非饱和土的吸力与强度理论研究及其试验验证

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1、大连理工大学博士学位论文非饱和土的吸力与强度理论研究及其试验验证姓名：李顺群申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：栾茂田20060301摘要作为土力学基本框架的重要组成部分，饱和土的强度理论已经基本趋于成熟，而非饱和土在实际_【程中分布更为广泛，其工程特性更为复杂，其强度理论尚不十分完善。在非饱和土力学中，应力理论和强度理论是非饱和土力学变形与稳定性分析理论及计算方法中的重要基础。因此，对于不同程度的非饱和土，必须建立合理的应力理论和强度理硷。考虑到非饱和土的三相组成与各相组分的特点及其与饱和土的差异，在非饱和土中除了作用在土骨架上的净应力之外，分别作用在孔隙

2、气与孔隙水上的孔隙气压力与孔隙水压力之差构成了非饱和土的基质吸力，对于非饱和土的变形与强度特性具有一定的影响。同时饱和度的高低或含水量的多少决定了非饱和土的孔隙水与孔隙气的分布形态及其相互迁移与渗透规律，从而直接或间接地影响着非饱和土的强度特性及其渗透特性。为了确定非饱和土的变形与强度特性，必须首先根据含水量或饱和度确定非饱和土的分类体系，进而针对不同形态的非饱和土确定净应力与基质吸力。因此为了探讨非饱和土的强度理论．必须确定非饱和土中的应力体系，其中关键在于确定吸力。为此，本文基于理论分析，对于非饱和的理想颗粒组成体系建立了吸力理论与强度理论，并试图利用这些理论

3、阐明实际非饱和土的强度特性，进而采用非饱和土的试验研究对所提出的基奉概念与理沦体系进行验证，为非饱和土的r丁程特性及其本构模型研究奠定基础。奉文研究工作主要包括下列内容。I．在水封闭情况下，基于圆形弯液面假设、接触角协调性要求和热力学基本理论，针对规则等直径球形颗粒建立了颗粒间弯液面方程，运用迭代法对这一非线性方程组进行了求解，进而确定了理论意义上的基质吸力。基质吸力实际上是一个分布面力．其总体作用效应同时包括面力的大小及其作用面积两个因素。将作用于颗粒局部表面积上的基质吸力在整个颗粒表面上进行平均后作为等效基质吸力。进一步地。类似于描述吸力与饱和度之间关系的土一

4、水特征曲线，将等效基质吸力与饱和度之间的关系曲线定义为广义土一水特征曲线。基于最松散堆积状态的理想模型分析表明，与基质吸力相比，由于考虑了面积效应，等效基质吸力较小，且随饱和度的变化并不象基质吸力那样十分显著；无论基质吸力还是等效基质吸力，均随颗粒空间排列间隙的增大而迅速减小；另外，土一水特征曲线和广义土一水特征皓线都依赖于孔隙水与固体颗粒之间接触角的变化。2．目前，普遍接受的非饱和土分类方法把非饱和土分为水封闭、双开敞和气封闭等三类。液体表面存在表面张力作用，液面在颗粒表面的搭接使得表面张力对颗粒产生拉结作用。这种拉结作用类似于基质吸力的作用，但与基质吸力是两个

5、完全不同的概念，其在基质吸力作用面积上的等效作用定义为张力吸力。孔隙水弯液面与土颗粒表面是否搭接决定了这种张力吸力存在与否。因此根据孔隙水弯液面与土颗粒表面的搭接状态，将双开敞非饱和土细分为搭接双开敞非饱和土和不搭接双开敞非饱和土。在水封闭非饱和土和搭接双开敞非饱和土中，由于孔隙水弯液面搭接在颗粒表面上，同时存在基质吸力与张力吸力，因此在本质上可以将这两类非饱和土归并为搭接非饱和土。类似地，在不搭接双开敞非饱和土和气封闭非饱和土中，由于孔隙水弯液面与颗粒表面不搭接，此时可能存在或刁i存在基质吸力，依赖于孔隙水的状态．但一定不会存在张力吸力，因此在本质上可以将这两类

6、非饱和土合并为不搭接非饱和土。根据张力吸力存在的可能性．非饱和土可以分为搭接非饱和土和不搭接非饱和土两种体系。这种分类体系将非饱和土的孔隙形态与相间相互作用机理相联系，因而具有更严密的科学基础。3．为了考察非饱和土的吸力特性，首先针对水封闭条件下规则等直径球形颗粒最松散堆积状态和最紧密堆积状态．根据热力学理论与几何关系，通过理论分析，分别建立了基质u及力与张力吸力的理论算式。同时为了揭示张力吸力和基质吸力之间的相对关系，将张力吸力与基质吸力之比定义为吸力比。在颗粒间距为0的条件下针对不同的饱和半径计算了这两种吸力，并对此进行了分析，通过计算考察了吸力比对于饱和半径

7、或饱和度的依赖性。计算表明，在水封闭状态，吸力比远远大于0，而且在多数情况下一般大于I。将此结果推广到一般非饱和土得出：在水封闭非饱和土中，和基质吸力一样，张力吸力的作用是不容忽略的。基于球形颗粒最松散堆积状态。基于曲线拟合分别建立了吸力比与饱和半径之间的指数型经验关系、吸力比与饱和度之间的非线性关系。进一步地，将基质吸力与张力吸力之和定义为合吸力，同时考虑作用面积效应。建立了等效张力吸力和等效合吸力。在水封闭状态，随着饱和度的增大，等效基质吸力减小，等效张力吸力增大，等效合吸力变化不大。4．基于理想化颗粒排列模型，建立了水封闭状态、搭接双开敝状态和小搭接双开敞状

8、态三者之间