非饱和土力学理论的研究意义及其工程应用_龚壁卫

DOI :10. 16232/j . cn ki . 1001-4179. 1999. 07. 009

Vol . 30　No . 7　　　　　　　　　　　　　　　　人民长江　YANGTZE RIVER 　　　　　　　　　　　　　　　　July 　1999

研◎科　　

非饱和土力学理论的研究意义及其工程应用

龚壁卫　刘艳华　詹良通

　　摘　要　介绍了目前土力学的最新研究动态, 阐述了非饱和土力学的研究历史及研究意义, 结合南水北调

工程中的膨胀土问题, 将非饱和土抗剪强度理论尝试地应用于工程实际的试验研究, 在室内进行了土的吸力与含水量的关系试验和三轴抗剪强度试验, 在现场研究了天然膨胀土边坡中的吸力分布, 比较了各种吸力测量仪器和方法, 这些研究工作为非饱和土理论的工程运用积累了经验。　　主题词　非饱和土　土力学　膨胀土　抗剪强度　南水北调工程

　　土力学发展至今, 已形成了一套完善、独立的理论体系。然而, 迄今为止的土力学主要是把其研究对象———土, 视为两相体, 即认为土是由土粒和孔隙水组成。严格的讲, 迄今为止的土力学只能称之为饱和土力学。然而, 实际工程中遇到的土多是以三相状态(土粒、孔隙水、孔隙气) 存在, 经典的饱和土力学原理与概念并不完全符合其实际性状。有人甚至认为在土中水—气的结合面上还存在第4相—水气结合膜。土中气相的存在, 使得土体性质复杂、性状多变。

将土作为饱和土对大多数工程来讲是一种合理的简化, 但是, 随着研究的逐渐深入, 人们已经注意到, 对于某些特殊区域或特殊性质的土, 这种简化将造成研究理论的失误。如在膨胀土地基基础的设计中, 如果单纯按照膨胀土的现有强度进行设计, 则有可能将强度参数估计过高, 不安全; 如果按其最低强度进行设计, 又将造成浪费。因此, 合理地提出膨胀土在不同状态下的强度参数是工程的客观需要。此外, 膨胀土等非饱和土的变形性能也随饱和度而变化。这些问题都是饱和土力学难以解决的。由此观之, 按三相(非饱和) 状态下研究土体的工程力学性质是土力学发展的趋势。

式中σ′为有效应力; u a 为孔隙气压力; u w 为孔隙水压力; χ为与

土的饱和度有关的试验参数。与饱和土的有效应力公式σ′=(σ-u w ) 所不同的是, 该式中分别考虑了孔隙气体和孔隙水对强度的影响。

Bishop 公式在一段时间内得到了岩土工程师的认同。Donald (1961) 和Blight (1961) 曾分别用无粘性粉土和击实土进行试验以验证Bishop 公式的正确性。然而, 遗憾的是, 人们发现参数χ受土类及其它因素的影响, 因此, 不能把(σ-u a ) 和(u a -u w ) 两个变量混为一谈, 而必须建立各自独立的状态变量[1]。

1977年, Morgenstern 和Fredlund 提出了建立在多相连续介质力学基础上的非饱和土应力分析, 建议用两个独立的应力状态变量(σ-u a ) 和(u a -u w ) 建立有效应力表达式, 并采用“零位”试验验证了该论点的可行性。在此基础上, Fredlund (1978) 建立了基于双应力状态变量的非饱和土的抗剪强度表达式, 将摩尔—库伦准则推广到以τ、(σ-u a ) 和(u a -u w ) 为坐标轴的三维空间。

近年来, 国内学者在非饱和土的固结理论研究上也取得了较大的进展。如陈正汉等初步建立了非饱和土固结的混合物理论, 杨代泉提出的广义固结理论, 沈珠江先生倡导建立的结构性本构模型, 包承纲先生提出的以非饱和土气相存在状态划分孔隙水的流动规律等。可以说, 非饱和土的理论研究在国内外方兴未艾, 正日益向着工程实用的领域迈进。正如沈珠江院士所指出的“非饱和土力学的发展已经到了从量的积累到质的飞跃的关键时刻”。

1. 2　非饱和土的研究意义

自然界中的地基土体是由土颗粒和颗粒间的孔隙组成的。工程中所遇到的土体, 大多数以非饱和土形态存在, 即土颗粒孔隙中既含有液体, 又含有气体。除土颗粒本身的性质外, 孔隙中水、气的含量不同, 也将导致土体的性质各异。包承纲先生曾经在1978年采用土壤的毛细压力试验(吸力与含水量关系试验) 和气渗性试验研究了土壤在不同状态下的毛细水压力情况。他认为, 非饱和土在负孔隙水压力作用下的气相状态可以分为4种形态, 即气连通、部分连通、内部连通和气封闭等。当孔隙中

1　非饱和土的研究历史及研究意义

1. 1　非饱和土的研究历史

据有关资料, 非饱和土的研究始于本世纪30年代, 当时由于水利和交通工程的大规模兴建, 出现了许多地下水位以上的水体流动问题。例如, 低于防渗心墙墙顶的地下水由于“毛细管作用”向上越过心墙所形成的渗流问题; 地基中的负孔隙水压问题等。这些问题促使人们对非饱和土课题进行研究。在随后的近20年中, 非饱和土的研究多局限于毛细水的流动问题。这主要是由于土在三相状态下的强度、变形等参数的量测十分复杂, 使有关的理论研究进展缓慢。本世纪50～60年代, 由于太沙基的有效应力公式在描述饱和土性状方面取得的巨大成功, 使人们不约而同地把建立非饱和土的有效应力公式作为目标, 其中, 以Bishop 的有效应力公式影响最大, 他认为:

　　　　　　σ′=(σ-u a )+χ(u a -u w )

第30卷　第7期　　　　　　　　　　　　　人民长江　RE NMIN C HANGJIANG 　　　　　　　　　　　　　　　　1999年7月的气相以完全连通方式存在时, 气渗性与含水量无关, 土体有效应力表达式为σ′=(σ); 随着含水量的增大, 孔隙中的气n -u a

体体积逐渐减少, 并形成半封闭或封闭的气泡, 孔隙气体以部分连通或内部连通状态存在, 此时, 土壤的负孔隙水压力(土中吸力) 逐渐减小, 土体有效应力表达式中应当分别考虑孔隙气压力和孔隙水压力的影响; 当土壤中的含水量很高以后, 气相完全为液体所包围, 体积微小, 并只能随液体一起流动, 可视为一种挟气水的二相体系。此时, 土体基本达到饱和状态, 土壤的气渗性极小, 负孔隙水压力基本为零, 土体有效应力表达式与饱和土相同。由此, 他认为, 非饱和土的关键问题就在于土中气体对土体性质的影响, 而且这种影响是通过负孔隙水压力产生的, 也即非饱和土力学中所谓的土中吸力(Suction ) 。研究表明, 经典土力学理论的不完善是没有反映土中吸力的存在。由于土中吸力的影响, 使得下述岩土工程问题更加复杂。

(1) 路堤及土坝等工程填筑中的孔隙压力。堤坝等工程在建造过程中孔隙压力的消散过程不能用经典土力学理论来说明。堤坝的变形由于孔隙气体的存在而发生变化, 若仍由饱和土力学理论来指导施工, 势必影响填筑质量或施工进度。堤坝运行后, 水位变动会使孔隙水、气的比例发生变化, 从而使土体的固结、强度和渗流等情况都与饱和土力学理论所阐明的不同。

(2) 边坡稳定。天然边坡的稳定状态随时间、气候条件等因素发生变化, 对常规的边坡稳定分析方法提出疑问。对长时间降雨后出现的滑坡的机理分析以及预测预报等均应当考虑土体含水量变化的影响。

(3) 深基坑等竖直挖方中的支护措施设计。深基坑支护设计及稳定分析应当考虑地下水位的变动影响。由于开挖使得地下水位降低, 基坑土体在一定范围内成为非饱和土, 短期内使土的抗剪强度增加, 但随着时间的增长, 土中吸力又会使非饱和区域孔隙水压力上升, 强度衰减, 最终导致基坑失稳。此外, 孔隙水压力的变化也会引起基坑周围建筑物的不均匀沉陷, 分析这种沉陷过程也需要用到非饱和土的固结理论。

(4) 挡土墙和桩顶地梁上的侧向土压力计算。常规主动、被动土压力计算公式中, 土的抗剪强度是按饱和土考虑的, 这与实际工程中墙后土体通常处于非饱和状态是不相符的。此外, 还应当考虑墙后土体浸湿作用所产生的附加侧向土压力。

(5) 膨胀土及黄土的变形分析及强度参数。膨胀土与黄土均是易受水份影响的土类。膨胀土的胀缩变形, 内因是土体的矿物成分和天然结构, 外因则是降雨、气候或地下水的共同作用。膨胀土的胀缩性、裂隙性和超固结特性, 实质上均与土体内部孔隙变化及水、气比有关。膨胀土水份变化由孔隙气、水相互作用所控制。研究膨胀土、黄土等非饱和土的变形及强度问题, 必须探讨孔隙气、水的影响, 如果简单地将其视为饱和土, 必然导致理论分析上的重大失误。这方面较典型的问题之一是:膨胀土的抗剪强度是变动的, 干、湿强度相差极大, 设计值怎样取定, 有待研究。

综上所述, 实际工程中大量存在着非饱和土的课题。以往由于研究手段的限制, 研究工作进展缓慢。近年来, 由于人们的重视, 情况大有改善。

种特殊的非饱和土, 在我国的河南南阳、河北邯郸、鄂西北以及广西等地均分布有广泛的膨胀土层。据地质勘探, 长江委负责设计的南水北调工程总干渠从渠首陶岔至南阳沙河, 有数十公里的渠段处于中弱膨胀土地区, 对这些渠段的断面设计及稳定分析研究, 一直是工程技术人员所关注的问题。目前, 在南水北调工程膨胀土的研究工作中, 有以下几个关键的工程技术问题有待探讨。

(1) 膨胀土抗剪强度试验方法及指标的选取; (2) 膨胀土渠道断面形式、边坡坡比及支护措施设计; (3) 膨胀土边坡稳定分析方法; (4) 膨胀土作为填方土料的可行性及处理措施;

(5) 工程运行期渠坡的变形与破坏的长期监测等。

上述问题中最为重要并且贯穿始终的是膨胀土的抗剪强度指标的确定。可以说渠坡的稳定分析、断面设计、安全监测等均是以准确地量测抗剪强度为基础的。

如前所述, 膨胀土的抗剪强度是变动的, 干强度极高, 饱和强度极低, 强度随降雨、蒸发等环境条件而变化。以往对膨胀土边坡, 一般均按饱和粘性土设计, 忽视了土体内部结构、裂隙面、胀缩性等因素对抗剪强度的影响, 设计的边坡往往很缓, 工程量很大, 造成浪费, 还不能从根本上解决膨胀土边坡的稳定问题。因此, 膨胀土强度参数的选取, 应当区分地下水位以上、地下水位以下和水位变动区域以及挖、填方等, 分别选择饱和土和非饱和土的抗剪强度指标。此外, 还应当根据裂隙面、风化层等条件分别选择峰值强度、残余强度或强度平均值等。膨胀土边坡的水位变动区, 是膨胀土强度变动最为显著的区域, 对该区域土体的工程特性的研究, 必须按非饱和土来进行。

2. 2　非饱和土抗剪强度理论的应用

Bishop (1961年) 和Fredlund (1978年) 从各自的应力状态变量出发, 分别提出非饱和土的抗剪强度表达式。Bishop 的表达式为

　　　　τ=C ′+[(σ-u a )+χ(u a -u w ) ]tan φ′(1) Fredlund 主张建立独立的双应力状态变量公式。他认为非饱和土的抗剪强度由3部分组成, 即有效凝聚力C ′, 净法向应力(σ-u a ) 引起的分量和基质吸力(u a -u w ) 引起的分量。净法向应力引起的分量与有效内摩擦角φ′有关, 而基质吸力引起的

b 分量则与另一个角度φ有关。

Fredlund 的表达式为

b

　　　　τ=C ′+(σ-u a ) tan φ′+(u a -u w ) tan φ(2) 式中前两项可从饱和土的常规试验中得到, 第3项需要进行非

饱和土的有关试验才能确定。

目前, Fredlund 的理论已引起土力学界的广泛重视, 并已带来非饱和土理论研究的新的突破。

根据Fredlund 的非饱和土抗剪强度理论, 我们进行了室内和现场两方面的研究工作。室内试验主要有两项内容:首先进行了土的吸力与含水量的关系试验, 取得了一组膨胀土土水特征曲线(如图1) 。其次进行了饱和和非饱和土三轴抗剪强度试验, 取得了饱和膨胀土的有效应力指标C ′、φ′和一组非饱和膨胀土的抗剪强度参数。图2为破坏包面在τ～(u a -u w ) 平面上

b 的强度包线。该线段的斜率tan φ, 即为基质吸力的影响。

现场试验主要是研究天然膨胀土边坡中的吸力分布情况,

2　非饱和土理论在南水北调工程中的应用

2. 1　南水北调膨胀土渠段的主要技术难题

非饱和土力学的诞生是与膨胀土的研究息息相关的。最早探讨非饱和土的问题也是出于研究膨胀土的需要。膨胀土是一

比较各种吸力量测仪器和方法等, 为膨胀土边坡稳定的预测预报工作积累经验。现场测试表明:

(1) 膨胀土边坡中的吸力随深度呈指数函数分布, 深度相

·

Vol . 30　No . 7　　　　　　　　　　　　　　　　人民长江　YANGTZE RIVER 　　　　　　　　　　　　　　　　July 　1999同时, 填方边坡中的吸力比挖方边坡中的吸力大1～2倍。(2) 膨胀土边坡沿深度方向存在一个环境影响的“临界深度”, 在此深度以下, 土中吸力稳定, 土的工程性质一般不受环境影响; 在此深度以上, 膨胀土的变形、强度等受到降雨、裂隙分布、气温等影响较大。填方段的“临界深度”比挖方段的大得多, 这也许正是天然膨胀土边坡多发生浅层滑动的原因

。

基本准确, 但探头稳定性不够好, 灵敏度较低。滤纸法则操作极其复杂, 精度要求高, 不便于现场使用

。

基质吸力(105Pa )

图3　吸力沿深度分布

图1　膨胀土土———

水特征曲线

3　结语

膨胀土、黄土、残积土等是非饱和土理论最为适用的土体。

膨胀土的胀缩变形、边坡稳定分析, 黄土的湿陷、沉降分析等, 用非饱和土理论能够得到比经典力学更为准确的成果。目前, 非饱和土理论尚处于逐渐完善阶段, 本文所进行的探讨也仅仅是初步的。相信在不久的将来, 非饱和土理论也会象饱和土理论一样, 为解决工程实际中的非饱和土问题提供可靠的依据。

参考文献

u a -u w (kPa )

图2　破坏包面与净法向应力为零的τ与(u a -u w ) 平面的交线

1　Fredlund D C , R ahardj o H . 非饱和土力学. 北京:中国建筑工业出版社,

1997. 作者简介

龚壁卫　男　长江科学院土工所　工程师　湖北省武汉市　430010刘艳华　女　长江科学院土工所　硕士　湖北省武汉市　430010詹良通　男　河海大学　硕士　江苏省南京市　210098

(收稿日期:1998-09-07　编辑:车友宜)

(3) 比较了张力计、热传导探头和滤纸法3种测量方法以

后, 发现张力计读数直观, 性能基本稳定, 操作比较简单, 能用于吸力较低的现场测量, 但张力计长期观测中的失效问题有待解决。与张力计相比, 热传导探头使用寿命长, 能重复使用, 读数

(上接第19页)

～30m 。固结灌浆孔的孔排距, 根据现场灌浆试验成果, 并参考国内外其它工程经验确定为3m ×3m , 梅花型布置, 断层等地质缺陷部位, 视具体情况适当加密。

(2) 固结灌浆施工方法。基岩固结灌浆在有混凝土盖重的条件下施工。盖重一般厚2～4m , 分两序加密的原则采取自上而下分段钻灌。接触段灌浆压力为0. 3MPa , 灌浆材料采用普通硅酸盐或硅酸盐大坝水泥纯水泥浆材。

6　几点认识

(1) 根据施工过程中不断揭示的地质条件进行动态开挖设计(包括两次开挖) , 有利于节省开挖工程量, 在复杂的开挖形态

下, 有利于进一步完善和确保开挖形态。

(2) 对坝基防渗有影响的顺河向发育的溶蚀断裂构造及岩溶系统是基础处理的重点, 必须采取可靠的处理措施。(3) 石灰岩地区建坝, 对区域及坝址区岩溶发育特点及其规律必须予以充分了解, 以便于更好地指导和完善工程设计。(4) 坝基勘探平洞有利于充分了解基础地质条件, 但也带来后期处理量大和质量难于保证的弊端, 建议在一般情况下布设勘探平洞宜尽可能地与基础深部处理洞、观测洞、排水洞等结合做到一洞多用。

作者简介

徐年丰　男　长江水利委员会设计院枢纽处　高级工程师　湖北省武

汉市　430010

林文亮　男　长江水利委员会设计院枢纽处副总工程师　高级工程师

湖北省武汉市　430010

(收稿日期:1998-07-18　编辑:赵凤超)

5　工程监测与验证

隔河岩工程自1993年6月第1台机组发电至今, 已运行5年, 并经历了高洪水位的考验。

观测成果表明, 河床坝基沉陷最大, 累计沉降量28mm , 相对垂直位移均在1mm 以内, 无明显的不均匀沉陷。坝基水平位移小于2mm , 相对位移近似为0。左岸重力墩、基础301号夹层无明显位移, 处于稳定状态。坝基渗压系数一般小于设计值, 基础防渗效果良好。总体显示坝基应力小于设计值基础处于稳定状态, 满足设计的要求。

第30卷　第7期　　　　　　　　　　　　　人民长江　RE NMIN C HANGJIANG 　　　　　　　　　　　　　　　　1999年7月

1998Yangtze flood

Zhang G uangdou

　　Abstract 　1998Yangtze flood is a basin -wide large flood comparable to 1954one . Although this flood has passed , various comments come in a continuous stream , some people even attribute this flood to “man -made calamities ”. Now , from the point of scientific analysis , although this flood has such features as large volume , long duration and wide involved area , with flood and water logging disasters being serious , the losses caused by it are much less than those b y 1931or 1954flood . Analysed results show that 1998Yangtze flood is mainly attributed to abnormal weather , over -heavy storm , reduced storage capacity and peak reduction function of rivers and lakes , causing the rise of flood stages . In terms of maximu m flood peak dis -charge and maximum 60-day flood volume below Jingjiang river , 1998flood is smaller than 1954one as a whole , and ranks second among three basin -wide large floods (1931, 1954, 1998) occurrin g in this century . The flood stages along middle and lower Yangtze in 1998are much higher than ob -served ones in 1954. Principal causes thereof are :①the volu me of flood diversion and storage in 1998is much less than that in 1954, the total volume of flood diversion (including dyke breaching ) in 1954amounted to 102. 3billion m 3while in 1998only 10billion . ②The capacity of flood storage of lakes has been reducing . Since the foundin g of the People ' s Republic of China , the area of lakes connected with the middle or lower Yangtze has been reduced by some 10thousand k m 2, and the volume of Dongting lake and Poyang lake reduced by 18billion m 3plus due to sedimentation and enclosing lake land for cultivation . Under correct leadership of Party Centre and State Council , with common effort made b y govern ments at all levels , soldiers and civilians , the fight against 1998Yan gtze flood achieved a whole victory . The main experiences from this fight are :sufficient preparations before flood period ; united command , and correct decision -making , joint defence b y army and militia , to deal with emergency with all efforts and scientifical reser -voir regulation to handle flood control affairs according to law . In retrospect of this flood disaster , the following work should be strengthened :raising and strengthening dyke , removing dyke ' s hidden defects , harnessing river channels and making the flood passage unimpeded , constructing flood diversion and storage areas , removing polder d ykes for flood running and returning cropland to the lake , buildin g towns for resettlement , the construction of flood control reservoir and soil -water conservation in upper -middle Yangtze valley , raising modern flood control technology . 　　Subject words 　Extraordinary flood 　Storm flood 　Flood characteristic 　Chang Jiang 　1998

HEC solidification test on TGP ' s spoil materials

He Zhen 　Liang W enquan 　Li Yajie

　　A bstract 　Powdery high strength and water tolerance earth cons olidator (HEC ) not onl y can consolidate various earth materials to make them have higher strength , water tolerance and durability , but also can be used as cementing material of concrete . The consolidation test has been made on the TGP ' s weathered sand , fine crushed stone and natural aggregate . The test results demonstrate that the consolidated material has good physical , me -chanical and durable characteristics and can be used for projects such as road bed , pavement , retaining wall , revetment and lining etc . . The develop -ment of HEC will provide a new way to treat TGP ' s spoil material reasonabl y and effectively .

　　Subject words 　Consolidation test 　Solum 　Aggregate 　Cementitious material 　Sanxia Multipurpose Project

Significance and engineering application

of unsaturated soil mechanics theory

G ong Biwei 　Liu Yanhua 　Zhan Liangtong

　　Abstract 　The recent development in soil mechanics is presented . The history and the significance of research on mechanics of unsaturated s oil

are expounded . In association with expansive soil problem involved in the South -to -North Water Transfer project , the shear strength theory of unsat -urated soil is applied to experimental study on engineering practice by way of trial . Tests of relation between abs orbing force of soil and its water content and tests of triaxial shear strength are conducted in laboratory . Absorbing force distribution of natural expansive soil in side slope are investigated in field , and various instru ments and methods for measuring absorbing force are compared . These researches accumulate experiences for engineering appli -cation of unsaturated soil theory .

　　Subject words 　Unsaturated soil 　Soil mechanics 　Expans ive soil 　Shear strength 　South -to -North Water Transfer Project

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