非飽和土增濕變形研究現(xiàn)狀

杜建軍

摘 要：土的增濕變形是地基產(chǎn)生不均勻沉降的原因之一，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)本身造成嚴(yán)重?fù)p傷，增濕變形關(guān)系著巖土工程的安全。國內(nèi)外諸多學(xué)者們對(duì)非飽和土的增濕變形進(jìn)行了相關(guān)的研究，指出了增濕變形中常用的彈塑性模型和線彈性模型。本文以增濕變形的理論基礎(chǔ)為依據(jù)，著重強(qiáng)調(diào)了增濕變形的研究意義、以及國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀和現(xiàn)存的問題，提出了非飽和土增濕變形在實(shí)驗(yàn)中所存在的問題。

關(guān)鍵詞：增濕變形；非飽和土；彈塑性模型；線彈性模型

引言

增濕變形是土在壓力作用下變形達(dá)到穩(wěn)定后由于含水量增大而產(chǎn)生的附加變形。非飽和土的增濕變形直接關(guān)系著工程的成本與安全[1]，所以一直是巖土工程關(guān)注的一個(gè)重要方向，增濕變形是建筑物產(chǎn)生不均勻沉降的原因所在，尤其對(duì)上部建筑造成的危害巨大[2]。面對(duì)日益嚴(yán)重的非飽和土工程問題，有必要對(duì)增濕性狀進(jìn)行研究[3]。本文先后總結(jié)了某一時(shí)期非飽和土增濕的研究成果，并對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)的評(píng)述；1）指出了干密度、含水量為影響增濕變形的重要因素；2）通過其它內(nèi)在因素的分析，比較分析了不同影響因素下非飽和土增濕變形的情況；3）研究增濕變形從非飽和土理論為出發(fā)點(diǎn)，通過研究非飽和土本構(gòu)模型，并提出非飽和土增濕變形的研究方法。但是這類文獻(xiàn)并沒有對(duì)非飽和土增濕變形方面進(jìn)行系統(tǒng)的闡述，本文有必要對(duì)非飽和增濕變形方面進(jìn)行綜述。

1 增濕變形的理論基礎(chǔ)

非飽和土的強(qiáng)度理論主要有兩類：一類是Bishop強(qiáng)度理論，是用非飽和土有效應(yīng)力表示的強(qiáng)度理論；另二類是Fredlund強(qiáng)度理論，是用兩個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力狀態(tài)變量表示的強(qiáng)度理論。

1.1 Bishop強(qiáng)度理論

Coulomb（1776）根據(jù)砂土的摩擦試驗(yàn)，把抗剪強(qiáng)度表示為滑動(dòng)面上法向應(yīng)力的線性函數(shù)：

該公式經(jīng)過了 Fredlund 的試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 增濕變形的相關(guān)模型

2.1 非線性彈性模型

非線性彈性模型一般可以寫成應(yīng)力狀態(tài)變量的增量對(duì)于應(yīng)變狀態(tài)變量的增量關(guān)系的形式，增量式為：

2.2 彈塑性模型

2.2.1 Alonso BBM模型

Alonso模型[5]被認(rèn)為是具有廣泛代表性的模型。為后來的大量研究工作提供了參考價(jià)值。Alonso模型的原理是選用適當(dāng)?shù)膽?yīng)力狀態(tài)變量，在球應(yīng)力、偏應(yīng)力、和基質(zhì)吸力的p-q-s空間內(nèi)研究問題。本模型的優(yōu)點(diǎn)是能夠描述荷載引起的體應(yīng)變和浸濕引起的體應(yīng)變。描述了重塑膨脹土在干濕循環(huán)的過程中反復(fù)脹縮的性質(zhì)，該模型在土體飽和時(shí)，退化為飽和土本構(gòu)模型。

2.2.2 增濕變形軟化模型

張?zhí)K民最早提出非飽和土的增濕變形模型[6]是土樣在增濕的過程中，土體本身的固化遭到軟化，從而導(dǎo)致本身結(jié)構(gòu)遭到部分破壞，尤其是在外力的作用下產(chǎn)生附加變形，這種變形機(jī)制可以用增濕變形軟化模型ZSM體來表示。

式中：H為非線性虎克體，ZS為增濕軟化體，//為并聯(lián)符號(hào)。

該模型對(duì)增濕變形的時(shí)間效應(yīng)，增濕變形的實(shí)質(zhì)，增濕變形的速率進(jìn)行了深入的分析。該模型在研究非飽和土增濕效應(yīng)的時(shí)候不能均勻定量的增濕，所測得結(jié)果為整體變形的綜合。

2.2.3 V-G模型

張登飛等[4]用改裝的非飽和土直剪儀在無應(yīng)力及凈豎向應(yīng)力作用下對(duì)濕陷性黃土進(jìn)行分級(jí)增濕試驗(yàn)，測量增濕過程中變形及吸力的變化，據(jù)此提出考慮孔隙比變化的修正 V-G 模型，該模型可以預(yù)測無應(yīng)力及凈豎向應(yīng)力作用時(shí)濕陷性黃土的增濕持水特性，預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

3 增濕變形的實(shí)驗(yàn)研究

增濕變形是一個(gè)與試樣的干密度、初始含水率、外部荷載、圍壓等有關(guān)的物理量[24]。要同時(shí)研究不同干密度和不同初始含水率的試樣，需要大量的試樣，所以學(xué)者們主要是控制一個(gè)不變量，再研究不同的干密度或者含水率的試樣。這提醒我們?cè)谝院蟮墓ぷ髦锌梢钥紤]從同時(shí)控制不同干密度和不同含水率的方面進(jìn)行試驗(yàn)研究。目前，非飽和土的增濕變形實(shí)驗(yàn)主要通過剪切儀、壓縮儀、固結(jié)儀、非飽和土三軸儀來研究，但這些實(shí)驗(yàn)中也存在許多問題，例如直接剪切儀，雖然解決了定量增濕的問題，但是實(shí)驗(yàn)本身的原理與實(shí)際現(xiàn)場還是存在不小區(qū)別，并不能很好的模擬現(xiàn)場的工況，而三軸儀雖然比直接剪切儀更加準(zhǔn)確的模擬了現(xiàn)場的工況，但是增濕的過程需要較長的時(shí)間，很難做到均勻增濕的特點(diǎn)，使得通過三軸儀器做的實(shí)驗(yàn)，并不能準(zhǔn)確的解決均勻增濕的目的。當(dāng)然，目前國內(nèi)在增濕變形這方面的研究集中在砂性土中，砂土的滲透性好，可以縮短三軸實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間[25]，但是對(duì)于粘性土的研究就存在許多值得改進(jìn)的地方。例如：怎樣縮短粘性土的三軸實(shí)驗(yàn)時(shí)間；怎樣使得粘性土的增濕過程達(dá)到均勻增濕。

3.1 研究線路

增濕變形的研究線路主要從一下兩個(gè)方面出發(fā)：單線法，是在干態(tài)下沿著某一加載路徑達(dá)到某一應(yīng)力狀態(tài)，在保持該應(yīng)力狀態(tài)不變的條件下，得到該應(yīng)力條件下的浸水濕化變形；雙線法，是分別進(jìn)行干態(tài)和濕態(tài)下的實(shí)驗(yàn)，得到相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。然后在相同應(yīng)力狀態(tài)下，濕態(tài)和干態(tài)條件下變形的差值作為該應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生浸水濕化的變形量。兩種方法的不同之處在于，單線法包含了不同初始密度試樣在恒定荷載作用下的蠕變變形，并非純粹為水分增大引起的濕化變形；而雙線法其本質(zhì)是兩種不同初始含水率試樣的剪切試驗(yàn)，沒有考慮水分濕化過程中引起的濕化變形。在實(shí)驗(yàn)中表明，雙線法適應(yīng)于粗顆粒土，而對(duì)于黏性土，雙線法是否考慮了濕化變形，有待于繼續(xù)研究。

對(duì)于地基增濕工程而言，為防止建筑物在過快、過大的增濕變形下發(fā)生二次破壞，因此，要適當(dāng)弱化控制增濕壓縮位移迅速變化的階段.根據(jù)實(shí)際場地地基初始含水率、孔隙比大小和上部結(jié)構(gòu)荷載大小，適當(dāng)?shù)目刂茲B水量和調(diào)節(jié)滲水點(diǎn)位置，以避免壓縮變形產(chǎn)生突變。

3.2 增濕路徑

增濕路徑主要分為以下兩種：一次性增濕即是把試樣從某一初始含水率直接增濕到飽和的過程，這種方法避免了分級(jí)增濕過程中不能達(dá)到均勻定量增濕的目的；分級(jí)定量增濕即是把試樣從某一初始含水率每次按定量的方法使得試樣分多次達(dá)到飽和。這種方法的好處在于能夠更加切合現(xiàn)場的實(shí)際情況。

根據(jù)李振等[8]人的數(shù)據(jù)可以得出下表：

從上述數(shù)據(jù)中可以得出，在浸水變形穩(wěn)定后，各變量的變化規(guī)律也幾乎完全一致?？梢娫诮较蛳嗤娜S應(yīng)力狀態(tài)下，膨脹土不論是分級(jí)浸水還是一次性浸水，其變形的最終結(jié)果是一致的。

4結(jié)論

根據(jù)對(duì)非飽和土增濕變形過程的研究，通過總結(jié)分析可以得出如下結(jié)論：

1）非飽和土的增濕變形是土力學(xué)增濕變形理論的延伸，統(tǒng)稱為增濕變形。

2）非飽和土的理論研究有必要選取一個(gè)合適的土體本構(gòu)模型，具體要根據(jù)實(shí)際情況而定。

3）研究非飽和土增濕變形的過程，通過控制一個(gè)變量因素，可以更好的研究另一個(gè)變量對(duì)增濕變形的影響。

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[8]李振.非飽和膨脹土增濕變形和增濕強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2006.

（作者單位：1.三峽大學(xué)； 2.湖北理工學(xué)院）