降雨條件下非飽和朗肯土壓力統(tǒng)一解

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摘要：基于統(tǒng)一強度理論和Bishop有效應(yīng)力原理，結(jié)合降雨入滲解析解，推導(dǎo)了考慮中間主應(yīng)力效應(yīng)及材料拉壓比影響的降雨條件下非飽和朗肯土壓力的統(tǒng)一解。通過算例驗證了推導(dǎo)公式的有效性，并探討了降雨條件下基質(zhì)吸力的變化對非飽和土壓力的影響。結(jié)果表明：主動土壓力隨著統(tǒng)一強度理論參數(shù)的增大而減小，而被動土壓力呈現(xiàn)相反趨勢；隨著降雨的發(fā)生、浸潤和停止，主動土壓力和被動土壓力呈現(xiàn)不穩(wěn)定變化，最終都趨于穩(wěn)定，這是由基質(zhì)吸力的變化所引起的；非飽和滲透特征參數(shù)的選取會對土壓力的計算產(chǎn)生顯著影響。

關(guān)鍵詞：非飽和土；降雨入滲；統(tǒng)一強度理論；基質(zhì)吸力；土壓力

中圖分類號：TU432文獻標志碼：A

Abstract： Based on the unified strength theory and the principle of effective stress of Bishop， combining with rainfall infiltration analytic solution， the unified solution of Rankines earth pressure formula of unsaturated soil under rainfall condition was established with taking the effect of the intermediate principal stress and material tensionpressure ratio into account. The availability was verified by an example， and the influence of matric suction during rainfall was discussed. The results indicate that with the increase of the unified strength theory parameters， the active earth pressure decreases， whereas the passive earth pressure shows the opposite trend. In the wake of the occurrence， infiltration and end of rainfall， the earth pressure presents a tendency of unstable variation but finally stabilizes， which is caused by the change of matric suction during rainfall. The parameter of soil permeability character will significantly influence the earth pressure.

Key words： unsaturated soil； rainfall infiltration； unified strength theory； matric suction； earth pressure

0引言

自然界中的土是由土顆粒和顆粒間隙組成的，而現(xiàn)實土體中既存在空隙，也存在孔隙水，故工程中的地基土體大多為非飽和土。非飽和土在現(xiàn)實中分布非常廣，多存在于半干旱和干旱地區(qū)地表周圍土體中，除此之外非干旱地區(qū)的許多土體如人工填土、土壩、路基填土等也都處于非飽和狀態(tài)。目前關(guān)于飽和土壓力的計算理論較多，而關(guān)于非飽和土壓力計算的研究卻很少，其中比較有代表性的如：姚攀峰等[1]通過廣義朗肯土壓力公式得出土的原位指標與試驗指標的關(guān)系，張健等[2]通過廣義胡克定律將材料泊松比引入朗肯土壓力計算中，張常光等[3]結(jié)合統(tǒng)一強度理論推導(dǎo)了非飽和土抗剪強度及土壓力統(tǒng)一解。基質(zhì)吸力在非飽和土壓力計算中很關(guān)鍵，當基質(zhì)吸力隨外界條件變化時，土壓力因基質(zhì)吸力的變化也會發(fā)生相應(yīng)的改變。在自然界中，降雨、侵潤、蒸發(fā)等很多因素都可能引起土體干濕變化，從而引起基質(zhì)吸力及土壓力的變化。降雨入滲是典型的非飽和流固耦合現(xiàn)象[45]，分析降雨條件下非飽和土壓力時，雨水的瞬態(tài)滲流場、吸應(yīng)力分布的變化、土體極限平衡狀態(tài)等要素都必須考慮，然而現(xiàn)有非飽和土壓力解多數(shù)未考慮降雨的影響。Fredlund雙應(yīng)力狀態(tài)變量公式[6]和Bishop有效應(yīng)力抗剪強度公式[7]是當前應(yīng)用較廣且較為成熟的非飽和土抗剪強度理論，僅從非飽和土抗剪強度看，2個理論公式的物理概念基本相同，不同點僅在于分別采用了吸力角φb和有效應(yīng)力參數(shù)χ兩種不同的參數(shù)形式[8]。Bishop由于參數(shù)χ取值考慮因素眾多，可以使計算更精確。文獻[9]將非飽和土力學(xué)理論與降雨滲流理論相結(jié)合，得出降雨入滲下非飽和朗肯土壓力解，并與飽和土壓力進行比較，但是未考慮中間主應(yīng)力效應(yīng)，計算結(jié)果偏于保守，不能充分利用土體的強度潛能。統(tǒng)一強度理論[1011]考慮了中間主應(yīng)力的影響，適用于金屬、巖石、土、混凝土、鑄鐵等應(yīng)用十分廣泛的材料，因此逐漸被用于各個領(lǐng)域。本文以現(xiàn)有的飽和土壓力及非飽和土理論為基礎(chǔ)，在Bishop有效應(yīng)力原理和統(tǒng)一強度理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合降雨入滲解析解，探討降雨條件下非飽和朗肯土壓力計算，通過算例驗證了推導(dǎo)公式的有效性并與傳統(tǒng)非飽和朗肯土壓力計算方法進行比較，分析土壓力隨時間及深度的變化。

1統(tǒng)一強度理論

當c，φ為已知量時，ct，φt為考慮了中間主應(yīng)力σ2對材料屈服影響的新參數(shù)，且僅是統(tǒng)一強度理論參數(shù)b的函數(shù)。參數(shù)b和m分別從對材料屈服或破壞的影響程度和中間主應(yīng)力的大小2個不同方面來體現(xiàn)中間主應(yīng)力效應(yīng)。2非飽和土的抗剪強度

可以看出：當n一定時，α在0.01～0.05范圍內(nèi)取值時，土壓力變化較為明顯，在0.05～0.1范圍內(nèi)時，土壓力較為穩(wěn)定；當α一定時，n在2～3范圍內(nèi)取值時，土壓力變化較為明顯，在3～4范圍內(nèi)時，土壓力較為穩(wěn)定。由此可見，在非飽和滲流計算中，非飽和滲透特征參數(shù)的選擇對于非飽和土壓力的計算也會產(chǎn)生很大影響。