非飽和土有效(yǒuxiào)應(yīng)力第一頁(yè)，共46頁(yè)。一、對(duì)于非飽和土，有效應(yīng)力問(wèn)題的研究既要遵循著名的飽和土有效應(yīng)力的實(shí)質(zhì)性原則(yuánzé)(有效應(yīng)力應(yīng)是由土骨架傳遞并能引起土變形和強(qiáng)度變化的應(yīng)力),又要考慮非飽和土一系列的特殊性質(zhì)(三相性與結(jié)構(gòu)性)第二頁(yè)，共46頁(yè)。1、從固相角度(jiǎodù)分析僅由土骨架傳遞，但不能使土發(fā)生變形的應(yīng)力不能視為完整意義(yìyì)上的有效應(yīng)力非飽和土的有效應(yīng)力應(yīng)是骨架傳遞的應(yīng)力和結(jié)構(gòu)性阻抗應(yīng)力之差骨架傳遞的應(yīng)力達(dá)到結(jié)構(gòu)性阻抗應(yīng)力才是非飽和土有效應(yīng)力的起點(diǎn)第三頁(yè)，共46頁(yè)。2、從液相角度(jiǎodù)分析非飽和(bǎohé)土孔隙流體中的液相與在飽和(bǎohé)土中唯一存在的孔隙水不同，它不能均衡地作用在土粒周?chē)床荒苤伙@示中性壓力的作用，而不參與土骨架的變形和強(qiáng)度。第四頁(yè)，共46頁(yè)。3、從氣相角度(jiǎodù)分析非飽和土孔隙(kǒngxì)流體中的氣相，具有非常明顯的可壓縮性，它的存在使土在沒(méi)有水和氣排出時(shí)，也會(huì)使土骨架在有外荷作用時(shí)，立即承受一部分相應(yīng)的荷載。第五頁(yè)，共46頁(yè)。4、從三相(sānxiānɡ)綜合分析當(dāng)外荷作用后，土骨架會(huì)立即(lìjí)承受一部分荷載，到這個(gè)荷載開(kāi)始超過(guò)土的結(jié)構(gòu)性阻抗應(yīng)力時(shí)，才會(huì)使土開(kāi)始發(fā)生變形。此后，荷載的增長(zhǎng)將首先使孔隙氣相發(fā)生壓縮，導(dǎo)致土的變形。土變形過(guò)程中，孔隙氣壓力，孔隙水壓力或水－氣交界面，或收縮膜所受的表面張力，要發(fā)生新的調(diào)整達(dá)到新的平衡。第六頁(yè)，共46頁(yè)。荷載的逐級(jí)增長(zhǎng)均會(huì)引起有效應(yīng)力與水、氣應(yīng)力成分之間在量上的逐級(jí)調(diào)整。對(duì)應(yīng)于每級(jí)荷載都有一個(gè)達(dá)到平衡時(shí)的有效應(yīng)力與孔隙壓力，這時(shí)的孔隙壓力才具有中和應(yīng)力的性質(zhì)(xìngzhì)，可稱(chēng)為綜合流體壓力或等效孔隙壓力。第七頁(yè)，共46頁(yè)。因此，孔隙水壓力和孔隙氣壓力作用是非偏性應(yīng)力，它們對(duì)骨架的作用，因其一般分別作用于它與土粒部分的、不等的，而且是非對(duì)稱(chēng)的接觸面上，故它們對(duì)土變形的影響并不能顯示出非偏性應(yīng)力的特性，而是作用力系中一種既有方向性，又有動(dòng)態(tài)變化性的力，會(huì)影響到綜合應(yīng)力狀態(tài)，或球應(yīng)力和偏應(yīng)力的變化，即不應(yīng)一般地將它們的差值再視為非偏性應(yīng)力。只有當(dāng)它們?cè)诹可贤ㄟ^(guò)(tōngguò)與實(shí)際情況相一致的調(diào)整后所形成的非有效應(yīng)力部分，即綜合流體壓力，或等效孔隙壓力才可視為非偏性應(yīng)力。第八頁(yè)，共46頁(yè)。5、非飽和土的有效應(yīng)力(yìnglì)可以寫(xiě)為式中為外荷引起的總應(yīng)力為土結(jié)構(gòu)性的阻抗(zǔkàng)應(yīng)力為土的有效應(yīng)力為綜合孔隙流體應(yīng)力（等效孔隙應(yīng)力）第九頁(yè)，共46頁(yè)。對(duì)于飽和土，如結(jié)構(gòu)(jiégòu)阻抗應(yīng)力很小，可以忽略不計(jì)時(shí)，有，得即著名的飽和土有效應(yīng)力原理的表達(dá)式。第十頁(yè)，共46頁(yè)。二、土受到外荷后的有效應(yīng)力狀態(tài)與土性相關(guān)應(yīng)是松散多孔多相(duōxiānɡ)介質(zhì)有別于其它固體連續(xù)介質(zhì)的基本特性。第十一頁(yè)，共46頁(yè)。1.飽和土的有效應(yīng)力原理，“提示了碎散顆粒材料與連續(xù)固體材料在應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系上的重大區(qū)別，是土力學(xué)成為一門(mén)獨(dú)立學(xué)科的重要標(biāo)志”，它的根本特點(diǎn)(tèdiǎn)是界定了飽和土有效應(yīng)力這一重要的概念，使與土性變化無(wú)關(guān)的總應(yīng)力和與土性變化密切相關(guān)的孔隙水壓力聯(lián)系了起來(lái)。第十二頁(yè)，共46頁(yè)。2、對(duì)于非飽和土，有效應(yīng)力也不例外地必須(bìxū)與土性變化所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力變化相聯(lián)系，這不僅應(yīng)無(wú)可非議，而且是必由之路。第十三頁(yè)，共46頁(yè)。如果對(duì)飽和土體，要確定它的有效應(yīng)力就必須先把壓縮定理（實(shí)際上是應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系）引入，并通過(guò)固結(jié)理論來(lái)求得孔隙水壓力（太沙基的滲透固結(jié)理論正是這種處理方法的典型），那么，對(duì)非飽和土體，要確定它的有效應(yīng)力也就必須先通過(guò)把相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系，平衡條件,尤其是水、氣的連續(xù)條件相聯(lián)系的非飽和土固結(jié)理論來(lái)求解符合(fúhé)調(diào)整平衡條件,即綜合孔隙流體應(yīng)力條件的孔隙水壓力和孔隙氣壓力。第十四頁(yè)，共46頁(yè)。因此，對(duì)飽和土和非飽和土，只要承識(shí)它是松散、多孔、多相介質(zhì)，真正的有效應(yīng)力必須與上述同本構(gòu)關(guān)系等一系列條件相協(xié)調(diào)(xiétiáo)的孔隙水壓力和孔隙氣壓力相聯(lián)系(間接地將本構(gòu)關(guān)系引入了有效應(yīng)力）.第十五頁(yè)，共46頁(yè)。換句話(huà)說(shuō)，有效應(yīng)力的大小應(yīng)與變形的大小、應(yīng)力路徑及增濕、減濕的變化有關(guān)。試驗(yàn)按變形與強(qiáng)度確定得到的有效應(yīng)力會(huì)有明顯的不同正好表明(biǎomíng)了這一種基本特性的存在。第十六頁(yè)，共46頁(yè)。三、對(duì)于非飽和土，結(jié)構(gòu)性也像收縮膜一樣同樣都是需要正確(zhèngquè)面對(duì)的重要因素。第十七頁(yè)，共46頁(yè)。結(jié)構(gòu)性阻抗應(yīng)力來(lái)源于土經(jīng)過(guò)不同的沉積環(huán)境和應(yīng)力應(yīng)變(yìngbiàn)所形成的濕密構(gòu)狀態(tài)下所具有的吸力（基質(zhì)吸力及滲透吸力）、膠結(jié)力和嵌固力（咬合力）等的綜合作用。它們?cè)谛再|(zhì)上都具有一定抵抗土發(fā)生變形的能力，亦可稱(chēng)為廣義吸力，或更確切地稱(chēng)為廣義結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。第十八頁(yè)，共46頁(yè)。從概念上對(duì)各種結(jié)構(gòu)阻抗應(yīng)力的成分可以而且必需作出明顯的區(qū)分(qūfēn)，以便揭示結(jié)構(gòu)性阻抗應(yīng)力的本質(zhì)，避免片面性，但在實(shí)際上要將它們一一區(qū)分(qūfēn)并加以量測(cè)不僅是相當(dāng)困難的，而且是沒(méi)有必要的。第十九頁(yè)，共46頁(yè)。考慮到這種廣義結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的性質(zhì)，就不難理解用Bishop的有效應(yīng)力(yìnglì)公式整理試驗(yàn)資料時(shí)，會(huì)出現(xiàn)值大于1或小于零，Donald的試驗(yàn)會(huì)得出砂土在吸力增大并超過(guò)某一數(shù)值后抗剪強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)下降，以及浸水使?jié)裣菪渣S土的吸力降低，卻會(huì)出現(xiàn)大量附加變形等現(xiàn)象的根據(jù)所在。第二十頁(yè)，共46頁(yè)。四.對(duì)于非飽和土，吸力(xīlì)是一種只能由它自身的基本物理本質(zhì)因素，即粒度、密度、濕度和構(gòu)

度所決定的屬性力。第二十一頁(yè)，共46頁(yè)。只有土的本質(zhì)因素改變（輸入(shūrù)）才引起吸力的改變（輸出）。人為地用改變孔隙水壓力或孔隙氣壓力使土的吸力改變到某一數(shù)值，可以來(lái)源于不同的輸入(shūrù)，即孔隙水壓力或孔隙氣壓力的變化可以來(lái)源于不同的原因。這不同的原因會(huì)導(dǎo)致土物理本質(zhì)有不同的改變。第二十二頁(yè)，共46頁(yè)。同一個(gè)孔隙水壓(shuǐyā)力可來(lái)自增濕過(guò)程和減濕過(guò)程，但它們對(duì)變形的影響絕不是等同的；同一個(gè)孔隙氣壓力可來(lái)自土的不排水壓(shuǐyā)密和濕度的增長(zhǎng)，但它們對(duì)變形的影響也絕不是相等地。因?yàn)橹豢刂瓶紫稓鈮毫涂紫端畨?shuǐyā)的差值相等時(shí)，水、氣壓力對(duì)非飽和土骨架的非均勻?qū)ΨQ(chēng)作用不能不使土性隨不同具體變化條件而發(fā)生差異。第二十三頁(yè)，共46頁(yè)。如果加卸荷或增減濕是對(duì)土體系統(tǒng)的輸入，那么孔隙水壓力、孔隙氣壓力、變形與變形后的結(jié)構(gòu)狀況都是與它相應(yīng)并具確定性的輸出。把輸出量的一個(gè)或幾個(gè)作人為地改變，參與輸入作用，對(duì)三相系統(tǒng)材料的特性會(huì)帶來(lái)違反自然的歪曲，這就不能不使人惑疑所謂“等吸力(xīlì)試驗(yàn)”這樣作為雙應(yīng)力變量理論測(cè)試與應(yīng)用支柱的合理性。第二十四頁(yè)，共46頁(yè)。五、對(duì)于非飽和土，由于其孔隙大小分布的非均勻性，往往在非飽和土中存留著一定數(shù)量的飽和區(qū)，加上通常的應(yīng)力狀態(tài)研究也總是把應(yīng)力作為一個(gè)平均量的概念，通常一切力系所產(chǎn)生(chǎnshēng)的應(yīng)力均按平均概念來(lái)考慮。并注意力的大小、方向和作用點(diǎn)三個(gè)要素和力的分解原則。第二十五頁(yè)，共46頁(yè)。六、對(duì)非飽和土，應(yīng)同時(shí)考慮它的結(jié)構(gòu)性和它的三相性。但關(guān)鍵性的困難問(wèn)題主要在于因氣相存在而出現(xiàn)的水氣交界面對(duì)有效(yǒuxiào)作用力系的影響。因此，對(duì)與收縮膜有關(guān)各力的作用必須在概念上正確地作出清理。第二十六頁(yè)，共46頁(yè)。早年用毛細(xì)壓力代替收縮膜作用的作法已因其偏面性而逐漸被拋棄；將收縮膜張力分解為土粒中心連線方向(fāngxiàng)的法向分量（濕吸力）和沿粒膜接觸點(diǎn)切線方向(fāngxiàng)的切向分量（牽引力），或分解為水平分量和垂直分量的思路，提示了收縮膜張力對(duì)土粒間滑動(dòng)所具有的實(shí)際作用，糾正了只用豎向分量毛細(xì)壓力代替收縮膜作用的片面性。但在對(duì)收縮膜作用作了如上考慮之后，無(wú)需再重復(fù)計(jì)入通常意義上的基質(zhì)吸力作用，它們只不過(guò)是一種效用的不同反映方式，而前者具有更加完整的視野。第二十七頁(yè)，共46頁(yè)。事實(shí)上，作為水氣交界面的收縮膜可以不與土顆粒相接觸（氣泡形態(tài)時(shí)）此時(shí)，它對(duì)土骨架的影響，只能通過(guò)收縮膜兩側(cè)的（內(nèi)外(nèiwài)的）孔隙氣和孔隙水在維持收縮膜平衡條件時(shí)所形成的孔隙氣壓力和孔隙水壓力來(lái)體現(xiàn)。收縮膜本身的力仍然等于表面張力。第二十八頁(yè)，共46頁(yè)。一般絕大多數(shù)的非飽和土，含水量較小，收縮膜總要(zǒnɡyào)和土顆粒相接觸，可以視為通過(guò)粒膜接觸點(diǎn)處土粒對(duì)水的吸附而掛在土骨架上作用，并將收縮膜中的表面張力傳遞給土骨架，對(duì)土施加影響。第二十九頁(yè)，共46頁(yè)。這種收縮膜對(duì)土粒作用力的大小仍應(yīng)等于此時(shí)的表面張力，但作用方向與由固體材料性質(zhì)等因素決定的接觸角（視增濕和脫濕可以為推進(jìn)角和撤退(chètuì)角）有關(guān)。第三十頁(yè)，共46頁(yè)。不管接觸角多大，收縮膜對(duì)土粒的作用力總可以由粒膜接觸點(diǎn)上作用的豎向、橫向和側(cè)向的三個(gè)分量來(lái)反映。它們與作用在粒粒接觸點(diǎn)上的膠結(jié)力C和作用在粒粒交錯(cuò)(jiāocuò)面上的咬合力E的相應(yīng)分量一起構(gòu)成了土的結(jié)構(gòu)性阻抗力，即R＝T＋C＋E，R再同有效力Ω共同構(gòu)成了土骨架所分擔(dān)的荷載力P，即：P=Ω+R第三十一頁(yè)，共46頁(yè)。對(duì)一個(gè)單位面積的應(yīng)力來(lái)說(shuō)，總應(yīng)力除土骨架分擔(dān)(fēndān)的應(yīng)力外，還有孔隙水分擔(dān)(fēndān)的應(yīng)力和孔隙氣分擔(dān)(fēndān)的應(yīng)力，即有第三十二頁(yè)，共46頁(yè)。如果利用這種概念寫(xiě)出豎向V、橫向H和側(cè)向L三個(gè)面上的力和應(yīng)力的關(guān)系式，則有式中i、j分別為粒粒接觸點(diǎn)號(hào)和空隙號(hào)，、分別為k平面內(nèi)的粒粒接觸點(diǎn)數(shù)和粒膜接觸點(diǎn)數(shù)為k平面內(nèi)的空隙數(shù)為滲透(shèntòu)吸力水頭第三十三頁(yè)，共46頁(yè)。根據(jù)(gēnjù)力的平衡條件：或第三十四頁(yè)，共46頁(yè)。令，引入則有

第三十五頁(yè)，共46頁(yè)。令，則，，故有

第三十六頁(yè)，共46頁(yè)。令，則，又故有

第三十七頁(yè)，共46頁(yè)。整理(zhěnglǐ)得或第三十八頁(yè)，共46頁(yè)。進(jìn)一步簡(jiǎn)化(jiǎnhuà)有：

或或第三十九頁(yè)，共46頁(yè)。七.非飽和土有效應(yīng)力變形(biànxíng)強(qiáng)度的體系第四十頁(yè)，共46頁(yè)。

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s第四十一頁(yè)，共46頁(yè)。

Fig.2.a(σ1-σ3)-1relation02040608010012014016005101520σ1-σ3,kPaσ3=100kPaσ3=150kPaσ3=200kPa1%Fig.2.bεv-ε1relation0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.005101520ε1，%εv,%σ3=100kPaσ3=150kPaσ3=200kPaFig.2.cSuction-ε1relation05101520253035404505101520ε1,%Suction，kPaσ3=100kPaσ3=200kPaσ3=150kPa

八.算例第四十二頁(yè)，共46頁(yè)。Fig.3.a-εvrelation3.53.02.52.01.51.00.50.000.511.52εv,%σ3=100kPaσ3=150kPaσ3=200kPaFig.3.b-εsrelation3.02.52.01.51.00.50.00246810εs,%σ3=100kPaσ3=150kPaσ3=200kPaFig.4.ap'-εvrelation02040608010012000.511.52

εv,%σ3=100kPaσ3=150kPaσ3=200kPap’,kPaFig.4.bq'-εsrelation204060801001201401601800246810εs,%q’,kPaσ3=100kPaσ3=150kPaσ3=200kPa第四十三頁(yè)，共46頁(yè)。020406080100120020406080100pf'，kPaqf',kPaFig.5Theeffectivestrengthenvelop(qf’-pf’)ε1f=10%c'=13.7kPaφ'=24.6°ρd0=1.5g/cm3W0=27%σ3=100kPa150kPa200kPa第四十四頁(yè)，共46頁(yè)。換句話(huà)說(shuō)，有效應(yīng)力的大小應(yīng)與變形的大小、應(yīng)力路徑及增濕、減濕的變化有關(guān)。第三十四頁(yè)，共46頁(yè)。土變形過(guò)程中，孔隙氣壓力，孔隙水壓力或水－氣交界面，或收縮膜所受的表面張力，要發(fā)生新的調(diào)整達(dá)到新的平衡。第三十五頁(yè)，共46頁(yè)。第三十八頁(yè)，共46頁(yè)。第三十四頁(yè)，共46頁(yè)。同一個(gè)孔隙水壓(shuǐyā)力可來(lái)自增濕過(guò)程和減濕過(guò)程，但它們對(duì)變形的影響絕不是等同的；飽和土的有效應(yīng)力原理，“提示了碎散顆粒材料與連續(xù)固體材料在應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系上的重大區(qū)別，是土力學(xué)成為一門(mén)獨(dú)立學(xué)科的重要標(biāo)志”，它的根本特點(diǎn)(tèdiǎn)是界定了飽和土有效應(yīng)力這一重要的概念，使與土性變化無(wú)關(guān)的總應(yīng)力和與土性變化密切相關(guān)的孔隙水壓力聯(lián)系了起來(lái)。一般絕大多數(shù)的非飽和土，含水量較小，收縮膜總要(zǒnɡyào)和土顆粒相接觸，可以視為通過(guò)粒膜接觸點(diǎn)處土粒對(duì)水的