从饱和度再认识非饱和表层土吸力
非饱和土力学-第三节渗透性 Color
0 t
0 ( ) ( ) ( ) x x y y z z
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2
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w au a RT
为了得到类似于达西定律的形式，1971年，
Blight，将空气传导系数Da进行如下修改
c u a J a Da u a y
D* a Da
u a h a * J a D D a a g D* a a gi ay y y
非饱和土的渗水性试验---稳态试验方法 是常水头试验方法，P1和P2为试样上下陶土板。P1的上部用常水头 供水装置保持水头不变；P2的下部用维持水位不变的接水装置接住 从土样流出的水。土样一直处于常水头差作用下。右侧为供气装置。 控制土样的气压ua。通过U形管中两边水银面高差可控制气压。左侧 T1和T2两点引出侧压管，量测两点，即两个不同高度的水头，两点 的距离为d。虽然供水瓶和接水瓶的水位是已知的，当通过陶土板 时有水头损失，故还需在土样中T1和T2两点另测水头， 才能反映土体中实际水头损失。 水头梯度： hw3 hw 4 Q V i q A At d 试样的平均水压力
v x v z dxdz (v x dx v x )dz (v z dz v z )dx t x z v x v y t x y
非饱和土中的水流运动方程
基质吸力对非饱和土的影响
非饱和土三轴试验
三轴试验是非饱和土室内测量土抗剪强度最常用的试验方 法之一，已有的三轴试验方法很多，但其基本原理都是相 同的。三轴试验的试件是圆柱形的，试件外面包有橡皮膜 。并放置在三轴受压室中进行试验，三轴受压室中充满水 ，通过水施加恒定的周围压力，通过试件顶面接触的加荷 活塞在实践上施加轴向应力。根据非饱和土在三轴试验中 的排水情况不同，三轴试验可以分为固结排水试验，常含 水量试验，固结不排水试验，不排水试验，无测限压缩试 验。由于非饱和土三轴试验需要直接测量或控制吸力，因 此，必须对常规三轴仪进行改造。
谢定义(1999)
用有效球应力和有效偏应力表示的有效应力型应力状态变 量明确地表明了以基质吸力反映的收缩膜张力为非静水压 力型应力的这种特性。
基质吸力的描述-基质吸力可以看作是土基质对水的吸持潜能
基质，是指细小的土颗粒。基质吸力可以看作是土基 质对水的吸持潜能。土基质吸持水分的机理十分复杂，但 可概括为吸附作用和毛细作用。单纯使用毛细模型来解释 和表达基质吸力具有一定的局限性，但是由于毛细作用的 机理比较清楚，数学处理也比较便利，所以在非饱和土力 学的定量研究中常常还是将基质吸力作用等同于毛细效应 。
基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响
Fredlund提出非饱和土剪切强度能够利用饱和土剪切强度 参数和土水特征曲线计算出来，即从吸力作用面积随饱和 度减少而减少的理论出发，建议了下列非线性强度公式余 饱和度。
式中 ：c' sutanua' -u uaw 是ta 吸n力'S 0 u 1 s s sr r ds
0 1
基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响
Frealun质吸力 ua uw来定义非饱和土抗剪强度。吸力对抗剪强度
非饱和黄土状土基质吸力试验研究
１ ２ 试 样 制备 ．
在黄土分布区 ， 以黄 土为 主要施 工材料 的路 基及建 筑物 ，
压实 土层 之间存在着不 同的基本物理 状态 ， 如含水率 和干密度 不 同。为了研 究不同状态下重塑黄土基 质吸力变化 规律 ， 将含
水 率 为 ７ 、０ 及 １％ 的 土 料 ， 别 按 干 密 度 Ｐ ％ １％ ３ 分 为 １４ ．０、
状粉 土标记 为土 Ｉ 黄土状 粉质黏土标记 为土 ２ 两种 土的基本 ， ，
物 理 性 质 指标 见 表 １ 颗 粒 分 析 结 果 见 表 ２ ， 。
表 １ 黄 土 状 土 的 基 本 物 理 性 质 指 标
２ ２ 试 验方 法 ．
在 非 饱 和 土 三 轴 仪 器 上 ， 用 直 接 测 量 的 方 法 测 出 土 样 的 采 基 质 吸 力 大 小 。基 质 吸 力 为 土 中水 自由 能 的 毛 细 部 分 ， 过 测 通
表 ２ 黄 土 状 土 颗 粒 级 配
基质吸力是土对水 的吸持潜 能 ， 非饱 和土 的基质吸力 与土 的水分状态相关 ， 含水量 对基质 吸力 存在 影 响。一般认 为 ， 基 质吸力随含水量 的增大 而单 调减 小 ， 但也有学 者认为基 质吸 力与 含水量并不存 在一一 对应 的单值 关 系 Ｊ 。作为 基质 吸力
密度 的 增 加 缓 慢 增 加 ， 含 水 率 为 １％ 和 １％ 时 基 质 吸 力 随 干 密度 变化 先 增 大后 减 小 ， 在 ０ ３ 并且 有 明 显峰 值 的 非 线 性 关 系 ； 黄 土 状 土的 黏 性 只对 基 质 吸 力 大 小 产 生 影 响 ， 其 基 本 变化 规 律 无 影 响 。 对
１６ 、．０ １７ ／ ｍ ．２ １７ 、．８ｇ ｃ 。和 １９ ／ｍ ． ８ｇ ｅ 在 三轴重 塑土 样压 实仪 上制成高 ｈ：１ ｍ、 ２ｃ 直径 ＝ ６ｍ的圆柱形试样 ， 然后将所制成
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。
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。
饱和度对非饱和黄土抗剪强度的影响
山东农业大学学报(自然科学版),2020,51(6):1074-1079VOL.51NO.62020 Journal of Shandong Agricultural University(Natural Science Edition)doi:10.3969/j.issn.1000-2324.2020.06.017饱和度对非饱和黄土抗剪强度的影响邢琳,任亚宁,申向梁国网河北经研院,河北石家庄050000摘要:为研究含水率对非饱和黄土抗剪强度的影响，本文对不同饱和度下的原状黄土试样与重塑试样分别进行了直接剪切实验。
结果发现：随着饱和度的增大，两种黄土试样的剪切强度表现出逐渐降低的现象；由摩尔库伦强度准则得到黏聚力呈线性减小，内摩擦角的下降趋势逐渐减缓最终趋于稳定；原土试样对饱和度的敏感性明显低于重塑试样；经机理分析认为非饱和黄土的剪切强度受矿物成分、含水状态和结构性的综合影响；因此提出水分和黄土结构性的表达式，有效地预测了非饱和黄土的力学指标。
关键词:非饱和黄土;饱和度;剪切强度中图法分类号:[P642.3]文献标识码:A文章编号:1000-2324(2020)06-1074-06Effect of Saturation on the Shear Strength of Unsaturated Loess XING Lin,REN Ya-ning,SHEN Xiang-liangState Grid Hebei Economic Research Institute,Shijiazhuang050000,ChinaAbstract:In order to study the effect of water content on the shear strength of unsaturated loess,direct shear experiments were carried out on undisturbed loess samples and remolded loess samples with different saturation.The results showed that the shear strength of the two samples decreased gradually with the increase of saturation.According to the molar coulomb strength criterion,the cohesion decreases linearly and the Angle of internal friction decreased gradually and finally become stable.The sensitivity of undisturbed sample to saturation was lower than that of ordinary loose soil sample.According to the analysis of mechanism,it was concluded that the shear strength of unsaturated loess was affected by mineral composition, water bearing state and structure.An expression of the strength of the unsaturated loess which took into account the structure of the loess and the water.The strength expression could effectively predict the mechanical index of unsaturated loess. Keywords:Unsaturated loess;saturation;shear strength黄土是一种广泛分布在我国黄河流域的一种特殊土体，主要由碎屑矿物和黏土矿物组成，遇水发生湿陷现象是该地区黄土的常见特性[1]。
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
基质吸力与饱和度的关系
基质吸力与饱和度的关系哎呀呀，今儿个咱就来说说这基质吸力和饱和度的关系。
你说这基质吸力啊，就像是个调皮的小孩子，有时候可让人捉摸不透呢。
咱先说说这基质吸力是啥玩意儿。
它呀，就好像是土壤或者其他啥基质里面藏着的一股神秘力量，会对水啊之类的东西产生影响。
你想啊，这土壤里要是没了这股神秘的吸力，那水不就到处乱跑啦，那可不行嘞。
再来说说这饱和度。
饱和度就像是给基质吸力找了个伴儿似的。
饱和度高的时候啊，基质吸力有时候就变得乖乖的，不咋闹腾；可要是饱和度低了呢，嘿，这基质吸力就开始调皮啦，变得不太听话嘞。
我记得有一回啊，我在那研究一块土样。
我就盯着它看啊看，心里琢磨着这基质吸力和饱和度在里面到底咋捣鼓的。
那土样啊，看着普普通通的，可这里面的门道可多着呢。
我就感觉自己像是个侦探，在努力解开这个神秘的关系谜团。
有时候我就在那自言自语，“哎呀，这基质吸力和饱和度到底咋回事嘛。
”旁边的人都看着我笑，说我跟那土样较上劲了。
可我不管，我就是想弄明白它们之间的关系。
你说这基质吸力吧，它能影响水在基质里的分布和运动，就像个指挥家似的。
而饱和度呢，就像是个舞者，跟着基质吸力的指挥在那跳来跳去。
它们俩啊，有时候配合得可好了，有时候又像是闹了别扭似的。
我还专门找了好多资料来看，那些资料上密密麻麻的字啊，看得我眼睛都花了。
但我还是坚持看下去，就为了能更清楚地了解这基质吸力和饱和度。
有一次，我和我那朋友说起这个，我那朋友还笑话我，说我研究这个有啥用啊。
我可不这么认为，我觉得这可重要了嘞。
要是不搞清楚它们的关系，那很多工程啊、农业啊啥的不都得受影响嘛。
我就这么天天琢磨着，有时候想得脑袋都疼了。
但我还是不放弃，我就不信我弄不明白。
哎呀呀，说起来这基质吸力和饱和度的关系啊，还真不是三言两语能说清楚的。
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。
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‘第３４卷第７期 ２ ０ ０ ７年７月 湖南大学学报（自然科学版）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ） ＶｏＩ．３４。Ｎｏ．７
Ｊｕ１．２ ０ ０ ７
文章编号：１０００—２４７２（２００７）０７—０００２２—０５ 从饱和度再认识非饱和表层．－ｔ－．吸力。 刘小平¨，赵明华 ，陈 安 ・３ （Ｉ．湖南大学岩土工程研究所，湖南长沙４１００８２；２．中南大学地学与环境工程院，湖南长沙４１００８３； ３．湖南省交通规划勘察设计院，湖南长沙４１０００８）
摘 要：为了探讨非饱和土水膜中的重力水对总吸力的影响，根据饱和度大小情况，将 非饱和土中的水、气形态分成了四类，即界限饱和度Ｓ，１，Ｓ ２，Ｓ ３，Ｓ ｒ４．分析了非饱和土中的 总吸力组成和水膜中重力水对总吸力的影响，并推导出界限饱和度Ｓ ２条件重力水对总吸 力影响的计算公式，在此基础上给出了颗粒级数分别为１０－３ ｍｍ～１００ ｍｍ的总吸力与饱和 度的关系图．最后选择了一种试验值模拟比较．模拟比较表明，考虑重力水的作用下理论计 算值与实测值更加吻合，从而证实了重力水对吸力的影响是不可忽略的． 关键词：吸力；非饱和土；饱和度；毛细作用；水气形态分类 中图分类号：ＴＵ４４１．３１ 文献标识码：Ａ
Ｒｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｏｉｌ’Ｓ Ｓｕｃｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ Ｏｎ Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ＬＩＵ Ｘｉａｏ—ｐｉｎｇ¨，ＺＨＡＯ Ｍｉｎｇ—ｈｕａ ，ＣＨＥＮ Ａｎ ・
（Ｉ．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｅａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ ４ １００８２。Ｃｈｉｎａ； ２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｙ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ ４１００８３。Ｃｈｉｎａ： ３．Ｈｕｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｐｌａｎｎｉｎｇ，Ｓｕｒｖｅｙ＆Ｄｅｓｉｇｎ。Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ ４１０００８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒａｖｉｔｙ ｗａｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｆｉｌｍ ｏｎ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｓｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｏｉｌ，ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ－ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ｗａｓ ｃｌａｒｉｆｉｅｄ ｉｎｔｏ ｆｏｕｒ ｔｙｐｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｓａｔｕｒａ— ｔｉｏｎ，ｎａｍｅｌｙ，ｔｈｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ Ｓｒ１，ｔｈｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ Ｓｒ２，ｔｈｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ Ｓ ３，ａｎｄ ｔｈｅ
ｂｏｕｎｄａｒｙ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ Ｓｒ４．Ｔｈｅ ｉｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒａｖｉｔｙ ｗａｔｅｒ ａｃｔｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｓｕｃｔｉｏｎ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉ— ｃａｌｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒｍｕｌａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｓｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｄｅｇｒｅｅ ｗａｓ ｏｂ— ｔａｉｎｅｄ．Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｌｙ，ｔｈｅ ｄｉａｇｒａｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｗｉｔｈ ｇｒａｉｎ ｒａｄｉｉ ｒａｎｇｅｄ １０一’ｍｍ～１０。ｍｍ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｓｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｄｅｇｒｅｅ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ， ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． ｗｈｉｃｈ ｃｌｅａｒｌｙ ｃｏｎｆｉｒｍｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｇｒａｖｉｔｙ ｗａｔｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｓｕｃｔｉｏｎ ｃａｎ ｎｏｔ ｂｅ ｉｇｎｏｒｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｃｔｉｏｎ；ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｏｉｌ；ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ；ｃａｐｉｌｌａｒｙ ａｆｆｅｃｔｉｏｎ；ｔｈｅ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗａ—
ｔｅｒ－ａ ｉｒ ｓｔａｔｅ
非饱和土吸力是土颗粒问的水气两相及其界面 （或收缩膜）相互作用的结果，国内外众多学者对非 饱和土的研究均从这些方面进行．国外最早研究非 饱和土强度特性的学者Ｈａｉｎｅｓ［ 在１９２５年就提出 了粘土吸力的增加提高了粘土的凝聚力及土的强 度；Ｂｉｓｈｏｐ［ ］提出著名的基质吸力（“。一“ ）概念，
Ｆｒｅｄｌｕｎｄ［ ］提出的非饱和土的有效应力公式很长一 段时间受到工程界的认可．但是，随着有关非饱和土 工程实践中出现的问题及研究的不断深入，Ｂｉｓｈｏｐ 及Ｆｒｅｌｕｎｄ公式的适应性越来越受到限制，其局限
・收稿日期：２００６－０９－２１ 基金项目：教育部高等学校博士学科点专项基金资助项目（２００２０５３２００８） 作者简介：刘小平（１９７７一），男，江西永丰人，湖南大学博士研究生 ｔ通讯联系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｉｇｃａｌｆ１９９７＠１６３．ｎｅｔ
维普资讯 http://www.cqvip.com 第７期 刘小平等：从饱和度再认识非饱和表层土吸力 性也显露出来．国内卢肇钧 ］提出的膨胀力Ｐ 的概 念，认为膨胀力Ｐ 可能代表由吸力引起的土体内部 的有效压应力；沈珠江［ ］提出折减吸力及广义吸力 概念；汤连生［ ］认为粒间吸力应分为本征结构吸 力、可变结构吸力、有效基质吸力、湿吸力及牵引力 等．目前研究非饱和土强度特性时均没有考虑到非 饱土中重力水及水膜性质影响，非极干燥非饱和土 中都存在重力水，其本身的重量及水膜对非饱和土 的强度特性应有一定的影响，特别是对非饱和浅层 表土及重塑土，重力水及水膜的影响更应不容忽视． 为此，本文对这方面进行相关的研究．
１ 非饱和土中水、气存在的形态与饱和度 Ｓ，关系分析
俞培基等 Ｊ将非饱和土中的孔隙水气形态划 分为三类：低饱和度土，即气体连通而土粒接触面的 弯液面水不连通；中饱和度土，即水和气体都是连通 的；高饱和度土，即水连通而气不连通．汤连生 Ｊ根 据含水状态分为悬挂状非饱和土、索状非饱和土及 孤立空气非饱和土．本文为了研究非饱和土中水的 重力作用对非饱和浅层表土总吸力的影响，重新对 水、气形态进行了划分． 非饱和土中吸力的主要组成部分——弯液面张 力，对土体强度贡献与土体本身的饱和度分不开的． 土体饱和度很低时，即土中的水只在颗粒间以弯液 面的形态出现，颗粒间以骨架相接触，即水膜的厚度 为零，局部的弯液面张力达到最大值，相应的饱和度 称之为非饱和土的界限饱和度Ｓ １（见图１（ａ））；土 体较为干燥、饱和度中等时，土中的水不仅有毛细水 （弯液面水），还有少量的重力水，在颗粒问弯液面张 力的作用下，把其余重力水全部“拉回”颗粒间，形成 具有一定厚度的水膜 ２，颗粒间以水膜相接触，则 相对应的饱和度称之为非饱和土的界限饱和度Ｓ （见图１（ｂ））；土体较湿、饱和度高时，土中的水有毛 细水（弯液面水）及较多的重力水，颗粒问的孔隙全 部被水充填，在颗粒间弯液面的张力的作用下，把重 力水“拉回”颗粒间，形成最大厚度的水膜 ，此时， 颗粒间的张力为零，颗粒间以厚度水膜 相接触， 且有气相连通及水相连通，则与此相对应的饱和度 称之为非饱和土界限饱和度Ｓ （见图１（ｃ））；土体 完全饱和、饱和度很高时，颗粒间的孔隙全部被水充 填，颗粒问的基质吸力为零，颗粒间仍以水膜厚度为
４接触，只有水相连通或少量空气以封闭式的形态 存在，部分小气泡能够随水流动，则与此对应的饱和
度称之为非饱和土的界限饱和度Ｓ，４（见图ｌ（ｄ）） 醯圈
（ｃ） （ｄ） 图１ 非饱和土中水、气状态
Ｆｉｇ．１ Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ａｉｒ ｏｆ ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｏｉｌ
２非饱和土中吸力 吸力是非饱和土强度的一个重要组成部分，在 这里定义凡是能够增加非饱和土抗剪强度因素的总 和称为广义吸力．从土性原理来分析，广义吸力应包 括静电力、表面水化和离子水化作用、主价连接和胶 结连接、齿合力、双电层作用、范德华力、毛细管作 用、孔隙气压力、孔隙水压力、基质吸力等．非饱和浅 层表土或重塑土中的胶结微弱，主要的作用力—— 基质吸力、毛细管张力，它们是随着饱和度（含水率） 变化而变化最显著的力． ２．１基质吸力 在任何非饱和土中，存在一种特殊的应力—— 基质吸力，对土的强度特性有重大影响．如图２（ａ） 所示，根据罗戴Ａ Ａ［ ，基质吸力的计算公式为
ｓ＝“。一“ ＝ａ（１／ｒｌ一１／ｒ２）， （１） 式中“。，“ 分别为孔隙气压力和孔隙水压力．由此 可得到负的孔隙水压力作用下对土颗粒的吸力 “ ＝７【ａｒ （１／ １—１／ｒ２）， （２） 式中ｒ１，ｒ２是互反弯液面（水一气界面）的两个曲率半 径，其中０为水与固体的接触角，ｒ．＝Ｒ（ｓｉｎ（ ＋ ）＋ Ｏ０６ 一ｓｉｎ 一ｓｉｎ ０—１）／ｃｏｓ（ ＋０），ｒ２＝Ｒ（１一 Ｏ０６ ）／￣ｏｓ（ ＋ ）．当土体为饱和土时，基质吸力 为零．
（ｂ） 图２颗粒问水一气一固界面的平衡状态 Ｆｔｇ．２ Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ－ａｉｒ－ｓｏｌｉｄ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｇｒａｉｎｓ ２．２毛细管张力
水气相连时，毛细管水气接触面一收缩膜，与土
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