发布时间 : 星期三 文章非饱和土的强度、变形理论研究及其在工程中的应用更新完毕开始阅读85b114838762caaedd33d43a
含水量发生变化时，吸力与附加强度均随之变化，因而它又是不稳定和不可靠的。
令：f1(??ua)?a(??ua)tan?' （2-14） f2(ua?uw)??(ua?uw)tan?b （2-15）
bb?扩是强度随基质吸力变化的摩擦角，也可以称之为可变吸力摩擦角。?是可变吸
力us和饱和有效摩擦角?'变化函数，因此可以得到：
?b ?f(us,?') （2-16）
btan? ?g(us,tan?') （2-17）
将式(2-15), (2-16)和式(2-17)代入式(2-13)得到:
?f?c'?(??ua)tan?'?usg(us,tan?') （2-18）
因此，可以看出，简单的将u:作为独立的应力状态变量来描述非饱和土的强度是不充的。
抛开饱和非饱和的区分，整个土非饱和土体的剪切强度用Mohr-Coulomb准则来表征，可以得到：
?f?c??tan? （2-19）
式中：c和?都是非饱和土体的抗剪强度指标。
可以看出，整个土体的剪切强度是由凝聚力(有效凝聚力+结构凝聚力)和粒间摩擦力(广义吸
力中可逆部分+净应力)共同组成的。图2-5给出了非饱和土Mohr-Coulomb包线示意图，通过非饱和土体的强度包线图可以看出，在剪应力坐标轴上的截距多出了一部分，这一部分是由于土体广义吸力以凝聚力表现出的部分，也就是结构凝聚力。而且非饱和土的内摩擦角与饱和土的有效内摩擦角完全相等。也就是说对土体强度具有贡献的只有两部分，有效凝聚力和广义吸力。
图2-5非饱和土Mohr-Coulomb破坏包线示意图
（1） 有效凝聚力
主要是指由土结构直接产生的吸力，是土颗粒之间的内拉应力，主要来源于土颗粒间的
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部分胶结作用、齿合力、表面力(双电层吸力)、磁性力、离子一静电力和偶极力等。它们都不同程度地受到土的含水量、孔隙水溶液化学性质及土颗粒组成与排列方式等的影响。可以认为它是一个不变量，只有在土结构破坏时才丧失，也可能随土的变形过程而有较小变化，表现为土颗粒间的真凝聚力。 （2） 广义吸力
主要包括不可恢复吸力和可恢复吸力两个部分。 不可恢复吸力主要是指土体的结构粘聚力，表现为土颗粒间的胶结作用。它随土结构的变化而逐渐丧失且不可恢复，由土的颗粒接触性质、胶结物及孔隙溶液化学性质决定。当含水量逐渐增大时，土体的结构吸力逐渐丧失，而且当含水量再减小时，此部分力不再恢复。而当含水量在初始状态逐渐减小的过程中，此部分力保持不变或略有增大。
可恢复吸力，其主要是由于土体中收缩膜表面张力作用引起的作用力，主要是基质吸力。主要是指土颗粒被水分湿润后水分产生对土颗粒的吸力，由于气、液、固相互作用，水表面张力及其与土颗粒的接触角使土颗粒之间产生吸力，形成收缩膜的外法向拉应力，使颗粒间产生压应力，该力可以简化理解成是基质吸力。它与孔隙水压力存在以下关系：
s'?Df(?,?)(ua?uw) （2-20）
式中：D—土颗粒相对大小的函数；
?,?—分别为接触角和饱和角。
(1?cos?)tan(???)sin?其差别在于参数D和f(?,?)不一致，微观上f(?,?)?，D仅
与相接触颗粒的相对大小有关，一般取2.04.0，而宏观上对于等粒颗粒，D值与颗粒堆积方
式有关。
通过以上的分析我们可以看出，非饱和土的广义抗剪强度应该由四个组成部分，其各项强度的物理意义为:
第一项: c'代表土的有效凝聚力，它不受含水状态的影响，只有当土体受到外力或水化学作用导致结构破坏时，有效凝聚力才会发生改变。最典型的例子是，砂土受到震动时，由于结构凝聚力的几乎完全丧失和孔隙水压力的上升而导致砂土液化。
第二项: (??ua)tan?' 代表土受到外部有效荷载产生的摩擦力，简称净应力摩擦强度。
第三项: ?(ua?uw)tan?' 为广义吸力产生的吸力摩擦强度，其随着含水量的增大而减小，随着含水量的减小而增大，其变化过程是可逆的。它是以附加摩擦力的方式来提高土体抗变形能力的。
第四项: c0不可恢复的吸力，它与真凝聚力的性质相似，与外力无关，但受土的含水状态、结构状态及水一土化学作用的控制，且其表现形式与外力的作用相似，因而它是不稳定不可靠的，可称之为结构凝聚力。他是以凝聚力的形式提高土体抗变形能力的。与土体的湿化路径有关，是土体饱和状态和湿化路径的函数。
2.2.3 广义吸力的丧失规律
土体强度是土颗粒间作用力的宏观表现，对广义吸力的准确认识是研究非饱和土强度理论的基础。从宏观上，影响非饱和土强度的主要因素，不仅有非饱和土的结构状态、含水状
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态、水一土化学作用、受力历史及变形过程，还有非饱和土的边界条件等。受力历史及变形过程不仅直接影响土的结构，而且影响它的含水状态。例如，应力历史直接决定着液体在固体上的接触角是推进角还是撤退角。在小变形范围，非饱和土的微结构的变化将通过含水状态影响结构凝聚力和基质吸力。在大变形情形，变形导致的微结构变化还会影响有效凝聚力。组成广义吸力的两部分，基质吸力和结构凝聚力，在饱和度变化的过程中，两者的变化趋势是不同的。前者大体上是可逆的;后者丧失后不能恢复，与应力路径有很大的相关性。下面分别研究基质吸力的折减丧失和结构凝聚力的路径丧失对土体剪切强度的影响。
（1） 基质吸力的折减丧失
非饱和土的剪切强度与土水特征曲线存在着密切关系。典型非饱和土的土水特征曲线可以分为三个阶段:(1)边界效应阶段;(2)转化阶段;(3)残余阶段。在边界效应阶段，土体的孔隙中完全充满水(图2-6 )，土颗粒接触点处的水膜是连续的。在这个阶段只需有一个应力状态变量，即有饱和土的有效应力。??uw就可以描述土体的力学特性。边界效应阶段的基质吸力有一个界限，即非饱和土的进气值(ua?uw)b，当基质吸力达到进气值(ua?uw)b时，气泡进入最大的孔隙中。在转化阶段，基质吸力大于进气值(ua?uw)b，土体的含水量随着基质吸力的增大而迅速减小(图2-7)。在此阶段，土颗粒接触点处的水膜是连续的，而孔隙气以分散的气泡形式包围在孔隙水中。进入残余阶段之后，孔隙气处于连通阶段，这时孔隙水仅残存在小孔隙中(图2-8)，含水量的微小变化，将会产生较大的孔隙水压力的降低。
图2-6边界效应阶段强度与基质吸力包络线非
非饱和土强度与土水特征曲线的关系如图2-6所示，在边界效应阶段，土体基本处于饱和或准饱和状态，孔隙水的面积不变，在平面??us上强度包络线是一条直线。当基质吸力大于进气值时，孔隙气进入土体孔隙中，孔隙水面积随着基质吸力的增大而减小，强度包络线的倾角逐渐减小(图2-7 )。基质吸力超过残余吸力后强度包络线的倾角不再变化，达到一个定值，即残余吸力内摩擦角。可见，基质吸力的增大对强度产生的作用的增幅不是线性变化，强度随基质吸力增长的幅度不断减小，也就是说强度包线的倾角逐渐减小，甚至变成负的(图2-8 )。产生这种结果的原因主要是由于基质吸力的增大与基质吸力作用面积缩小之间的一个动态变化的过程造成的。因此，剪切强度与基质吸力之间的关系应该是与孔隙水的作用面积，也就是饱和度紧密相关的。
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图2-7 转化阶段强度与基质吸力包络线
图2-8 残余阶段强度与基质吸力包络线
这一点也正好印证了，实测基质吸力往往随着含水量的降低而趋向很大的值，而土体的强度和模量却不可能会增加到非常大的水平。这就是说在饱和度减小的过程中，基质吸力并没有完全转化成土体的强度，而是只有其中一部分有效地增加了土体的强度和变形模量。这一部分有效增加土体强度的力称之为折减吸力。
通过弯液面与土颗粒搭接而发挥作用的，必须同时考虑基质吸力的面积效应和张力作用，才能更好的完善非饱和土的强度理论。在整个广义吸力变化的过程中，吸力作用的摩擦角保持不变，与饱和土的有效内摩擦角一致，变化的只是土体颗粒接触面上的正应力。土粒间的作用力可以表述作用应力与作用面积的乘积：
Fs?usAu （2-21）
随着基质吸力us的增大，土体饱和度Sr减小，这必然引起土粒接触点处孔隙水作用面
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