非饱和土力学
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 卢宁
非饱和土力学是研究土壤力学特性的重要领域，而卢宁是该领域的一位知名学者。
在非饱和土力学领域，卢宁教授做出了许多重要的贡献。
他的研究涉及非饱和土壤的渗流、固结、强度和变形等方面，为工程实践提供了重要的理论支持。
卢宁教授曾在大量的非饱和土力学研究项目中担任重要角色，包括土壤湿度对公路路基稳定性的影响、非饱和土壤排水性能的数值模拟等。
他的研究成果在岩土工程、农业工程和环境工程等领域都具有重要的应用意义。
除了在科研方面取得突出成就，卢宁教授还致力于非饱和土力学领域的教学和学术交流。
他多次在国际学术会议上发表演讲，与国内外的研究人员展开合作，促进了非饱和土力学领域的发展。
总的来说，卢宁教授在非饱和土力学领域取得了令人瞩目的成就，为该领域的发展做出了重要贡献。
他的研究成果不仅在理论上具有重要意义，也为工程实践提供了有力支持，对相关领域的发展产生了深远影响。
非饱和土力学
非饱和土力学
非饱和土力学是研究非饱和土的力学性质和行为的学科。
非饱和土是指土壤中含有水分但不是完全饱和状态的土壤。
在非饱和状态下，土壤的力学性质和行为与饱和状态下有很大的不同。
非饱和土力学主要研究以下几个方面：1.非饱和土的吸力特性：非饱和土中的水分存在于土颗粒之间的微小孔隙中，这些孔隙中的水分会受到吸力的作用。
吸力是非饱和土力学中的一个重要参数，它对土壤的力学性质和行为有很大的影响。
2.非饱和土的渗透特性：非饱和土的渗透特性与饱和状态下有很大的不同。
在非饱和状态下，土壤中的水分会受到吸力的作用，因此渗透速度会比饱和状态下慢很多。
3.非饱和土的力学性质：非饱和土的力学性质与饱和状态下也有很大的不同。
在非饱和状态下，土壤中的水分会受到吸力的作用，因此土壤的强度和变形特性会受到吸力的影响。
4.非饱和土的稳定性：非饱和土的稳定性也是非饱和土力学研究的一个重要方面。
在非饱和状态下，土壤中的水分会受到吸力的作用，因此土壤的稳定性会受到吸力的影响。
总之，非饱和土力学是一个非常重要的学科，它对于土壤工程和地下水工程的设计和施工都有着重要的意义。
非饱和土力学
根据Ja的定义可知，通过单位面积土的空气质
Va J a a a v a t Va为通过的空气体积；va为通过的空气体积流速。 上两式相等得
量流量可用下式表示
v a k a i ay
k a D* g a
ka称为空气在土中的渗透系数
9.2.2 水流动 -广义达西定律
饱和土的达西定律
参数的测定
f c ( u a ) tg stg
' 可由饱和土的常规CU试验测定。为了 c’和
测定 '' ，应取若干相同初始孔隙比的试样进 行常含水量剪切试验。 试验中施加不同周围压 σ3，并调整ua值,以保 持所有试样的(σ3- ua)值为某一选定 的常数。 在施加附加轴向压力时，仍应随时调整ua值， 始终保持(σ3- ua)值不变，同时测读孔隙水压 力uw，直至试样剪破。于是可得一套具有相 同(σ3- ua)值、不同s=ua-uw值的极限应力圆， 如下图。
毛细粘聚力
粒子间的结合力，是影响土的抗剪强度
的重要因素之一，特别是粘性土。 然而，随着饱和土中弯液面的消失，该 力也随之消失，所以由水的表面张力产 生的粘聚力有时也称为毛细粘聚力。 大家都可能有这样的经验，在砂滩上堆 起的砂堆中挖隧道，当砂处于饱和和完 全干燥的状态时都是不可能的，只有在 适当湿的砂堆中才能容易完成。这是因 为水的表面张力即吸力产生的毛细粘聚 力在起作用。
u u a (u a uw )
Bishop (1959)的有效应力与强度
为了考虑ua 和uw 对非饱和土变形和强度特 性的影响，Bishop引进等效孔隙压力概 念，试图把适用于饱和土的有效应力原 理直接引伸到非饱和土，即
u u a (u a u w ) u a s
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。
非饱和土力学报告-水力特性与工程应用
非饱和土力学学习报告题目：水力特性与工程应用姓名：学号：学院：专业：年级：指导教师：年月非饱和土力学报告目录1 流体的渗透性 (1)2 水的流动 (2)2.1 水相的驱动势能 (3)2.2 非饱和土的Darcy定律 (5)3 水相的渗透性 (6)3.1 流体及孔隙介质分量 (6)3.2 渗透性与体积-质量性质的关系 (6)3.3 饱和度变化对渗透性的影响 (7)3.4 渗透系数与饱和度的相互关系 (7)3.5 透水性系数与基质吸力的关系 (9)3.6 透水性系数与体积含水量的关系 (10)3.7 渗透函数的滞后 (11)4 实际渗流问题 (12)4.1 稳态水流 (12)4.2 非饱和土渗透系数的空间变化 (12)4.3 一维流举例 (14)4.3.1 地表面被覆盖 (14)4.3.2 稳态蒸发 (14)4.3.3 稳态入渗 (15)4.4 一维流推导 (16)4.5 一维流的解 (16)参考文献 (20)水力特性与工程应用1 流体的渗透性非饱和土中水的运动要比饱和土中水的渗流运动更为复杂。
这是因为它的运动不仅与多孔介质的集合特征有关，而且还与含水量、饱和度、颗粒大小与矿物成分、温度、溶质浓度等各种影响土水势的因素有关。
非饱和土为三相系，气相对液相的运动将会起到阻滞或推动作用，使非饱和土中水的运动变得复杂。
为了研究简便起见，设水分运动过程中空气不起阻滞或推动作用，同时也不考虑温度变化的影响。
非饱和土的孔隙中存在气体和水流体。
根据饱和度的不同，土中气体和水呈不同的形态。
下图1.1表示了非饱和土和土中孔隙水与空气的三种不同形态。
土的饱和度比较高时，例如，击实粘土含水量大于最优含水量op w 时，其饱和度约为85%~90%，这是土的孔隙主要被水所占据。
气体呈气泡状，被水所包围，可随水一起流动，如图1.1中(c)所示，称为气封闭状态。
这种混合的流体是可压缩的，在较高压力势下，气泡可被压缩和溶解，使孔隙水饱和度进一步提高。
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
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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:
式中: kr是相对渗透率; H和H1分别是渗流场水头和Γ1类边界条件上的已知水头; Kx、Ky 和Kz 分别是x、y 和z 方向的渗透系数; qn是Γ2类边界条件上单位面积流量;Γ3为饱和逸出面边界;Γ4为非饱和逸出面边界; q θ是Γ4类边界条件上单位面积流量。
把整个计算空间域离散成有限元的实体单元,应用Galerkin有限元法求式(1) ,得到各节点的水头和流体流速等信息。
2. 1. 2耦合原理
这里不考虑力学过程对渗流场产生的影响,而只考虑渗流场对力学过程产生的影响。
假定岩土体在孔隙流体作用下遵循太沙基有效应力原理[2 ]
:
式中:σ ij是总应力张量分量;σ ′ ij 是有效应力张量分量; p 是压力水头; ua 是岩土体孔隙中气相的压力水头,一般取为0;<b 是与基质吸力( ua - p) 有关的内摩擦角; <是基质的内摩擦角。
采用以上耦合过程,来考虑地下水的渗流对岩土体产生动水压力和静水压力,在孔隙水压力的作用下减少岩土体的有效应力,从而降低了岩土体的剪切强度,和孔隙水压力使滑动面的滑动力增大,由此引起的边坡稳定性降低。
2. 2. 1抗剪强度折减有限元法所谓抗剪强度折减技术就是将抗剪强度指标c 和<,用一个折减系数Fs 如式(3) 和(4) 所示的形式进行折减,然后用折减后的虚拟抗剪强度指标cF和<F ,取代原来的抗剪强度指标c和<,在有限元分析中使用。
式中: c是粘聚力; <是内摩擦角。
在弹塑性有限元数值分析中,折减系数Fs 的初始值取得足够小,以保证开始时是一个近乎弹性的问题。
然后不断增加Fs 的值,折减后的抗剪强度指标逐步减小,反复对边坡进行分析,首先部分单元开始屈服,应力在单元之间重新分配,局部失稳逐渐发展;直到某一个临界状态,在虚拟的折减抗剪强度下整个边坡发生失稳。
那么在发生整体失稳之前的那个折减系数值,即实际抗剪强度指标与发生虚拟破坏时折减强度指标的比值,就是这个边坡的稳定安全系数。
这种稳定分析方法称为抗剪强度折减有限元法(SSRFEM)[2 ,9～12 ]。
使
用抗剪强度折减有限元法不仅可以直接得出边坡的稳定安全系数,不需要事先假设滑裂面的形式和位置,还可以得到边坡内各单元的应力和变形情况,给出破坏区域,从而大致给出破坏面的位置。
这里定义的抗剪强度折减系数,与极限平衡分析中所定义的边坡稳定安全系数在本质上是一致的。
用强度折减有限元法分析边坡的稳定性,采用解的不收敛作为破坏标准。
在指定的收敛准则下算法不能收敛,即表示应力分布不能满足土体的破坏准则和总体平衡要求,意味着出现破坏。