非饱和土固结理论新进展

非饱和土固结理论新进展

聂集祥

黄河科技学院河南郑州450000

摘要：总结了近年来国内外研究人员在非饱和土固结理论领域主要理论成果，包括国内外非饱和土固结理论研究的概况，其中涉及到线性、非线性、弹塑性和结构性等方面，由本文可见非饱和土固结理论的研究具有非常好的应用前景。但非饱和土固结理论尚不成熟，有待广大科研工作者的进一步研究。

关键词：非饱和土；固结理论；新进展；

1引言

在荷载作用下，引起土壤中超静孔隙水压力，孔隙水逐渐从土壤中排出。随着时间的推移，超静孔隙水压力逐渐消失，土壤有效应力逐渐提高，直到孔隙水压完全消失，孔隙压力耗散过程称为固结。在固结过程中，随着孔隙水的排放，土壤压实，使土壤强度增加。在一系列假设的基础上，Terzaghi建立了著名的一维固结理论。Rendulic将Terzaghi的一维固结理论扩展到二维或三维情境，但有一些缺陷。Biot考虑了土壤固结过程中孔隙水压力耗散与土体骨架变形的耦合效应，并提出了Biot固结理论。Biot整合理论比Terzaghi整合理论更加完整，同时计算也更为困难，通常需要数值解法。这些固结理论的主要面向是饱和土体，并假设土壤水分渗透服从Darcy定律，土体变形变形小，且在弹性范围内。考虑到土壤的复杂性，考虑到非Darcy渗透和非饱和土壤，考虑到土体大变形，人们已经研究了各种固结理论。

2非饱和土的固结理论研究

由于非饱和土在土体压缩时土体骨架孔中的气体部分溶解在水中，因此其渗透性和压缩性远比饱和土壤复杂。因此，到目前为止，还公认的成熟的非饱和土壤固结理论。建立非饱和土固结理论有几个主要困难：

（1）饱和粘土固结理论的一个基本假设是土体变形连续，但对于非饱和土，土壤中的气体具有较高的压缩度，由于一些气体溶解在水中，很难达到严格的连续变形。

（2）非饱和土壤渗透率包括渗透率和透水性，渗透率与非饱和土的基质吸力和含水量密切相关，干湿循环过程中水分含量相同土壤含水量，渗透率也不一样，即渗透率和含水量不是单值函数，因此渗透系数的不易被测得。

（3）非饱和土的有效应力原理的适用性较窄，其公式不容易确定，与基体吸力有关的参数。

（4）非饱和土壤的水汽接触是一个复杂的物理和化学界面，Fredlund称其为第四阶段，第四相非饱和土壤的行为尚不得而知。

（5）非饱和土壤本构模型尚未接受理论，因此成熟的非饱和土壤固结理论的建立也需要时间。

2.1国外固结理论的研究概况

非饱和土壤的固结是工程中的常见问题。理论研究包括孔隙水压力和孔隙压力随着土体变形和随时间的耗散规律而变化的规律。由于适用于不同土壤固结的通用方程的复杂性，许多研究人员只针对特定土壤的非饱和土壤固结问题寻求答案。由于影响因素的复杂性，研究总是做出一些简化的假设，并将它们分为一维，二维和三维问题。换句话说，人们认识到总应力和孔隙水压力的区别是必要的。方程确定孔隙率与应力状态之间的关系；另一个方程式确定了土壤含水量与应力状态的关系。对于一维固结，通过Boit理论获得的方程与Terzaghi方法获得的方程相似，不同之处在于固结系数Cv被修正以考虑孔隙流体的可压缩性。

2.2国内固结理论的研究概况

近年来，非饱和土固结理论研究近年来取得了长足进展。陈正汉，杨代权的研究结论适用于水土非饱和土壤，可以涵盖饱和土固结理论。孙长龙，尹宗泽的理论适用于气体非饱和土壤。由控制方程自变量组成数量来说，陈正汉的理论有五个独立变量，杨代泉有六个，孙寅有四个。路志平（1987年）将孔隙压力（孔隙气压=孔隙水压）、体积变化、强度和非饱和土的非线性本构关系通过三轴仪进行了研究。

陈正汉的理论是基于岩土力学的公理论系统，是通过公理的方法建立的。该理论在1989年全面呈现，并且不久之后，使用增量形式。1991年5月，数学模型（即增量控制方程）和一维问题的分析解决方案在第七届国际岩土技术计算机方法与发展会议上发表。应用数学和力学的英文和中文版也在1993年发表了相关的理论的结果（详细的建模过程，一维分析解和二维有限元分析），这项工作分别在1992年、1995年在国内和国际学术会议上发表。该公式仅适用于线性变形，不适用于描述可湿陷土的变形。

陈正汉基于混合理论的场方程，在本构原理的指导下建立的本构方程为补充方程，在无热效应，气体溶解和水分蒸发的条件下建立了非饱和土的物理模型，从25个方程得到25个未知量。此外，陈正汉还采用了拉普拉斯变换，以获得一维固结的理论解。从控制方程式直接解得孔隙水压力，孔隙压力和垂直位移，给出了固结沉降和瞬时沉降，定义了非饱和土壤的基本特征（压缩性，饱和度，密度，透水性和渗透性）的固结系数和固结度。卢再华近期研究了非饱和膨胀土弹塑性损伤本构模型和固结模型，给出了反复降水渗透和蒸发条件下非饱和膨胀土坡面的损伤场。

2003年，沈珠江假设孔隙气体的排气率为常数，并将其应用于裂缝粘土中雨水渗透过程的数值模拟，建立了一种非饱和土的简化固结理论，模拟出了有效应力减少和膨胀反弹的全过程，结果合理，但空气体积设置的孔隙度大小仍有待进一步研究。

3结束语

黄土的湿陷和膨胀土的湿胀是非饱和土壤固结理论中的两个最重要的工程领域。与永久冻土有关的工程问题是非饱和土壤固结理论的另一重要应用领域。即使对沿海软土，非饱和土力学也具有重要的应用前景。另外，硬土地区的开挖边坡稳定性与水软化有关，同样可用于分析这一理论。几十年来，岩土工程界的研究人员们对非饱和土固结理论进行了大量的研究工作，积累了大量的信息，也取得了长足的进步，但由于土壤问题本身的复杂性，非饱和土固结理论研究还很不成熟，需要广大科研工作者的共同努力。

参考文献：

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[4]卢再华.非饱和膨胀土的弹塑性损伤模型及其在土坡多场耦合分析中的应用[博士学位论文D].重庆：解放军后勤工程学院，2001.

[5]沈珠江.非饱和土简化固结理论及其应用[J].水利水运工程学报，2003，（4）：1－6.