层状土体变特性及变形计算方法研究进展.pdf

书书书第 卷第 期年 月水利与建筑工程学报 ，：收稿日期：修稿日期：基金项目：国家自然科学基金面上项目（；）；辽宁省自然科学基金计划项目（）作者简介：李纯（），男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事岩土工程的教学和科研工作。：层状土体变特性及变形计算方法研究进展李纯，王煜斌，王刚（东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 ）摘要：由于传统的地基变形计算方法应用于计算大型基础下层状土变形的局限性，在对国内外非自由场（受载）层状土的变形性能研究现状及其发展趋势进行深入分析的基础上，总结了非自由场层状土的体变理论在工程应用中尚存在的问题。结果表明，目前对层状土的静动力体变特性研究还不够深入，现有方法不能在宏微观两个层面上表征土骨架与孔隙水的相互作用，无法同时考虑地基中不同类型土的本构关系、物理力学性质及基底有效附加应力的空间传递与叠加过程，导致计算结果与实际情形相差甚远，只能靠引入经验系数的做法来解决问题。基于此，选取适用于描述非自由场层状土体变特性的理论方法，揭示土 水 力多场耦合作用下复杂地基土的变形演化规律，构建科学合理的层状土体变预测模型，是今后需要深入研究的方向。关键词：层状土；多孔介质；孔隙水压力；附加应力；变形中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：，：；经典土力学理论和试验方法一般用于解决饱和土问题，所得出的规律和工程应用方法也主要适用于饱和土，如计算边坡、坝体、地基等的变形问题，先把土体看成是均质的线性变形体，直接引用弹性力学理论计算附加应力，然后利用某些简化和假设来解决土层变形的计算问题。在过去的半个多世纪里，饱和土理论得到了飞速发展，各种本构理论、固结理论等相继被提出，其中部分理论已逐渐发展成熟，并在工程领域中得到了广泛应用，特别是地基变形计算方法的研究与应用等方面。然而，土可以是饱和的，即孔隙中充满水，也可以是非饱和的，即孔隙中同时充满水和空气 。研究表明，采用有效应力作为描述饱和土性状特征的唯一状态变量时，在解决涉及饱和土的许多岩土工程问题中，已经取得了很大的成功，有效应力概念已被普遍应用于饱和砂土、粉土和黏性土等的研究。实际上，土力学的研究领域应该涵盖各种不同的土类，包括非饱和砂土、膨胀土和湿陷性土等。由于试验条件的限制，非饱和土性状却不为人们所熟悉，其理论研究虽然取得了一定的进展，但远未成熟，这使得非饱和土理论在工程中的应用受到了很大限制 。实际上，地球表面广泛分布的天然地表沉积土大多是低含水率的非饱和土。建筑物地基位于地下稳定水位之上的土层、土边坡、土坝、路基填土、机场跑道的压实填土等都处于非饱和状态。即使是同一种土，受环境或人为因素影响，也可能在饱和与非饱和两种状态之间交替出现 。如降水基坑，特别是当渗透系数很大的情况下，土的工程特性变化显著，从而给建筑物、构筑物的安全带来了严重威胁或隐患。近年来，许多学者开始关注和重视对非饱和土的研究，非饱和土力学成为岩土工程领域中一个新的研究方向。目前，非饱和土体积变化理论和模量量测方法均取得了一定的成果 。在总应力为常数的情况下，这些成果已被应用于计算非饱和土的体积变化问题，如土的膨胀或收缩等 。研究体积的膨胀主要针对膨胀土，如高塑性黏土等 ；研究体积的收缩则主要针对湿陷性土，如较松的粉土层等。湿砂土（特别是砾砂和圆砾等）尚未被作为非饱和土的研究对象 。可是，在一些地区，同时对饱和土和非饱和土的力学性状和变形特征的研究已经成为一个不可回避、且亟待解决的问题。土的饱和与非饱和状态常常交替出现，其物理力学性状也在饱和土与非饱和土之间交替变化 。因此，如何通过有效途径，使饱和土和非饱和土理论合理衔接，用于解决实际问题，这是人们面临的一个新课题。建（构）筑物地基通常是由层状土组成的，土层分布和走向往往呈现交错层理构造，即使是同一类型土层，其物理性质和变形性状也随深度改变而改变。因此，地基非均质（各向异性）特性很显著。深基坑降水，不仅起到降低基坑内的地下水位、便于基础施工的作用，还影响了基底上覆土层的含水率和饱和程度，使其物理力学参数发生变化，导致该土层产生有效应力增量，有效应力增量与基底附加应力一起作用在拟建建筑物的地基上，造成地基沉降。基坑降水还影响到临近建筑物的稳定，非饱和土层中产生的有效应力增量将使临近建筑物的地基再次产生沉降 。在降水后的基坑中，建筑物荷载通过基础传递给地基，使天然土层原有的应力状态发生变化，在附加的三向应力分量作用下，地基中产生了竖向、侧向和剪切变形，导致各点的竖向和侧向位移 。由于建筑物荷载差异和地基不均匀等原因，基础沉降或多或少总是不均匀的，使得上部结构之中相应地产生额外的应力和变形 。当地基不均匀沉降超过一定的限度时，将导致建筑物开裂、歪斜甚至破坏，建筑物附近地面还可能发生塌陷现象。在实际工程中，建（构）物地基一般是由层状土构成的，开展层状土的力学性能研究具有重要理论意义，而非自由场层状土的变形性能研究是其关键问题之一。已有研究表明，层状土的力学性状并非是各单一土层力学性状的简单组合。同砂土或碎石土相比较，黏性土等软弱土具有更明显的非线性特性，该类土层的存在使层状土的整体性能变得更加复杂起来。实测结果表明，对于扩展基础、条形基础等小型基础，地基内附加应力的空间叠加效果不明显，但对于大型基础来说，其下层状地基内附加应力的空间叠加过程不能忽略，特别在柱脚存在偏心荷载情况下，基底最大附加应力并不位于柱中心轴线与基底交点处。基于上述情况，需要一种行之有效的方法，描述大型基础下基底有效附加应力的空间传递过程、计算基底平面上各目标点的沉降量以及找出最大沉降发生点位置等，为工程设计和施工提供可靠的参考数据和理论依据。非饱和土的体变特性非饱和土的力学理论必须解决两个根本问题，其一，建立场变量之间的关系；其二，建立控制方程。由于控制方程的推导可以从土力学已有的理论和一些相关学科得到借鉴，因而建立场变量之间的关系就成了解决该问题的关键。饱和土的场变量共有五个，即土骨架位移、土骨架应变、孔隙水流速、总应力和孔隙水压力。饱和土力学的成功之处就在于建水利与建筑工程学报第 卷立了有效应力与应变的关系；对于非饱和土，除了上述的五个场变量，还要增加三个场变量，即孔隙气流速、孔隙气压力和含水率或饱和度或基质吸力。孔隙水流速和孔隙水压力之间满足 定律；孔隙气流速和孔隙气压力之间满足修正的 定律。这两个控制方程都比较简单，关键是如何建立土的体积变化本构方程，最终达到求解非饱和土变形或稳定问题的目的。目前，对非饱和土的研究非常广泛，研究领域主要集中在强度理论 、渗流理论 、体变理论 以及参变量的试验量测 等方面。为了与本项目的研究内容相一致，这里主要介绍非饱和土的应力状态变量的建立、渗透特性、体变理论以及体变测试技术等的研究现状。应力状态变量土的力学性状（即体变和抗剪强度性状）取决于土中的应力状态。土中的应力状态可用若干应力变量的组合来描述，这些应力变量被称之为“应力状态变量”。描述饱和土的应力状态时，只采用了单值有效应力作为其应力状态变量，而且在解决涉及饱和土的许多岩土工程问题中已经取得了很大的成功，有效应力概念已被普遍接受用于研究饱和土。为了能在饱和土力学的基础上分析非饱和土的力学特性，许多学者提出了许多非饱和土“有效应力”公式，均尝试采用单值的有效应力或应力状态变量，且都含有土的参数，但是将土的性质纳入应力状态描述将会导致许多困难，也与连续介质力学的观点相矛盾，试验结果也表明，量测出来的土的性质同所建议的有效应力之间不存在单值的关系。提出了获得广泛应用的非饱和土有效应力表达式，通过定义一个与土的饱和度有关的参数将两个独立的应力状态变量联系起来，其物理意义可理解为单位土面积基质吸力的作用面积。和 曾初步验证过该有效应力表达式的正确性，试验结果也同时证明了使用独立的两个应力状态变量是可行的。和 通过压缩试验得出，当粗粒土的饱和度高于 、粉土高于 、黏土高于 时，公式才适用，随后，给出了一些修正的有效应力公式 。陈正汉等 在不考虑非饱和土的剪胀性和湿胀（湿陷）特性的条件下，导出了各相异性多孔介质中有多种不混溶流体流动时有效应力的普遍公式，同时导出了有效应力参数表达式。徐永福 根据非饱和土微孔隙分布的分形模型，得到了能够反映非饱和土结构特性的有效应力公式。有效应力应用于非饱和土虽然概念明确，但有效应力与土性参数相关联，在试验和理论上都存在着困难，因而许多研究者倾向于采用多应力状态变量来描述非饱和土的力学性状。自 世纪 年以来，和 在充分认识上述局限性和总结前人工作成果的基础上，提出双应力状态变量理论，并根据非饱和土中各相力的平衡导出了平衡方程，定义了描述非饱和土的三个应力张量（组合之一）来描述非饱和土的应力状态 。渗透特性研究土的渗透特性对于解决土的渗流与变形耦合问题十分重要。水通过土的缓慢运动通常称为渗流或渗透。以往常规渗流分析中主要考虑饱和区内的渗流情况，而没有考虑非饱和区内水的流动，如求解均质各向同性饱和土的二维渗流微分方程时，绘制流网的图解法曾经被大量应用，该方法要事先知道渗流域的边界条件，并定出水头边界或流量边界，考虑非饱和区的低渗透性而一般假设浸润线作为不透水的上部边界，由于此线又是最上部的流线，故等势线必须与之正交。但该方法分析各向异性、非均质土时，将变得十分困难。实际工程中，考虑非饱和土区的渗透性影响十分重要，如天然边坡土在长时间连续降雨时的失稳破坏、膨胀土浸湿时引起的地面隆起，特别是地下水位的上升造成建筑物地基承载力下降，地基的稳定与变形因而受到影响等。总之，将土的饱和区和非饱和区作为一个整体来研究将是十分必要的。对于稳态流分析，认为土体中任何一点的水头和渗透系数不随时间而变化；对于非稳态流，认为水头（或渗透系数）随时间而变化。但不管是稳态流，还是非稳态流，水头和渗透系数均随空间位置而变化。基于平面应变问题对土坝进行了饱和 非饱和渗流数值模拟，首先将有限单元法用于饱和 非饱和渗流中，并提出了用不变网格法分析自由面渗流的 方法；等 解答了饱和 非饱和土体中的若干经典渗流问题，并于 年用 的加权残余原理建立了二维非稳态渗流问题的有限元公式。在国内，陈守义（）、姚海林（）、李兆平（）及包承纲（）等均对降雨入渗条件下非饱和土边坡的稳定性进行了一定的研究；张家发 建立了考虑降雨入渗补给条件的三维饱和 非饱和第 期 李纯，等：层状土体变特性及变形计算方法研究进展非稳态渗流的数学模型，并利用编写的程序对三峡船闸高边坡饱和 非饱和非稳态的渗流场进行了数值模拟；朱伟等 对大型河堤洪水的渗透试验的饱和 非饱和渗流状况进行了有限元解析；詹良通等 对非饱和膨胀土的强度及变形特性进行了三轴试验研究。宏微观体变理论近年来，很多学者在非饱和土领域开展了大量的研究工作，提出了若干类型非饱和土的本构关系，主要体现在三个方面，其一，应力与体积 质量本构关系，建立了：应力状态变量与应变、变形及土体体积 质量特性，如孔隙比、饱和度、含水率之间的关系；气体 水混合体的密度方程；气体 水混合体的压缩方程。其二，应力与应力本构关系，描述了量测不排水加荷条件下，将孔隙压力与法向应力相联系的孔隙压力参数；建立了将剪应力与应力状态变量相联系的强度方程。其三，应力梯度与渗流速率本构关系，描述了气体与孔隙水的渗流定律。体积变化的本构关系只是土力学中使用的若干本构关系中的一种。（）在土体各向同性和线弹性响应假定的基础上提出了三维固结理论。该理论假设土体为非饱和状态，孔隙水中含有封闭气泡。为全面描述非饱和土的变形状态，使用了两个本构关系：其一是针对土体结构，另一个则针对土体内的液相。在公式中用了两个相互独立的应力变量（有效应力和总应力），共采用 个体变系数表征土体应力和变形状态。等（）对非饱和土提出了一种半经验半理论的本构关系，即从三个独立的应力状态变量中任意选取两个来描述土体积变化时所需的变形状态变量满足多相连续体的连续方程；年，等 又假定土是各向同性线弹性材料，将饱和土的广义定律引申到非饱和土的本构关系中，用应力变量（如总应力、孔隙气压力和孔隙水压力等）给出非饱和土的弹性本构关系。（）