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。     

非饱和土大气张力通用公式与库仑抗剪强度定律

推出了大气张力抗拉强度通用公式,土的抗拉强度由真抗拉强度、水气不抵大气压强抗拉强度、表面张力贡献抗拉强度组成.推出了大气张力库仑抗剪强度公式,形式与库仑定律相同,但含义比库仑定律扩大和具体化.对于粘土,随着含水量的减少,土的抗拉强度增大,使真凝聚力和初始摩擦抗剪强度增大,总的明显加大初始抗剪强度.     

非饱和土大气张力通用公式与地基压缩变形初探

提出了"土的压缩变形的变化只取决于有效应力的变化的观点是不成立的。自由水和孔隙气同样具有抗压能力,地基压缩变形应该用总应力计算。有效应力的实质是自由水和孔隙气没有抗剪能力。在抗剪极限状态,颗粒接触有效应力为法向压力,结合水膜和表面张力收缩膜贡献有效应力为法向拉力"。推出了非饱和土大气张力z方向时间应变率表达式。推出了抗剪极限状态非饱和土有效应力的大气张力通用公式。提出了渗流体的"等效压缩模量"的新概念。     

用土力学的新概念揭开非饱和土力学之谜

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。     

非饱和土大气张力通用公式与有效自重应力

推出了非饱和土大气张力有效自重应力通用公式.由于结合水膜和表面张力收缩膜的存在,地面大气压强作用力大于非饱和粘性土中的孔隙气和水的绝对浮力.这多出的部分,就是大气张力有效自重应力与经典水土合算法结果的差值.也因为这个原因,地表的非饱和粘性土层的大气张力有效自重应力通常不为零.     

土的抗剪强度试验的荷重设定

论证了粘性土的抗剪强度问题与垂直压力的关系并不完全符合库仑方程的直线关系,指出了室内进行抗剪强度试验时比较合理的做法是,事先根据土层的天然压密状态、取土深度和工程情况等,按照土层的实际应力历史确定荷重等级。     

非饱和土大气张力通用公式与土坡稳定

提出了有效应力的新概念: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。推出了土坡稳定的非饱和土大气张力圆弧滑动法公式,并用算例说明。推出了土坡稳定的非饱和土大气张力平面滑动法公式。     

红粘土的大气张力郎肯土压力

本文总结了红粘土的大气张力郎肯土压力算法。其计算要点有,红粘土的实际饱和度、饱和度系数、自由水通道率、膜的抗剪强度贡献、大气张力郎肯土压力。"大气"指按绝对压强计算,"张力"指要素中含有收缩膜的表面张力。算例分析表明,按经典郎肯土压力,"上硬下软"的红粘土基坑上部主动土压力为负值,表示土体拉住支护,处理为零,这是错误的;而按大气张力郎肯土压力,表示坑内支护上的大气压强能抵抗主动土压力,扶住支护。分析还表明,这种基坑或边坡支护,采用土钉墙、加筋水泥土桩墙+锚杆(索),深基坑及高边坡采用框架格梁+锚杆(索),比较经济实用;但应注意基坑或边坡底应局部加强,以满足边坡稳定的要求。     

土骨架的新概念与泥炭土及纤维加筋土的结构

用土骨架的新概念,对泥炭土及纤维加筋土(简称纤维土)的结构进行分析。提出了纤维土有六相。提出了抗剪极限状态纤维土有效应力的大气张力公式。将土骨架理论扩展到纤维土,包括土骨架的4要素、构成类型、溃散、体积。土骨架的其他理论仍然适用于纤维土,包括土骨架的损伤、修复、增强等等。抗剪强度由土骨架的接触与联接给出。提出了纤维土的大气张力库伦抗剪强度公式。其中,初始抗剪强度有三项:真粘聚力、联接的摩擦抗剪强度贡献、水气不抵大气压强自重应力抗剪强度贡献。提出土颗粒或子土骨架漂浮的概念。普通土是纤维土的特例。     

土力学的新概念与特殊土强度初探

讨论了红粘土的实际饱和度的算法;分析了蒙脱石颗粒内表面结合水对膨胀土的三项组成的影响,提出了膨胀土实际饱和度和孔隙比的算法;认为湿陷性黄土由土骨架(包括微小孔隙)和大孔隙组成,提出了骨架率、骨架饱和度和骨架孔隙比的算法。进一步,求得特殊土的饱和度系数和自由水通道率。再进一步,得到特殊土进行大气张力系列的地基承载力、库伦抗剪强度、郎肯土压力、库伦土压力、土坡稳定计算的方法。新概念土力学以有效应力的新概念为基础,以抗剪极限状态的有效应力的大气张力公式为基本公式。     

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。     

土水特征曲线在非饱和粘性土强度中应用的试验

实际工程中遇到的土大多是非饱和土,抗剪强度是土的重要力学指标。先通过试验量测粘性土的土水特征曲线,后利用土水特征曲线预测土的抗剪强度,并将预测值与等吸力直剪抗剪强度值进行对比分析。试验表明土水特征曲线预测土的抗剪强度值比直接通过等吸力直剪试验得到的强度值小,因为土水特征曲线是反映的含水量对基质吸力的影响,而忽略了其它因素对吸力的影响。     

粘性土剪切带破坏研究

压实粘性土是静水压力和应变率相关性材料,在低围压下表现出软化现象,在高围压下表现出硬化现象。在同一含水率,不同围压下粘性土随周围压力的增大,同一轴向应变所对应的偏应力也越大;压实度一定时,含水率越高,粘聚力越大,而摩擦角越小,粘性土的抗剪强度越弱;含水率一定时,压实度越高,粘聚力越大,而摩擦角越小,抗剪强度也越大。利用TSZ10-1.0型应变控制式三轴仪,对四川绵阳地区粘性土进行了常规三轴压缩试验,研究了不同围压和含水率下粘性土的应力-应变关系、抗剪强度指标,并对粘性土的剪切带破坏进行了拟合分析。     

粘性土剪切带破坏研究

压实粘性土是静水压力和应变率相关性材料,在低围压下表现出软化现象,在高围压下表现出硬化现象.在同一含水率,不同围压下粘性土随周围压力的增大,同一轴向应变所对应的偏应力也越大;压实度一定时,含水率越高,粘聚力越大,而摩擦角越小,粘性土的抗剪强度越弱;含水率一定时,压实度越高,粘聚力越大,而摩擦角越小,抗剪强度也越大.利用TSZ10-1.0型应变控制式三轴仪,对四川绵阳地区粘性土进行了常规三轴压缩试验,研究了不同围压和含水率下粘性土的应力-应变关系、抗剪强度指标,并对粘性土的剪切带破坏进行了拟合分析.     

发展水平报告之一 土的抗剪强度特性

<正> 土的抗剪强度是土体在某种状态（包括物理状态、物理化学状况、受力和变形状态、受力时间等）下受力后的一种反映。它受很多因素的影响,所以不是一个固定不变的值,它随空间和时间而变,这样就造成了抗剪强度研究的复杂性,长久以来成为土力学工作者的重要研究课题之一。 本发展水平报告的目的在于介绍近年来国内外在抗剪强度研究中的主要成果。内容包括砂土和粘性土的抗剪强度、非饱和土的抗剪强度、受时效影响的粘性土的强度,以及粘性土的微观研究等方面。     

考虑超孔隙水压力的桩土界面直剪试验研究

采用大型恒刚度直剪仪,系统研究超孔隙水压力对黏性土中桩土界面剪切性能的影响。根据制定的测试超孔隙水压力方案,对4个粗糙度等级(混凝土表面锯齿状峰谷距为0、2、4、6mm)的不同含水率黏性土中桩土界面在不同剪切速率下进行剪切试验。针对界面粗糙度、黏性土含水率、剪切速率3个变化参数对界面抗剪强度的影响进行分析。结果表明：界面粗糙度越大,界面超孔隙水压力越小,有效法向应力越大,黏性土颗粒与混凝土表面吸附性越大,桩土界面抗剪强度越大;黏性土含水率越大,界面超孔隙水压力越大,有效法向应力越小,黏性土颗粒与混凝土表面吸附性不能完全发挥,桩土界面抗剪强度反而减小;在剪切速率0.4~1.0mm/min范围内,剪切速率越大,界面超孔隙水压力增幅较小,有效法向应力变化不大,桩土界面抗剪强度虽有减小,但不同剪切速率下超孔隙水压力对桩土界面抗剪强度的影响不明显。     

瑞利波法估算地基抗剪强度的应用

发展原位、快速、经济、无损地测试地基抗剪强度的方法具有重要的实际意义。利用粘性土非线性弹性模型、摩尔-库仑强度理论以及土的波动理论,建立剪切波速度与土体抗剪强度的关系式。通过实际工程的瑞利波法测试,证明有一定的适用性。     

基于双剪统一强度理论的非饱和土库仑被动土压力统一解

基于双剪统一强度理论,考虑中间主应力和基质吸力等因素的影响,建立了非饱和土库仑被动土压力的统一解。将计算结果与非饱和土朗肯被动土压力统一解的计算结果进行比较,验证了该公式的正确性,并得到了中间主应力、基质吸力和有效内摩擦角等参数对非饱和土库仑被动土压力统一解的影响特性。研究结果表明:非饱和土库仑被动土压力统一解具有广泛的适用性,饱和土库仑被动土压力和非饱和土朗肯被动土压力均为其特例。中间主应力、基质吸力和有效内摩擦角对非饱和土库仑被动土压力的影响十分显著,并且非饱和土库仑被动土压力随双剪统一强度理论参数、基质吸力和有效内摩擦角的增大而增大。     

土骨架的新概念与土的动力特性

该文细化了土骨架的新概念,并对土的动力特性进行了分析:天然半无限土体的大气张力库伦抗剪强度由土骨架的接触和联接提供,接触提供4项摩擦抗剪强度,膜联接直接提供真黏聚力。弱结合水膜联接是柔性的,强结合水膜联接是刚性的。阳离子的存在以及偶极子相遇是溃散或损伤的黏粒骨架重新建立公共结合水膜联接的前提。提出了黏粒网兜群骨架的新概念:是土骨架的一部分;在饱和土中,先由黏粒靠公共结合水膜联接形成大大小小的网兜,网兜局部是单层或多层的,不一定均匀;有可能小网兜靠公共结合水膜联接再形成大网兜;也有可能2个网兜共用局部单层网片;大小网兜之间靠公共结合水膜联接在一起组成群;网兜内装有粉粒或砂粒;网兜破损的碎片叫网片。在饱和土中,砂类颗粒与黏粒之间没有胶结;当黏粒没形成网兜群骨架,是破网、网片、散粒时,黏粒只是砂类颗粒之间的润滑剂,数量越多,反而越帮助砂类颗粒运动。在非饱和土中,含水量小时,所有颗粒之间都有胶结(收缩膜或结合水膜联接),抗震能力强。饱和粉土液化判断的依据之一是,在一定烈度下,黏粒含量是否足够形成网兜群骨架。高含水量的可塑性黄土震陷的主要原因是,黄土的蜂窝壳体饱和或接近饱和,几乎丧失所有胶结强度,地震时蜂窝壳体塌陷。还分析了高含水量的饱和粉质黏土、软弱黏性土震陷的主要因素。     

土骨架的新概念与膨胀土的结构

本文用土骨架的新概念对膨胀土的结构进行分析。将叠片、叠聚体、聚集体、复合体统称为粘聚体,粘聚体是子土骨架。膨胀土的三种孔隙,微孔隙的水稳性最好,强度最高;小孔隙次之;大孔隙最差。在天然膨胀土中,粘聚体是胀缩变形的主体;选取小孔隙或微孔隙,有水分子的渗透压力=公共结合水膜吸引力+重力效应。设想土力学研究,第一层次为以微结构单元为基本单元的体系(总土体),第二层次为以单个土颗粒为基本单元的体系(如粘聚体、集粒、凝块等等)。与普通土不同,膨胀土的大孔隙随着土体的膨胀而变小。膨胀土内有两种渗透力,一种是半透膜效应的水分子的渗透力,一种是渗流渗透力;渗流计算指标,应该用自由水孔隙比,而不是孔隙比。有效应力及大气张力库伦抗剪强度涉及的最不利位置是大孔隙。将大雨滑坡的坡体看成一个总土骨架,滑动土块是膨胀的子土骨架,裂隙是接近溃散的子土骨架,软弱结构面是损伤的子土骨架。在石灰改性膨胀土中,粘聚体被多钙结合水膜包裹,可能还被浸入内部;相邻粘聚体的多钙结合水膜包皮相交形成面胶结的强公共结合水膜,加密后高强且无胀缩性。