非饱和土土力学(新)
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。
用土力学的新概念揭开非饱和土力学之谜
用土力学的新概念揭开非饱和土力学之谜蒙理明【摘要】该文用土力学的新概念解答了有效应力、吸力、经典凝聚力、抗剪强度、土的压缩变形及固结等等问题。
在抗剪极限状态，颗粒接触点、结合水膜和表面张力收缩膜的对应项是有效应力。
在绝对压强下，再没有负的土中自由水压力之说。
非饱和土的吸力有4项，包括颗粒摩擦或咬合、结合水膜、表面张力收缩膜、水气不抵大气压强抗拉强度。
经典凝聚力等价于初始抗剪强度，有2项，包括真凝聚力和初始摩擦抗剪强度。
天然非饱和土的抗剪强度有4项，包括膜、水气不抵大气压强自重应力、土自重应力、附加重力的抗剪强度贡献。
应该用总应力模式分析土的压缩变形及固结，非饱和土的本构关系应该是总应力、水分与总应变的关系。
%This paper answers effective stress,suction and the classic cohesion,shear strength,compressive de-formation and consolidation of soil,and so on with new concept of soil mechanics.In shear limitstate,corresponding item of the particle contact point,combined water film and the surface tension contraction film is the effective stress. Under the absolute pressure,and there is no free water in the soil of negative pressure.The unsaturated soil suction has four,including particle friction or occlusion,combined water film,surface tension contraction film,water and gas do not cover the atmospheric pressure tensile strength.Classic cohesion is equivalent to the initial shear strength,there are 2items,Including true cohesion and initial friction shear strength.Natural unsaturated soil shear strength has 4 i-tems,Including film,water and gasdo not cover the atmospheric pressure gravity stress,earth gravitystress,addi-tional gravity to the shear strength.The total stress pattern should be used to analysis compression deformation and consolidation of soil.And unsaturated soil constitutive relation should be the relationship among total stress,moisture and total strain.【期刊名称】《建材世界》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】7页(P64-69,74)【关键词】吸力之谜;结合水膜;表面张力收缩膜;真凝聚力;初始摩擦抗剪强度;总应力模式【作者】蒙理明【作者单位】海南城安和兴房屋安全鉴定有限公司，海口 570203【正文语种】中文赵成刚等[1]指出,近些年非饱和土力学的研究非常活跃,但对一些基本问题的认识并不一致,有时甚至概念混淆。
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
非饱和土土力学(新)
传统（经典）土力学的局限
1、传统土力学理论都是针对饱和土建立的，对非饱和土无能为力，只
能称之为饱和土力学
两相介质(固体和液体)
只涉及土的变形，不考虑水量的变化（因为对饱和土
v w）
唯一应力状态变量——有效应力
用总应力或有效应力分析
pw
传统（经典）土力学的局限
一屈服面模型。
* p0 p0 ms n[e / patm 1]
吸力的影响
200
吸力 s(kPa)
150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 300 净平均应力 p(kPa)
LC屈服面
s
s * p p0 ms n e pat 1
Ri (1 sin )( 1 3 ) 3 ua m 2 0 Et patm[1 ] ( K m1s)( ) b 2(c s f tan ) cos 2( 3 ua ) sin patm
Kt Kt0 m2 s
起始模量、体积模量、土骨架和水量变化都与吸力有关
修正SSCC 含水率4.8% 含水率15.2% 含水率25.4% 未修正SSCC 饱和试样
'
10 20 30
饱和破坏包络线 40 50 60
和及非饱和时，其摩擦
角变化不大，主要是粘 聚力随含水量在变化。 明确了粘聚力的物理含 义。
-50
-40
-30
-20
-10 0 -20 -40
n '(kPa)
未修正SSCC曲线
-60 -80 修正SSCC曲线 -100
(ua uw)(kPa)
) tan ( ua ) tan ( s
非饱和土固结试验
石家庄铁道大学研究生课程论文培养单位土木工程学院学科专业建筑与土木工程课程名称非饱和土力学任课教师考试日期 2015.1.15学生姓名学号研究生学院非饱和土固结实验报告一、非饱和土固结试验工程意义土体的压缩变形特性决定了地基沉降量的大小和固结时间的长短, 尤其是非饱和土体的压缩变形特性是目前工程界关注的焦点。
在荷载作用下，土体中产生超孔隙水压力，在排水条件下，随着时间发展，土中水被排出，超孔隙水压力逐渐消散，土体中有效应力逐渐增大，直至超孔隙水压力完全消散，这一过程称为固结。
饱和土的固结可视为孔隙水压力的消散和土骨架有效应力相应增长的过程。
非饱和土的孔隙中同时含有气体和水，固结过程中，土中水和气会发生相互作用，非饱和土要涉及两种介质的渗透性，而且非饱和土的渗透性受土的结构性影响相当显著。
这些使非饱和土的固结过程非常复杂。
由于土体内部结构复杂, 使得非饱和土体在固结变形特性上与饱和土体存在巨大差异, 同时也导致非饱和土地基在设计和施工中存在大量不确定因素。
因此掌握非饱和土体的固结变形机理, 并且有针对性的对地基沉降加以控制是目前极待解决的问题。
二、实验方案通过一维固结试验，利用实验数据整理出在分级施加垂直压力p下试件的竖向变形s与时间t的s-t曲线、试件排水v与时间t的v-t曲线以及e-p曲线，研究非饱和重塑粉质粘土在饱和度Sr=0.569下的压缩变形特性。
1.土样本实验使用重塑非饱和粉质粘土，土的压实度DC=0.9 、含水率w=12%、土粒比重Gs=2.72、最大干密度pdmax=1.92g/com，实验中的试件尺寸为Ф61.8mm×H20mm，总质量m=116.04g，其中固体颗粒质量ms=103.6g2. 实验设备本实验采用的非饱和土固结仪（如图1-1所示）由中国人民解放军后勤工程学院、电力部电力自动化院大坝所、江苏省溧阳市永昌工程实验仪器有限公司联合研制生产。
其主要结构有:2.1 压缩部件：由压缩容器、压力室座、导环、陶土板、透水板、加压帽表杆支座等组成，承放土样用。
非饱和土力学04-有效应力
4. 双应力变量理论
4. 双应力变量理论
轴平移技术的局限性
轴平移技术适用与气相连续的土，如果土中存在气泡，测
得基质吸力会偏高 Baker和Frydman讨论了非饱和土力学中吸力和轴平移技术的 局限性。他们指出当气压近似认为1atm时，基于毛细现象 的基质吸力，近似等于负孔隙水压力既孔隙水张力。受气 化的影响，孔隙水中的张力不可能大于某一界限值（100400kPa左右）。在实际场地中大于这一值的基质吸力，由于 受孔隙水气化的影响，是不存在的。所以当吸力超过这一 界限值（100-400kPa左右）时，它代表什么，具有何种含义？ 此时非饱和土有效应力的适用性如何？
该点处各个方向截面上应力的集合，称为一点处的应力状态
z
zx
y yz
xy
x
x xy xz ij = yx y yz zx zy z
1. 应力状态变量
应力状态
zx
材料力学
z +
正应力
剪应力
-
zx
土力学
z
xz+x拉为正 压为负顺时针为正 逆时针为负
4. 双应力变量理论
轴平移技术
表压力
绝对压力
4. 双应力变量理论
轴平移技术
轴平移技术：最初由Hilf（1956）提出，在升高非饱和土内
孔隙气压力的同时，把孔隙水压力维持在可测量的参考值 内。
原来的基质吸力变量的参考值，称之为“轴”，从负的水
压和大气压条件“平移”到大气水压与正的气压条件。
可保持固 定的形状
不具有特 定的形状
1. 应力状态变量
土——多孔介质
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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
m o g a
15℃ 30℃ 45℃ 60℃
温度
3 u a 100kPa
u a u w 100 kPa
15℃ 30℃ 45℃ 60℃
吸力的影 响
400 350
/kPa
300 250 200 150 100 50 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Conservation of water mass
Conservation of solid mass
Equilibrium
w n div ( jw ) 0 t
Darcy’s lawFra bibliotek s (1 n) ) 0 b 0 div ((1 n) s u t
非饱和土土力学理论
3、非饱和土的强度理论
（2）Fredlund的抗剪强度公式
基于土水特征曲线的表达式
f c ( ua ) f tg (ua uw ) f tg b
f c ( u a )tg (u a u w )(
tg tg (
（1）Bishop的抗剪强度公式
f c （ ua ) f tg (ua uw ) f tg
非饱和土土力学理论
3、非饱和土的强度理论
（2）Fredlund的抗剪强度公式
f c ( ua ) f tg (ua uw ) f tg b
3-D consolidation
2 2 2 p p pw pw 1 p k k 2 w w pw 2 2 2 wm w m x y z t 3 t
Biot (elastic)
传统（经典）土力学的局限
固 结 理 论
平衡方程
280 240
320 280
/kPa
/kPa
200 160 120 80 40 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
240 200 160 120 80 40 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
温度
3 u a 50kPa
u a u w 100 kPa
强度理论与本构模型
库仑公式 本构模型
屈服面
f c tg
Ducan－Chang模型 ， 剑桥模型
极限状态面
传统（经典）土力学的局限
固 结 理 论
pw
1-D consolidation
k 2 pw pw 2 wm z t
(Lambe & Whitman,1969)
缪林昌结合Bishop公式和Fredlund公式，直接用含水量或饱和度来表示非饱和土的强度：
f cw tanw
1
lg c a1 b1w
lg a2 b2 w
f c tan A110B w tan(A210B w )
2
A110
B1
传统（经典）土力学的局限
1、传统土力学理论都是针对饱和土建立的，对非饱和土无能为力，只
能称之为饱和土力学
两相介质(固体和液体)
只涉及土的变形，不考虑水量的变化（因为对饱和土
v w）
唯一应力状态变量——有效应力
用总应力或有效应力分析
pw
传统（经典）土力学的局限
一屈服面模型。
* p0 p0 ms n[e / patm 1]
吸力的影响
200
吸力 s(kPa)
150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 300 净平均应力 p(kPa)
LC屈服面
s
s * p p0 ms n e pat 1
修正SSCC 含水率4.8% 含水率15.2% 含水率25.4% 未修正SSCC 饱和试样
'
10 20 30
饱和破坏包络线 40 50 60
和及非饱和时，其摩擦
角变化不大，主要是粘 聚力随含水量在变化。 明确了粘聚力的物理含 义。
-50
-40
-30
-20
-10 0 -20 -40
n '(kPa)
s patm H t 3 ln10 ( p)
H wt
s p atm ds 3 ln 10 d w w ( p)
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
吸力随含水量变化，其表现形式不同
非饱和土土力学理论
吸力随含水量变化，其表现形式不同
非饱和土土力学理论
1、非饱和土应力状态
非饱和土的应力—应变
非饱和土土力学理论
2、非饱和土的有效应力
Fredlund(1978)
( u a ) (ua uw )
k
k
r s r
Se Gs
tan(A210
B2
Se Gs
)
非饱和土土力学理论
3、非饱和土的强度理论
（5）陈正汉等认为，土的强度随温度和吸力的升高而增大，重塑黄土的凝聚力随 吸力增加而提高，内摩擦角则基本不变，据此建立了土的广义抗剪强度公式：
f c k T T (ua uw )f tan b ( ua )f tan
p
SI屈服面 统一屈服面
p-s平面的屈服轨迹
p-q平面的屈服轨迹 统一屈服面模型
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（Sheng Daichao）
非饱和土应力应变关系
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（Sheng Daichao）
未修正SSCC曲线
-60 -80 修正SSCC曲线 -100
(ua uw)(kPa)
) tan ( ua ) tan ( s
f C0
( uw ) tan ' C 0 tan '
f
非饱和土土力学理论
3、非饱和土的强度理论
（4） 直接用含水量表示的抗剪强度公式
非饱和土应力应变关系
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（Sheng Daichao）
非饱和土应力应变关系
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（Sheng Daichao）
非饱和土应力应变关系
式中为总势能
m 为基质势，由土粒对水的吸引力引起；
o为溶质势，由溶解盐离子的作用力产生；
g 为重力式；
a 为气压势。
s ua u w
基质吸力
非饱和土土力学理论
非饱和土存在双应力状态变量：净正应力和基质吸力
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。
非饱和 状态
颗粒与颗粒之间的接 触作用力 （Ⅲ型）
负的孔隙水压力
非饱和土土力学理论
2、非饱和土的有效应力
Ft
Lu Ning(2001)
' u s'
a
C0
吸应力
s' (u u )
pc C0 cap a w
毕肖普定义的非饱和 土有效应力没有切实考虑 物理化学机制和表面张力 机制中的颗粒间应力，概 念并不是十分明确。