湿吸力及非饱和土的有效应力原理探讨

提出并阐述了湿吸力的概念,分析了非饱和土的孔隙水压力与由于表面张力而产生的土颗粒之间的湿吸力的定量关系及其根本区别,探讨了湿吸力的变化规律及其主要的影响因素,分析了现有非饱和土有效应力原理存在的问题。基于湿吸力概念,分析并给出了有效应力公式,建议了非饱和土的状态分类及有效应力原理。文中明确解释了Bishop有效应力公式中经验参数χ的物理意义、表达式及其适用范围和影响因素。最后,讨论了非饱和土状态分类原则及其力学分析方法,并指出:非饱和土变形理论的研究,首先应采用细观土力学方法,然后上升到宏观及应用     

非饱和土强度公式的比较研究

 非饱和土力学的基本理论已经确认了基质吸力的存在有利于非饱和土的强度提高,但是对于强度提高的机制到目前为止没有统一的结论,非饱和土强度理论中存在着单应力状态变量公式和双应力状态变量公式2种基本的理论表达式,并在此基础上产生了许多实用的强度公式。通过珞珈山土样的土–水特征曲线试验和非饱和三轴剪切试验对非饱和土强度公式进行比较研究。结果表明,珞珈山土样的进气值和残余含水量分别为237.7 kPa和4%;珞珈山土样非饱和强度在低吸力范围内,与吸力基本成线性增长关系,验证了非饱和土双变量强度公式的适用性;珞珈山土样的非饱和抗剪强度参数约为20.7°;现有的非饱和土实用公式精确性较差,非饱和土抗剪强度理论的应用有待进一步的研究与完善。     

从粒间吸力特性再认识非饱和土抗剪强度理论

首先对非饱和土中吸力进行了综合分类并对各类吸力的性状进行了系统阐述 ,认为非饱和土中土颗粒间的总吸力由本征结构吸力、可变结构吸力、有效基质吸力、湿吸力和牵引力组成。基于各吸力的特性和Mohr -Coulomb强度准则 ,从理论上直接给出了非饱和土的总吸力与抗剪强度间的关系 ,这不仅从形式上统一了Bishop和Fredlund的强度公式 ,而且在内容上明确了其中各状态变量的物理意义。文中分析了非饱和土抗剪强度的组成及其影响因素。对Donald在非饱和土试验中发现的砂性土抗剪强度与基质吸力间呈山坡形的曲线关系及Gan、Escario、Fredlund等的粘性土抗剪强度和基质吸力 (含水量 )间呈非线性正比关系 ,以及对同一非饱和土因具不同初始孔隙比而具不相同的抗剪强度现象给出了令人满意的理论解释。广义抗剪强度公式客观地反映了非饱和土的强度特性     

宽广吸力范围内弱膨胀土的抗剪强度及其预测

在宽广吸力范围内对不同吸力的非饱和弱膨胀土进行了一系列吸力控制的三轴剪切试验。关于吸力的施加,较低吸力采用轴平移技术;高吸力采用蒸汽平衡法。试验结果表明:在净应力相同的条件下,试样的应力应变关系曲线随着吸力的增大而升高、剪缩量变小,并且随着吸力的增大其偏应力–应变关系和体变明显地表现出类似超固结土的特性。主要原因是试样受到较大的吸力,弱膨胀土试样失水收缩、孔隙比减小均明显,使试样剪切过程中表现出类似超固结黏土的特性。在宽广吸力范围内,吸力所引起弱膨胀性土体积收缩明显,不可忽视。根据压汞试验结果确定的微观饱和度引入有效饱和度中,再将试验结果与修正后的Bishop非饱和土强度公式的预测值进行比较,证明了修正后的Bishop非饱和土强度公式在宽广吸力范围内可较为准确地预测非饱和弱膨胀土的抗剪强度。     

重力水对非饱和土力学性能的影响规律研究

通过一系列控制基质吸力的非饱和土试验验证了重力水对非饱和土力学性能的重要影响,分析了产生这种影响的物理机制,以此为基础,讨论了Bishop的非饱和土有效应力公式的适用范围,提出了水气双连通状态下的有效应力的表达式,重新给出了非饱和土在各个连通状态下有效应力的表达式。     

黄土的非饱和特征参数与结构性的试验研究

黄土既有非饱和性,又有结构性。本文首先在控制基质吸力条件下进行了原状黄土和重塑黄土的非饱和直接剪切试验,分析了两种结构性状非饱和土的基质吸力对净应力强度指标,Fredlund抗剪强度公式中参数b,以及Bishop抗剪强度公式中参数χ的影响。表明两种土的黏聚力随基质吸力的增大而增大,b和χ均随基质吸力的增大而减小;在相同基质吸力条件下,原状黄土的黏聚力、b和χ均大于重塑黄土。其次,通过无侧限抗压强度试验,测试了不同含水量原状黄土、重塑黄土和饱和黄土的单轴抗压强度,得到了不同含水量下原状黄土和重塑黄土的构度值。最后,探讨了非饱和黄土的构度与基质吸力、净应力强度指标、参数b和χ之间的关系。     

非饱和土有效应力的大气张力公式与新概念土力学

海南学者蒙理明,在《建材世界》期刊共发表10篇论文,初步建立"非饱和土有效应力的大气张力公式与新概念土力学"的构架。其要点有:应该用有效应力的概念代替经典有效应力原理,即有效应力是土体中提供抗剪强度的点的集合所对应的应力;非饱和土有五相;自由水和孔隙气具有等效压缩刚度(等效压缩模量和等效压缩系数);有效应力的实质是自由水和孔隙气没有抗剪能力;大气张力抗拉强度,揭示了非饱和土的"吸力"之谜;大气张力库仑抗剪强度,展示了经典凝聚力的全貌;应该用绝对压强论述土力学。其公式有:非饱和土有效应力的大气张力公式;大气张力系列的饱和度系数和自由水通道率、有效自重应力、地基承载力、郎肯土压力、库伦土压力、土坡稳定、地基压缩变形和渗流固结等。     

考虑土颗粒间胶结面积的粒间吸力计算

粒间吸力的计算是非饱和土有效应力原理研究的重点之一。首先考虑土颗粒间胶结面积,建立了微观状态下土颗粒相互作用的理想简化模型,推导给出了土颗粒接触点处各个力之间的相互关系,并分析了宏观上两种典型的堆积方式,从而总结得到了粒间吸力的统一表达式。而后,讨论了土颗粒间胶结面积对粒间吸力的影响。结果表明,直接使用表面张力分量来计算粒间吸力,可以简化粒间吸力的计算。最后,通过算例分析,阐明了颗粒间胶结面积对粒间吸力大小的影响。并基于多孔介质双重有效应力的假说,引入本研究给出的考虑土颗粒间胶结面积的粒间吸力公式,推导得到了适用于低含水率条件下非饱和土双重有效应力的计算公式。     

非饱和结构性黄土的强度特性试验研究

黄土既有非饱和性,又有结构性。首先在控制基质吸力的条件下进行了原状黄土与重塑黄土的非饱和直接剪切试验,分析了两种结构性状非饱和土的基质吸力对净应力强度指标、Fredlund抗剪强度公式中参数b、以及Bishop抗剪强度公式中参数的影响。表明两种土的黏聚力随基质吸力的增大而增大,b和均随基质吸力的增大而减小;在相同基质吸力条件下,原状黄土的黏聚力、b和均大于重塑黄土。其次,通过无侧限抗压试验,测试了不同含水率原状黄土、重塑黄土和饱和黄土的单轴抗压强度,得到了不同含水率下原状黄土和重塑黄土的构度值。最后,探讨了非饱和黄土的构度与基质吸力、净应力强度指标、参数b和之间的关系。得到非饱和黄土的b和值随构度分别有单调的变化规律;相同构度值条件下,原状黄土的b和值均大于重塑黄土的值,反映了两种非饱和土结构性状的差异。     

学习“非饱和土微观结构与粒间吸力的研究进展”

学习"非饱和土微观结构与粒间吸力的研究进展",加深了对吸力、有效应力、土的微观结构及其模型的认识。吸力有两类。非饱和土有五相。应该用绝对压强论述土力学。土力学研究可以分为两个层次。对于动力机制,应该引入群的概念。赞成将湿土体微结构搞清楚,准确地建模。     

非饱和土抗剪强度公式分类及总结

将众多非饱和土抗剪强度公式分为结合土-水特征曲线、数学拟合、分段函数、总应力指标及其他形式5类,分析了当前非饱和土抗剪强度公式的特点及研究不足.结果表明:有效应力抗剪强度公式和双应力状态变量抗剪强度公式的力学本质不同,吸附强度表达式的不同导致了抗剪强度公式的多样性,急需加强非饱和土真三轴试验研究,建立符合工程实际受力状况的非饱和土强度理论,完善非饱和土的理论基础,并加快非饱和土强度理论的工程实践与应用进程.     

非饱和土湿吸力与含水率的定量关系研究

以立方松散堆积方式为例,从理论上推导并给出了湿吸力与非饱和土含水率的定量关系表达式,开展了不同含水率状态下重塑细粒砂性土的吸力测试,对试验结果进行了曲线拟合和分析,理论计算和试验拟合结果均表明：对于特定的非饱和土,湿吸力随含水率先增大而后减小,即存在确定的界限含水率。这与“在一定的土体含水率变化范围内,非饱和土,尤其是非饱和砂性土的强度随含水率的增加而先增大后减小”的事实完全相符,这再次证明了湿吸力,而非基质吸力,才是非饱和土有效应力的重要组成部分。     

考虑吸应力非线性非饱和的无粘性土主动土压力模型

挡土墙背后的填土往往是非饱和土。在稳态流条件下,非饱和土含水量铅直分布呈现非线性变化规律。通过对库仑土压力理论基本假设进行补充,采用条分法划分土楔体,在忽略条间力的前提下,利用静力平衡条件,结合抗剪强度公式、基质吸力铅直分布公式等辅助条件,建立考虑吸力非线性分布的无粘性土主动土压力计算模型,并对模型进行检验与计算。结果表明:库仑土压力公式是将整个土楔体视为单一土条推导得到的,是本文所建立模型的一个特例;无粘性土主动土压力随比流量和地下水埋深的增大均呈现先递减后增大的变化趋势。     

考虑气相压力变化和偏应力影响的非饱和土本构模型

基于连续介质土力学的本构模型框架,提出了一个三轴应力状态下的非饱和土本构模型。与非饱和土中的双应力变量不同,根据非饱和土功的表达式,选择广义有效应力、修正吸力和气体压力作为模型的应力状态变量。模型中考虑了气相压力变化对土体变形的影响,给出了固–液–气三相耦合的本构方程。固相采用了非相关联流动法则,并在固相硬化方程中考虑了液相和气相的影响。液相方程利用土水特征曲线描述,并考虑了塑性体应变的影响。气相方程的建立利用了Boyle定律和Henry定律,给出了受固相和液相变形影响的气相方程。最后建立了非饱和土弹塑性增量方程。利用已有的试验数据对模型进行了验证,并将考虑气相影响与未考虑气相影响的预测结果进行了对比。     

非饱和土条形地基梅耶霍夫极限承载力统一解

基于非饱和土的抗剪强度统一解,综合考虑中间主应力、基质吸力和强度非线性,建立非饱和土条形地基的梅耶霍夫极限承载力统一解,对比文献滑移线法解答、上限法解答验证所得统一解的正确性和适用性,讨论与太沙基极限承载力的差异及基底粗糙程度效应,并得出中间主应力、高/低基质吸力以及有效强度参数的影响规律。研究结果表明:太沙基极限承载力将旁侧土的抗剪强度简化为均布荷载,夸大了旁侧土的真实作用,计算结果偏大;基底粗糙程度对承载力系数的确定起关键性作用,梅耶霍夫极限承载力随中间主应力效应的增大而显著增加,不考虑中间主应力影响的Mohr-Coulomb解答过于保守;基质吸力具有双重影响,即在低吸力范围内极限承载力线性增加,而在高吸力范围内却逐渐减小并趋于稳定,这是由非饱和土的强度非线性造成的;有效强度参数的影响亦很重要,且有效内摩擦角较有效黏聚力的影响更明显。由于考虑了中间主应力效应、非饱和特性与旁侧土抗剪强度等工程实际情况,本文结果可为地基优化设计与施工提供有益的参考。