簡析飽和土與非飽和土固結(jié)理論

李向群 劉 帥

（吉林建筑大學(xué) 測繪與勘察工程學(xué)院， 吉林 長春 130118）

0 引言

近些年，隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的大力推進(jìn)，人們對巖土工程行業(yè)的技術(shù)提出了更高的要求。土固結(jié)問題在工程實(shí)踐當(dāng)中隨處可見的，而土的固結(jié)理論的研究對建筑物沉降、地基穩(wěn)定以及地基的設(shè)計(jì)與處理都有指導(dǎo)性的作用。土體在外力作用下土體受壓收縮并伴隨著水從孔隙中排出，土骨架在孔隙水壓力的作用下發(fā)生變形并緩慢的趨于穩(wěn)定，這就是固結(jié)的過程。在土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部土骨架有效應(yīng)力的增加過程和孔隙水壓的消散的過程可以看作飽和土的固結(jié)過程。對非飽和土而言，氣體與水同時(shí)存在土的孔隙當(dāng)中，其固結(jié)過程是水與氣之間的相互作用。由于孔隙水非飽和土中的滲透性、孔隙氣的滲透性以及土中的水分與土體結(jié)構(gòu)的影響，這些因素將極大地影響非飽和土固結(jié)的研究。目前，在實(shí)踐當(dāng)中還沒有發(fā)現(xiàn)有成熟與適用的非飽和土固結(jié)理論，故在未來對非飽和土固結(jié)這個(gè)領(lǐng)域的研究還是非常有意義的。

1 飽和土固結(jié)理論研究

飽和土實(shí)質(zhì)上是在土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部土顆粒周圍的孔隙被水充滿的二相體系。對于透水性好的飽和土（沙土、碎石頭），其變形所經(jīng)歷的時(shí)間段短，可以認(rèn)為在外荷載施加完畢時(shí)，土體的結(jié)構(gòu)就已經(jīng)趨于穩(wěn)定了。如果對于透水性好的軟粘土而言，其固結(jié)變形需要幾年甚至幾十年才能完成。人們普遍的認(rèn)為土力學(xué)學(xué)科的誕生是基于太沙基固結(jié)理論和有效應(yīng)力原理的提出。太沙基固結(jié)理論與有效應(yīng)力原理都是由美國著名的土力學(xué)家太沙基所證明推廣得到并且得到了巖土工程界學(xué)者們的認(rèn)可。太沙基理論是立足于一系列假設(shè)（土骨架不發(fā)生變形、滲透系數(shù)A 是常量等）的前提下才建立的。當(dāng)對飽和土施加壓力時(shí)，土體的孔隙水主要沿著豎向滲透，因此太沙基理論是一維固結(jié)理論。后來的學(xué)者在太沙基一維固結(jié)理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行推廣，得到了二維和三維的情況。對于長條形分布的堤壩在荷載作用下的，其空隙水主要沿兩個(gè)方向滲流，屬于二維固結(jié)問題。在今后隨著巖土工程研究者們在太沙基的基本假定的不斷修正與完善條件下，飽和土的固結(jié)理論的研究將會(huì)有更深的突破。

2 非飽和土的固結(jié)理論的研究

在外荷載作用下土體內(nèi)部骨架發(fā)生收縮，孔隙氣壓力、孔隙水壓力發(fā)生變化，還有在隨著時(shí)間的推進(jìn)孔隙水壓力和空隙氣壓力逐漸消散的規(guī)律，這些內(nèi)容就是非飽和土固結(jié)理論要進(jìn)行研究的。在非飽和土結(jié)構(gòu)內(nèi)部土顆粒周圍的孔隙中充滿了液態(tài)水和空氣，氣體同時(shí)又具有良好的壓縮性，故在受到作用下氣體會(huì)收縮，還有一部分氣體會(huì)溶于水中，這會(huì)導(dǎo)致對非飽和土的固結(jié)研究的困難加大。在上個(gè)世紀(jì)六十年代外國的費(fèi)雷得隆的理論廣受學(xué)者們的認(rèn)可。費(fèi)雷得隆認(rèn)為非飽和土不是三相體系，而是四相體系。他認(rèn)為土體的孔隙中水與氣的交界面也是一個(gè)體系，此相稱為收縮膜，這一相對非飽和土的固結(jié)影響還沒有得到明確的回答。土體在干到濕和濕到干輪回的過程中達(dá)到相同的含水量時(shí)，滲透性并不一樣，則土體的滲透性并不是單受含水量來控制的，因此，對滲透系數(shù)的測定并不是一件容易的事情。飽和土固結(jié)理論是遵循土體的變形是連續(xù)的這一假設(shè)的前提下推廣而得到的，對于非飽和土而言，土體內(nèi)包含的氣體具有良好的壓縮性并且部分氣體可溶于水，因此非飽和土很難嚴(yán)格的滿足連續(xù)性這個(gè)條件。已上述的陳述都是對建立非飽和土固結(jié)模型所擁有的困擾。到目前為止，也沒有一個(gè)被巖土工程界所認(rèn)可的非飽和土固結(jié)理論[1]。

3 飽和土與非飽和土固結(jié)理論的聯(lián)系

飽和土的固結(jié)與非飽和土的固結(jié)有十分相似之處，不僅是土骨架結(jié)構(gòu)體系收縮，同時(shí)也是土骨架結(jié)構(gòu)體系承當(dāng)應(yīng)力出現(xiàn)增加的過程。飽和土與非飽和土的固結(jié)理論之間的關(guān)系非常的密切，非飽和土固結(jié)理論是飽和土固結(jié)理論的進(jìn)一步研究和擴(kuò)展。如有一些學(xué)者是在畢渥理論的基礎(chǔ)上，對土體孔隙中的水運(yùn)動(dòng)和氣運(yùn)動(dòng)同時(shí)的考慮，然后可以對孔隙水壓消散方程與孔隙氣壓消散方程進(jìn)行同時(shí)的求解。著名的如費(fèi)雷德隆得的固結(jié)理論不也是在太沙基一維固結(jié)理論的基礎(chǔ)上經(jīng)過一番的延伸推廣才得到的。在給定狀態(tài)的土，由干到濕和濕到干達(dá)到相同的含水量時(shí)，滲透性并不一樣，再者，土的結(jié)構(gòu)性對滲透系數(shù)的影響是相當(dāng)顯著，因此，測定滲透系數(shù)，并且為確保土的結(jié)構(gòu)性不受影響，需要非常規(guī)則的測試技術(shù)。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)的理論進(jìn)行了借鑒，例如畢曉普，威廉思慕等就在非飽和土的研究中引進(jìn)了飽和土的有效應(yīng)力原理，則就將非飽和土有效應(yīng)力理論提出來了，同時(shí)還能對飽和土的強(qiáng)度問題加以解決[2]。

4 飽和土與非飽和固結(jié)理論的區(qū)別

4.1 固結(jié)機(jī)理差異

在外荷載的作用下，飽和土與非飽和固結(jié)的理論有很大的差異。非飽和土的孔隙中包含水和氣這兩相，土體外荷載的作用使土孔隙中的水與氣這兩種流體發(fā)生運(yùn)動(dòng)，因此在固結(jié)的過程中土孔隙中水與氣會(huì)發(fā)生相互作用，氣體具有非常高的壓縮性，然而會(huì)有一些氣體在壓縮的過程在水中溶解。其實(shí)非飽和土固結(jié)的過程就是土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部各個(gè)要素的調(diào)整變化，也是為了適應(yīng)土體孔隙中的水、氣這兩相運(yùn)動(dòng)的過程。飽和土在固結(jié)過程中，土體受壓的瞬間，孔隙中的水不能夠及時(shí)將水排出，然而水又沒有可壓縮性，則水就承擔(dān)了結(jié)構(gòu)內(nèi)部全部的荷載，此時(shí)土骨架即不受力也不發(fā)生變形。當(dāng)非飽和土受壓時(shí)，氣體在孔隙中會(huì)立馬被壓縮，土骨架也會(huì)產(chǎn)生變形，故在施壓那一瞬間，則外荷載由水、氣體、土骨架共同來承擔(dān)[3]。

4.2 “相”的區(qū)別

飽和土只有固相（土顆粒）和液相（孔隙水）組成的兩相體系，非飽和土是由土顆粒、液態(tài)水、氣體組成的三相體系。在目前的研究得到非飽和土是四相體系。第四相是收縮膜，也是一個(gè)水氣交界面，此相對非飽和土的影響在目前還沒有明確的定論，還需要科研工作者們進(jìn)一步的深入研究。

4.3 滲透性

飽和土的孔隙被液體水充滿了，其滲透性就是指介質(zhì)水的滲透，大多數(shù)情況下飽和土體內(nèi)部的滲透情況可以用達(dá)西定律來描述，此時(shí)的滲透系數(shù)K 為常數(shù)。 而對于非飽和土的滲透性，其滲透性是指滲水與滲氣的特性，而這兩者的特性不僅都于土的密度、飽和度、結(jié)構(gòu)等有關(guān)，還與滲水的水力梯度、滲氣的壓力梯度都有直接的關(guān)系。當(dāng)土體存在于給定的狀態(tài)時(shí)，土體由干到濕和濕到干達(dá)到相同的含水量時(shí)，滲透性是不同的，并且土的結(jié)構(gòu)性對滲透系數(shù)的影響是顯著的，因此，要測定其滲透系數(shù)并不是一件容易的事情[3]。

4.4 固結(jié)的連續(xù)條件

飽和土固結(jié)理論是嚴(yán)格的基于土體的變化是連續(xù)的基本假設(shè)。對于非飽和土而言，是很難嚴(yán)格遵循土體變化是連續(xù)的的條件。主要是因?yàn)榉秋柡屯量紫吨械臍怏w具有良好的可壓縮性，如果氣體與外界相聯(lián)通，則一部分的氣體會(huì)被排出，而未被排出的氣體在外荷載的作用會(huì)使其體積與密度發(fā)生變化，于此同時(shí)還有一部分氣體會(huì)溶解于水中。

5 結(jié)語

通過以上的回顧和分析，飽和土與非飽和土的固結(jié)理論之間的關(guān)系是慎密的，在飽和土固結(jié)理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)展了非飽和土固結(jié)理論。在未來的巖土工程這門學(xué)科土的固結(jié)理論領(lǐng)域研究當(dāng)中，學(xué)者們應(yīng)該繼續(xù)注意飽和土與非飽和土固結(jié)理論的異同點(diǎn)，以更好的促進(jìn)土固結(jié)理論研究的成熟與發(fā)展。