土力学中非饱和土体强度变形本构模型研究
非饱和土与特殊土测试技术新进展
非饱和土与特殊土测试技术新进展随着工程建设的不断发展，非饱和土与特殊土测试技术在土木工程、地质工程等领域发挥着越来越重要的作用。
近年来，非饱和土与特殊土测试技术取得了显著进展，本文将分别探讨其新进展、应用现状及未来研究方向。
非饱和土是指土体中含水量未达到饱和状态，即含水率低于最大含水率的土。
非饱和土测试技术主要研究土体在非饱和状态下的各种性质，如有效应力、气体传输等。
在非饱和土测试中，气体传输机理是影响测试结果的关键因素。
气体传输包括气体在土体中的扩散和渗透，受到土体孔隙特征、含水率、气压差等因素的影响。
因此，研究气体传输机理对于非饱和土测试技术的进步至关重要。
特殊土是指具有特殊性质的土体，如膨胀土、盐渍土和软粘土等。
这类土体的性质与常规土体存在明显差异，因此在测试技术上也需要针对性地研究。
对于膨胀土，测试重点在于研究其膨胀性和收缩性；对于盐渍土，则需其盐分含量和离子交换等特性；对于软粘土，需要考察其强度和变形特性。
然而，现有的特殊土测试技术仍存在一些问题，如测试结果受环境因素影响大、测试周期长等。
因此，未来研究需要进一步优化测试方法，提高测试效率，同时加强理论模型的研究，以更好地解释测试结果。
近年来，非饱和土与特殊土测试技术取得了诸多新进展。
在非饱和土测试方面，随着计算机技术和数值模拟方法的不断发展，非饱和土力学模型的研究逐渐深入。
新型测试设备如气体渗透仪、压力板仪等也为非饱和土测试提供了更为准确、便捷的手段。
在特殊土测试方面，研究者们针对各类特殊土的特性，研发出了一系列新的测试方法，如超声波检测、电学特性测量等。
同时，有关特殊土体本构关系和数值模型的研究也取得了重要进展，为特殊土体的工程设计和施工提供了更为准确的依据。
非饱和土与特殊土测试技术的不断进步为土木工程和地质工程提供了更为可靠的技术支持。
尽管现有的测试技术已经取得了一定的成果，但仍存在诸多挑战和问题，如气体传输机理的复杂性、特殊土体本构关系的多样性等。
关于Bishop非饱和土有效应力公式等几种有效应力认识的分析
关于Bishop非饱和土有效应力公式等几种有效应力认识的分析I. 引言- 研究有效应力的意义和背景- 概括本文研究内容和目的II. 有效应力的概念和定义- 定义"有效应力"- 讲解"应力"的概念和种类，分别为总应力、孔隙水压力、渗透应力和有效应力。
- 强调有效应力的重要性和应用范围III. Bishop非饱和土有效应力公式- 简要介绍Bishop非饱和土有效应力公式的来历和引用范围- 重点分析该公式的含义和计算方法- 对其实际应用进行分析和解释IV. 其他有效应力认识- 介绍其他有效应力的计算方法，包括正交不变应力、Mohr-Coulomb应力、Tresca应力等- 通过实例进行对比分析，从而更好地理解各种有效应力的优缺点和应用范围V. 案例分析和总结- 案例分析：通过具体案例分析探究本文介绍的有效应力计算方法的应用- 总结：结合本文的内容，对有效应力的认识进行总结，并简要阐述进一步研究该领域的研究方向VI. 结论- 简要回顾本文的主要观点和内容- 呼吁进一步研究有效应力及其应用领域，并指出当前研究所面临的挑战- 提出有效应力研究的技术、方法和应用意义，并展望未来研究的发展趋势。
VII. 参考文献- 罗列本文所用到的参考文献，并简要说明参考文献的相关作用第一章：引言有效应力是土体稳定性和受力性质等方面研究中的关键参数之一，其有效性对土力学和地质力学领域的研究有着广泛的应用。
在土体的力学分析中，将土壤中的应力分解为总应力和孔隙水压力两部分，其中有效应力实际上是指土壤的实际有效分力，这种效应表示了地下水在土壤中的渗透作用对土壤应力状态的影响，因此具有非常重要的作用。
通过对有效应力的研究，可以更好地理解土体的力学行为和力学性质，为土工工程和地质工程的设计和施工提供重要参考。
本文从有效应力的概念入手，介绍了有效应力的基本定义和在土体力学中的应用范围。
它着重介绍了Bishop非饱和土有效应力公式，分析了其实际应用方法，以及其他有效应力的计算方法，以便更好地理解各种有效应力的优缺点和应用范围。
黄河大堤非饱和土的强度特征及其稳定性分析
２ １ 抗 剪力公 式 ．
根据非饱和土抗剪强度公式 Ｈ及静力平衡原 理 ， 土条底面
上的非饱和土抗剪强度公式 可以写成 ：
ｓ 等［ ＋ ｏ ～ ｔ 咖＋ Ⅱ一 ）ｎ ］（ ＝ ｃ （ Ⅱ ａ （ ｔ ｒ ）ｎ ａ １ ）
究具有重要 的意义 。
不同起始含水量 的试样 而言 ， 抗剪强度包线的 内摩擦角相差无
几， 但凝 聚力却有很大 的差别。
根据试验数据 ， 制不 同含水量 与总凝 聚力的关 系曲线 ， 绘 并利用最小二乘法 对两 者之 间的 函数进行 拟合 ， 结果 见图 １ 。 实测与拟合内聚力的最 大相对误差 为 ６０ ， ．％ 满足工程要求。
渗流计算采用黄河下游历年最高洪水水位及大堤水位计 算， 以黄河大堤堤角为基准面， 洪水期水位在基准面以上 ８ｍ， 在随后的瞬变过程中， 水位保持常数 ８ｍ 不考虑降雨入渗对边 ，
坡 的影 响。根据 改进 的二 维饱 和～非 饱 和渗流有 限元计 算 程 序Ｓ Ｓ ２ ＷＭ － Ｄ进行 分析计算 ， 将试验所得 的渗透 函数和土水特 征 曲线 函数加 入程 序中 ， 到饱 和～ 非饱 和 区域 在不 同时期的 得 水头分布 、 浸润线位置及渗流场的分布规律 。从开始稳态 （ 时问
黄河大堤非饱和土强度
非饱 和土不 同于饱 和土 的根本原 因在 于非饱 和土 中存在
基质吸力 。利用改进 的非饱 和土 三轴仪对 不 同含水量 下黄河
一
大堤的非饱 和土强度 进行 试验 ， 出了非饱 和土 的基质 吸力 、 得
、
内摩擦 角、 内聚力等工程特性参数（ 见表 １ 。 ）
土体的基质吸力就越大 ， 抗剪强度亦越大， 含水量趋于饱和时，
基于COMSOL的非饱和土中单桩垂直动力特性研究
基于COMSOL的非饱和土中单桩垂直动力特性研究目录一、内容概述 (2)1. 研究背景和意义 (3)2. 国内外研究现状及发展趋势 (4)3. 研究目的和内容 (6)二、理论基础与文献综述 (7)1. 桩土相互作用理论 (8)2. 非饱和土力学特性 (9)3. COMSOL多物理场仿真软件介绍 (10)4. 相关文献综述及研究现状 (10)三、模型建立与问题定义 (11)1. 研究对象的确定及几何建模 (13)2. 材料参数与初始条件设定 (13)3. 动力学方程的建立及求解方法 (14)四、非饱和土中单桩垂直动力特性分析 (15)1. 单桩在垂直荷载下的静力特性分析 (17)2. 单桩在动力荷载下的响应分析 (17)3. 非饱和土对单桩动力特性的影响研究 (19)五、基于COMSOL的数值模拟与分析 (19)1. 数值计算模型的建立及验证 (20)2. 模拟计算过程及结果分析 (22)3. 模拟结果讨论与影响因素研究 (23)六、实验设计与实施 (25)1. 实验目的和实验方案的设计 (26)2. 实验设备与实验过程介绍 (27)3. 实验结果分析与讨论 (28)七、结论与展望 (29)1. 研究成果总结 (30)2. 对未来研究的展望与建议 (31)一、内容概述本文将介绍研究的背景与意义，阐述非饱和土中单桩垂直动力特性的重要性，以及其在工程实践中的应用价值。
随着土木工程建设规模的扩大和复杂性的增加，桩基作为重要的基础结构之一，其动力学特性分析成为了研究的热点和难点。
特别是在非饱和土条件下，单桩的动力特性更加复杂，对其进行深入研究有助于为工程实践提供理论支撑和指导。
本文将概述研究问题的现状，包括当前非饱和土中单桩垂直动力特性的研究现状、存在的问题以及研究的必要性。
尽管有关饱和土中单桩的动力特性研究已经取得了一定的成果，但对于非饱和土条件的研究仍然相对缺乏。
本文旨在填补这一研究空白，为非饱和土中单桩的动力特性分析提供新的思路和方法。
干湿循环对非饱和土力学性质影响研究
安徽建筑检测试验与测量技术作者简介：卞明智（1983-），男，四川自贡人，毕业于重庆交通大学结构工程专业，研究生，硕士，高级工程师。
专业方向：道路工程。
摘要：自然界和工程中大多为非饱和土，非饱和土是气态、液态、固态三相互相影响、互相耦合的混合体，特别是气相与液相交接面处的气-液二相水膜具有表面张力，宏观上表现为毛细作用，在微观力学分析中具有不可忽略的作用。
文章采用非饱和土三轴仪在降水渗流-蒸发固结循环下进行多次压缩试验，研究了反复干湿循环对非饱和土力学性质的影响。
试验成果表明：①干湿循环使非饱和土的SWCC 值产生不可逆转的变化，在蒸发固结的脱湿路径中，单位体积含水率相同的条件下，由于RDW1土样内部钙质、矿物质及盐分等溶解、流失导致化学场变化而引起主体结构发生了某些变化，土壤内的孔隙度增加，因此RDW1较型RC1受到更显著的影响，力学参数指标明显下降；②基质吸力在0kPa-1kPa 时，孔隙比变化平缓；随着基质吸力的进一步加大且超过一定阈值，试样达到屈服点，以致土体内部结构疲劳，非饱和土样的固结收缩特性发生了不可逆转的变化，在土样到达屈服极限之前各项收缩指数增加，随着基质吸力增加孔隙比均不再变化，孔隙收缩的尺寸效应不甚明显；③经过多次降水渗流-蒸发固结循环后，剪切破坏产生明显剪切滑裂面，土体力学性质降低，抗剪强度参数降低，其中剪应力减少约5%，内摩擦角下降10%。
关键词：干湿循环；力学性质；非饱和土；机理分析中图分类号：TU43文献标志码：B文章编号：1007-7359（2019）09-0243-02DOI ：10.16330/ki.1007-7359.2019.09.0961概述非饱和土边坡，是典型的三相土壤结构，比常规的饱和土体相比多了一个气相，但研究土体结构时并不是单纯的加入一个气相，而是气态、液态、固态三项互相影响、互相耦合的状态。
特别是气相与液相交接面处的气-液二相水膜具有表面张力，生活中宏观称为毛细作用。
非饱和土边坡稳定性分析的研究
有 限元软件 Ｐ ｘ ， ｌ ｉ 采用修正剑桥模 型 ， ａｓ 分析降雨 引起 土体饱 和度
水位 的上涨 或在相 对隔 水层 以上 出现暂 时性 的地 下水 带 。当降 增加 而造成 吸力丧 失。 雨 时 间 与 强 度 超 过 一定 限度 时 ， 导 致 边 坡 失 稳 乃 至 滑坡 破 ２ 边坡 稳定分 析 可
３ 非饱 和土边坡 由于周期性的干湿循 环 ， ） 导致土 体开裂 出现 裂缝进 而造 成边坡失稳 。 限元 系列 软件 ， 以用于各 种岩 土工程 问题 中变形 、 可 稳定 性和 地
２ 非饱和土 由于降雨 或水位上升 ， ） 导致 土体 内吸力丧失 而造 下水渗流 的分 析。
２ ２ 修 正剑 桥模 型 ．
土体 的本构模 型采用修 正剑桥模 型 ， 其屈服函数 内在 以及 外在 因素 中 ， 降雨 入渗是 主要 的破坏 因素 。 目前研 究 的难点 与关键 在 于如何 计算 雨水入 渗在 边坡土体 中引起 的渗 流 ， 由于暂态渗 透是一个 非常 复
非 饱 和 土 边 坡 稳 定 性 分 析 的 研 究
李 树 忠
（ 辽宁工程勘 察院 ， 辽宁 锦州 １ １０ ） ２ ０ ０
摘
要： 通过对非饱和度边坡 稳定性进行有 限元分析 ， 对降雨过程 中非饱和 土的边坡参 数进行 了分 析 ， 出 了解决 非饱和土 稳定 提
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
含水率与非饱和土抗剪强度的关系
含水率与非饱和土抗剪强度的关系在土力学领域中，研究土体力学性质的一个重要方面是含水率与非饱和土抗剪强度之间的关系。
含水率是指土壤中水的质量与固体的质量之比，通常用百分比表示。
而非饱和土则是指土壤中存在空隙但未饱和的状态，即土壤中同时存在水分和气体。
含水率是影响土体力学特性的重要因素之一。
当含水率过高或过低时，土体的力学性质都会受到影响。
在非饱和土体中，含水率的变化会导致土体内的毛细吸力变化，进而对土体的抗剪强度产生影响。
本文将探讨含水率对非饱和土抗剪强度的影响，并阐述相关研究成果。
1. 含水率与非饱和土抗剪强度的通常关系研究表明，在一定范围内，含水率的增加对非饱和土的抗剪强度有正向影响。
这是因为含水量的增加可以使土体颗粒间形成水膜，降低颗粒间的接触应力，进而提高抗剪强度。
然而，当含水率超过一定临界值后，土体的抗剪强度开始下降。
这是因为过高的含水率会导致土体中空隙饱和，使毛细吸力减小，从而降低颗粒间的粘聚力，导致抗剪强度的降低。
2. 非饱和土的毛细吸力与抗剪强度之间的关系毛细吸力是指土壤中存在的毛细力或吸力，是非饱和土力学特性的重要指标。
研究发现，毛细吸力与非饱和土的抗剪强度存在一定的关联。
在干燥的条件下，土体中的吸力较大，土体颗粒间的粘聚力增强，因此抗剪强度较高。
而当含水率增加，土体的吸力减小，颗粒间的粘聚力减弱，导致抗剪强度降低。
3. 含水率对非饱和土颗粒间接触应力的影响含水率的变化还会影响非饱和土颗粒间的接触应力，从而对抗剪强度产生影响。
通常情况下，含水率的增加会导致土体中形成水膜，降低颗粒间的接触应力，从而使抗剪强度增加。
但当含水率过高时，土体中的空隙将充满水分，土体的结构变得不稳定，接触应力降低，从而导致抗剪强度的降低。
4. 非饱和土的剪切强度与水分迁移的关系非饱和土的力学性质还与水分迁移有关。
研究发现，非饱和土在剪切过程中，水分的迁移会对土体的抗剪强度产生影响。
当土体中含水率较高时，土壤中的水分会在剪切过程中从一个区域迁移到另一个区域，从而降低土体的抗剪强度。
《非饱和土渗透数值计算及模拟公式研究》
《非饱和土渗透数值计算及模拟公式研究》一、引言非饱和土的渗透特性在工程实践中具有重要影响，特别是在地下水控制、堤防建设、地基处理等工程领域。
然而，非饱和土的渗透性由于涉及到多因素如基质吸力、含水率、孔隙比等而较为复杂。
因此，开展非饱和土渗透数值计算及模拟公式的研究，对于准确预测和评估工程安全性具有重要意义。
本文旨在探讨非饱和土渗透的数值计算方法及模拟公式的相关研究。
二、非饱和土渗透的基本理论非饱和土的渗透性主要受基质吸力影响，基质吸力是土中水与空气之间的压力差。
当非饱和土的基质吸力增大时，土的渗透性降低。
此外，含水率、孔隙比等也是影响非饱和土渗透性的重要因素。
非饱和土的渗透性计算需要考虑这些因素的综合作用。
三、非饱和土渗透数值计算方法非饱和土渗透的数值计算方法主要包括有限元法、有限差分法、边界元法等。
其中，有限元法因其在处理复杂边界条件和材料非均匀性方面的优势而被广泛应用。
在有限元法中，通过离散化土体，将非饱和土的基质吸力、含水率等因素转化为有限元模型的输入参数，然后进行迭代求解，得出非饱和土的渗透性能。
四、模拟公式的推导与应用针对非饱和土的渗透特性，学者们提出了多种模拟公式。
其中，典型的公式包括Brooks-Corey模型、Fredlund-Xing模型等。
这些模型考虑了基质吸力、含水率等对非饱和土渗透性的影响，并给出了相应的计算公式。
在应用这些公式时，需要根据实际情况选择合适的模型，并确定模型参数。
通过将模拟公式与实际工程案例相结合，可以验证公式的准确性和可靠性。
五、研究进展与展望近年来，随着计算机技术的发展，非饱和土渗透的数值计算和模拟公式研究取得了显著进展。
越来越多的学者利用有限元法、有限差分法等方法对非饱和土的渗透性能进行深入研究。
同时，新的模拟公式也不断被提出，为工程实践提供了更为准确的预测和评估手段。
然而，目前的研究仍存在一些不足，如模型参数的确定、多场耦合效应的考虑等。
未来研究应进一步关注这些问题，以提高非饱和土渗透性能计算的准确性和可靠性。
土力学1章
第10章 土坡和地基的稳定性
变形问题 渗透问题
第5章 土的压缩性
第6章 地基变形
第3章 土的渗透性及渗流
绪
土力学的历史：
论
人类在同生存作斗争的历史中，积累了大量的土力学
知识；
土力学作为一门系统的学科是以太沙基的1925年出
版的《土力学》为标志；很多基本理论、试样方法在20 世纪70年代前就已经形成；
d10
d30
Cu
66
3.98 2.41
Cc
R
0.030
0.545
0.001
0.10 0.05
1.0 0.5
10 5.0
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
土的粒径级配累积曲线
d60
d30
d10
粒径级配
粒径级配累积曲线及指标的用途：
1）粒组含量用于土的分类定名；
2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：
10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1 0.075
P % 95 87 78 66 55 36
0.01 0.005 0.005 10
1.0 0.5
10 5.0
0.10 0.05
粒径(mm) 粒径(mm) 百分数P(%) 0.05 26 0.01 13.5
0.001
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
挡土墙土压力
变形问题示意图
挡土墙或基坑支 护的位移
高速公路 路基沉降
地基沉降与 不均匀沉降
渗流对稳定的影响
流土与管涌
基坑开挖
渗流
杂填土
粘性土 渗水 砂性土
管 砂 涌 环 口
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土力学中非饱和土体强度变形本构模型研究
土力学是土木工程学的重要分支，其涉及土壤与固体力学相关内容。
土体的强度和变形特性是土力学研究的重点之一。
在土木工程中，非饱和土体也是一种普遍存在的现象，而非饱和土体的强度变形本构模型的研究则成为了当下热门的课题之一。
一、什么是非饱和土体
非饱和土体是指土体中某些空隙内不充满水分的状态，也就是介于饱和状态和干燥状态之间的状态。
由于土体孔隙内水分的存在，其力学性质和行为特征都与干燥状态的土体不同，但又有别于饱和状态。
因此，对于非饱和土体的研究和分析，需要考虑土体孔隙内水分含量对其力学性质和行为的影响。
二、非饱和土体的强度变形特性
土体的强度和变形特性是土力学研究的重点之一。
在非饱和土体中，水分含量对土体的强度和变形特性产生了明显的影响。
当水分含量较低时，土体的强度和刚度较高，当水分含量增加时，强度和刚度逐渐减小，而随着水分增加到一定程度，土体会出现液化现象，强度将急剧下降。
目前，对于非饱和土体强度变形特性的研究集中于实验和数值模拟两个方面。
在实验方面，主要通过不同取样、加载和试验方
法来模拟非饱和土体的实际力学行为；而在数值模拟方面，则通过基于应用数学原理的力学模型和计算方法进行研究。
三、非饱和土体强度变形本构模型的研究
非饱和土体强度变形本构模型是研究非饱和土体力学特性和行为变化的重要方法之一。
本构模型是一种数学描述模型，在工程实践中经常使用，可以将非饱和土体的强度和变形特性描述为公式形式，以便于工程设计和计算。
目前，对于非饱和土体强度变形本构模型的研究主要有三种方法：基于经验，基于理论和基于试验数据。
其中，基于经验的本构模型是以实验结果为基础，通过实验数据分析和总结，得出一些数学公式或曲线，用于描述土体的力学特性和行为；基于理论的本构模型则利用现有的力学理论和模型，对土体的力学特性和行为进行描述、分析和计算；而基于试验数据的本构模型则是通过试验数据，利用数学方法建立土体的力学模型和本构方程，能够更好地适应具体的问题和场合。
四、国内外非饱和土体本构模型的研究现状
国内外针对非饱和土体强度变形本构模型的研究现状相比较成熟，在主要论文和综述中，大量的模型已被提出，在应用领域有着广阔的推广和应用前景。
国外研究方面，包括美国、加拿大、荷兰和法国等国家，其中
以美国和荷兰的研究数量较大。
美国主要是通过大量的室内和室
外试验数据，提出了一些常用的非饱和土体本构模型，如Van Genuchten模型、Fredlund-Xing模型和Chandler-Ranga Raju模型等。
而荷兰则是在研究Grindrod-Nakase模型和Van der Merwe模
型等基础上，发展出一个完整的非饱和土体强度变形本构模型。
国内研究方面，则主要集中于中南大学、同济大学、中国地质
大学等一些知名高校的研究中。
中南大学的张成男、周计中等教
授在非饱和土体本构模型的研究方面有突出贡献，其中提出的ZC
模型和MRS模型较为成熟。
而同济大学的张新明、夏光华等教授，则多从试验数据中提取特征参数，建立了一系列基于试验数据的
非饱和土体强度变形本构模型。
五、非饱和土体强度变形本构模型在工程实践中的应用
非饱和土体强度变形本构模型在工程实践中有着广泛的应用，
特别是在地下工程、水利工程、矿山工程、道路工程等领域。
例如，在工程设计中，通过此类模型可以模拟非饱和土体的力学特
性和行为变化，在工程计算中可以预测土体的承载能力和变形情况，进而制定合理的工程方案和设计方案。
六、结语
非饱和土体强度变形本构模型是土力学研究的重要课题之一，其研究对于工程实践具有重大意义。
在未来的研究中，应该加强对于本构模型的理论研究和实验研究，以及对于非饱和土体强度变形机理的深入研究，以更好地促进土力学的发展和应用。