飽和土與非飽和土固結(jié)理論及其聯(lián)系與差別

成永杰

【摘要】本文對非飽和土以及飽和土的固結(jié)理論在國內(nèi)外的研究情況進(jìn)行了分析和介紹，同時(shí)對非飽和土與飽和土固結(jié)理論之間的差別和聯(lián)系進(jìn)行了總結(jié)，并且進(jìn)一步的對非飽和土固結(jié)理論當(dāng)中存在的若干困難和特點(diǎn)進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】固結(jié)理論；飽和土；非飽和土；

土體當(dāng)中會在荷載作用下出現(xiàn)超孔隙水壓力，但隨著時(shí)間的不斷推移在排水條件下會逐漸的排除土中水，這樣就會逐漸喪失超孔隙水壓力，而這個(gè)過程就是所謂的固結(jié)。固結(jié)有效應(yīng)力相應(yīng)的增長以及孔隙水壓力的消散的過程就是飽和土的固結(jié)過程。氣體和水同時(shí)存在于非飽和土的空隙當(dāng)中，土中的氣體和水會在固結(jié)的過程中出現(xiàn)相互作用。由于有兩種介質(zhì)的滲透性涉及到非飽和土當(dāng)中，因此土的結(jié)構(gòu)性會顯著地影響到非飽和土的滲透性，這也就導(dǎo)致非飽和土具有非常復(fù)雜的固結(jié)過程。有鑒于此，本文對非飽和土固結(jié)理論以及飽和空間理論的研究進(jìn)行了簡單的介紹。

1.飽和土與非飽和土固結(jié)理論分析

飽和土的固結(jié)理論研究主要是太沙基的有效應(yīng)力原理以及一維固結(jié)理論。立足于一系列假定，太沙基將著名的一維固結(jié)理論建立起來。而倫杜里克又對太沙基的一維固結(jié)理論進(jìn)行了一系列的推廣，建立了二維或三維的情況，也就是所謂的擴(kuò)散方程。作為工程中常見的一個(gè)問題，非飽和土的固結(jié)理論研究內(nèi)容主要包括隨著土體變形孔隙氣壓力以及孔隙水壓力發(fā)生的變化，以及伴隨著時(shí)間不斷的增長而不斷消散的規(guī)律。因?yàn)榱⒆阌谠诓煌令惞探Y(jié)都適用的普遍方程的復(fù)雜性，所以大部分研究者在對非飽和土固定問題的解答尋求答案時(shí)都是針對某種特定的種類來進(jìn)行的，鑒于非常復(fù)雜的影響因素，因而某些簡化的假定在研究當(dāng)中非常多見。從上世紀(jì)六十年代國外就開始對非飽和土固結(jié)問題進(jìn)行研究，弗雷德隆德關(guān)于非飽和土的固結(jié)理論是其中最為流行的。弗雷德隆德立足于對“相”的定義，因此采用了四相系的方式對非飽和土進(jìn)行了研究，也就是在土粒、氣以及水之外，又添加了一個(gè)水氣分界，將其看作是第四相，同時(shí)還將其稱為收縮膜。我國的學(xué)者在假設(shè)孔隙氣的排氣率等于常量的情況下，將非飽和土的簡化固結(jié)理論建立起來，同時(shí)還在雨水入滲裂隙粘土中這一過程中進(jìn)行了數(shù)值模擬，最終將土體膨脹回彈、有效應(yīng)力降低以及吸力喪失的全過程得出來[1]。

2.飽和土與非飽和土固結(jié)理論之間存在的聯(lián)系性

非飽和土和飽和土的固結(jié)理論具有緊密的聯(lián)系，在飽和土固結(jié)理論的基礎(chǔ)上，非飽和土的固結(jié)理論屬于進(jìn)一步的深化。大部分的學(xué)者都是立足于飽和土固結(jié)理論，從而對非飽和土的固結(jié)理論進(jìn)行進(jìn)一步的研究。一些學(xué)者立足于畢渥理論，但是只對孔隙水運(yùn)動進(jìn)行了考慮；還有一些學(xué)者立足于太沙基固結(jié)理論，對孔隙水運(yùn)動以及孔隙氣運(yùn)動運(yùn)動進(jìn)行了同時(shí)的考慮，從而對孔隙氣壓力消散方程以及孔隙水壓力消散方程進(jìn)行同時(shí)求解。比如太沙基固結(jié)理論在經(jīng)過一定的推廣之后就會得出弗雷德隆德的固結(jié)理論，兩者的計(jì)算公式在一定程度上具有類似性，同時(shí)還可以在飽和與非飽和這兩種狀態(tài)之間實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的過渡。還有一些學(xué)者在非飽和土力學(xué)的研究當(dāng)中對飽和土力學(xué)的有關(guān)理論進(jìn)行了借鑒，比如畢曉普、威廉姆斯、克戎以及布萊克等就在非飽和土的研究當(dāng)中引進(jìn)了飽和土的有效應(yīng)力原理，從而將非飽和土的有效應(yīng)力理論提了出來，同時(shí)還用來對非飽和土的強(qiáng)度問題加以解決[2]。

在飽和土理論當(dāng)中可以求到非飽和土固結(jié)理論當(dāng)中必須的大部分的參數(shù)，比如采用非飽和土干縮-濕脹曲線與飽和土壓縮-回彈曲線進(jìn)行對比試驗(yàn)就能夠?qū)⒎秋柡屯廉?dāng)中隨吸力或飽和度折減系數(shù)χ的變化求出來。

在某種程度上可以將非飽和土的一個(gè)特例看作是飽和土，比如某些學(xué)者的非飽和土固結(jié)理論除了將飽和土的固結(jié)理論涵蓋了之外，同時(shí)還在水、氣各自連通的非飽和土中適用。

3.飽和土與非飽和土固結(jié)理論之間存在的差異性

3.1壓實(shí)原理的差異

通常只有利用排水固結(jié)才可以減小飽和土當(dāng)中的孔隙比，從而實(shí)現(xiàn)壓密的目的；而在非飽和土當(dāng)中可以首先將土體空隙中的空氣拍出來，重新排列土顆粒，這樣就能夠使土體孔隙比得以減小，從而使土的壓縮性得以減少，并且使土的強(qiáng)度得以提升。

3.2固結(jié)機(jī)理的差異

在荷載作用下飽和土以及非飽和土的固結(jié)機(jī)理之間具有十分明顯的差異，對于水和氣都包含在非飽和土空隙中，土中水與氣在固結(jié)的過程中會發(fā)生相互作用，同時(shí)還與水和氣的滲透性具有密切聯(lián)系，氣體具有非常高的壓縮性，而且還會有部分氣體在壓縮的過程中在水中溶解，因此相對飽和土而言，飽和土的滲透性以及壓縮性等非常復(fù)雜。比如飽和土在受壓的瞬間，不能夠?qū)⑺皶r(shí)排出，然而又不能夠壓縮水，所以水就承擔(dān)了其中的全部荷載，土骨架除了不會受力之外，同時(shí)也不會變形。而荷載隨著水位的不斷排出就會向著土骨架逐漸轉(zhuǎn)移，然后慢慢壓縮土體。非飽和土在受壓的時(shí)候，氣體在孔隙當(dāng)中會馬上壓縮，而且土骨架也會馬上由于受力而產(chǎn)生變形。所以在施加壓縮的一瞬間，土骨架、氣體以及水共同起到了承擔(dān)作用[3]。

3.3“相 ”的差異

飽和土只存在著二相，也就是液相和固相；非飽和土則一共包括三相，也就是氣相、液相以及固相，在弗雷德隆德的理論當(dāng)中還將非飽和土看做為四相，而第四相就是土中水與氣的分界面。作為一個(gè)比較復(fù)雜的物理-化學(xué)界面，第四相會對飽和土產(chǎn)生什么樣的影響仍然沒有明確的答案。

4.結(jié)語

我們可以從上述的分析當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，非飽和土的固結(jié)理論以及飽和土的固結(jié)理論之間具有緊密的聯(lián)系，對飽和度理論的進(jìn)一步深化就是非飽和土理論，然而因?yàn)榉秋柡屯辆哂幸欢ǖ膹?fù)雜性，因此其固結(jié)問題相對于飽和土而言也具有非常大的復(fù)雜性?，F(xiàn)在關(guān)于非飽和土固結(jié)的理論研究仍然在不斷的發(fā)展當(dāng)中，因此仍然需要廣大的學(xué)者對其進(jìn)行進(jìn)一步的探索，從而最終有效的推動非飽和土的固結(jié)理論以及飽和土的固結(jié)理論的不斷發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 查甫生，劉松玉，杜延軍，崔可銳. 非飽和黏性土的電阻率特性及其試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué). 2012（08）

[2] 曹雪山，殷宗澤，凌華. 非飽和土受壓變形的簡化計(jì)算研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào). 2013（01）

[3] 李雄威，馮欣，陳建斌. 大氣作用下非飽和土濕熱性狀的計(jì)算模型與分析[J]. 常州工學(xué)院學(xué)報(bào). 2013（05）