、固结理论和强度理论的研究，流变理论的应用，土体稳定性分析方法以及试验技术和设备等方面都有很大的发展，使土力学得到进一步的完善和提高。
20世纪中叶非饱和土力学研究的复苏是土力学发展中又一具有长远影响的事件。
岩土工程中遇到的土大多数处于非饱和状态，非饱和土的工程性质已成为20世纪90年代以来国际土力学界研究的热点问题之一。
非饱和土土力学(新)
温度
3 ua 200kPa
u a u w 100 kPa
15℃ 30℃ 45℃ 60℃
温度的影响
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
（1）弹性模型
Fredlund和Morganstern(1976)、Fredlund(1979)提出了基于双应力变量 ( u a ) 和 (ua u w ) 的弹性应力应变关系：
强度分析：
固结变形分析：
传统（经典）土力学的局限
3、现有土工试验仪器主要是针对饱和土设计的
① 试验数据按饱和土相关理论来整理，不符合实际情况 。 ② 不能测负孔隙水压力。 ③ 未考虑气相影响。
单轴压缩
三轴压缩
非饱和土土力学理论
非饱和土物质组成：固体、气体和液体
固体
液体
气体
n
Vpores Vtotal
固结本构方程
Mechanical constitutive law
q w k grad( pw w z)
d v m dp
1 dp K
pw 1 p k 2 pw wm t 3 t
3-D consolidation
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
Vliquid Vgas Vtotal
Sl
Vliquid Vpores
Vliquid Vliquid Vgas
饱和度
1 Sg
空隙度
非饱和土土力学理论
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