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非饱和土力学研究综述
自20世纪30年代以来,非饱和土壤肥力学的研究始于水文学、土壤肥力学和土壤物理等学科的发展。与饱和土壤相比,非饱和土壤不仅由固体、孔隙水和孔隙气组成,而且从液体和气界面处形成的收缩膜作为第四个相,并在界面处产生了基本的吸收力——因此,非饱和土壤肥力研究也是基于对基本质量的吸收。许多实际工程,如基坑工程、基坑工程、边缘工程、建筑工程,都是指非饱和土地的特征。根据实践中不同类型的工程问题和不同类型的非饱和土壤结构,对不同类型的非饱和土壤结构的研究表现出很大差异。国内外许多专家和科学家都在此基础工程实践中进行了实践研究,并对大量非饱和土壤肥力的黄土、土壤、扩张土、人工填充土等工程的研究进行了深入的研究。由于非饱和土壤结构的复杂性,其研究仍在不同科学领域的研究领域进行。许多科学家还在科学研究和计算方法方面的这项技术的应用,如计算机工具的自动控制试验、有限分析和模型计算。物理和力学等多学科的知识已经被应用于非饱和土壤肥力学的研究领域,开始了新理论、新认识和新技术的出现。正如沈珠江所说,“20世纪90年代,非饱和土壤肥力学的发展是物质和物质两个阶段的飞跃。”本文从土壤水特征曲线、变形和强度特征、结构模型、渗透特征、吸能测量和工程应用等方面介绍了非饱和土壤肥力学的研究现状,并对非饱和土壤肥力学的发展提出了建议。
1 土壤水特征曲线的研究现状
1.1 孔隙水势能+土体吸力
基质吸力是非饱和土有别于饱和土的主要原因, 也是反映非饱和土力学特性的关键因素, 为了直观反映非饱和土中基质吸力随土中含水量的变化关系, 学者引进了土-水特征曲线 (SWCC) 的概念[4].更具体地说, SWCC描述了土中孔隙水的热力学势能与土体系统吸附水量之间的关系.当含水量相对较低时, 自由水势能比孔隙水势能更高些, 对应土体吸力强;当含水量相对较高时, 自由水势能与孔隙水势能之间的差值相对较小, 对应土体吸力较弱;当自由水势能与孔隙水势能相等时, 土体吸力为0.各类土体的SWCC形状主要受土体材料性质的影响, 李志清等[5-6]针对不同种类非饱和土开展了大量的试验表明:影响SWCC的主要因素是矿物成分、孔隙结构、土粒的应力状态、液体的性质及孔隙气等.对砂土而言, 由于表面积与表面电荷相对较小, 因而在高吸力范围内所对应的表面吸附区通常有限, 孔隙大小分布范围相对窄小, 处在毛细作用区的SWCC具有较平缓的特点.与砂土相比, 由于粉土的表面积要比与之同体积的砂土表面积大很多, 粉土将会在短程吸附作用下吸附更多的孔隙水.同样, 因为黏土具有最大的颗粒比表面积和颗粒表面电荷密度, 在同等的短程吸附作用下, 黏土要比前两种土体吸附更多的孔隙水.SWCC在非饱和土力学中有广泛的应用, 通过SWCC可以推测土的渗透系数、抗剪强度以及阐述吸湿或脱湿过程等.文献一般的SWCC如图1所示, 基本参数有空气进气值与残余饱和度.
1.2 滞回特性数值模型
文献在非饱和土特性中, 滞回作用最显著的特征是土体在吸湿和脱湿过程中的SWCC, 其含水量与土体吸力之间的变化关系不是一一对应的 (见图1) .通常SWCC的滞回性对土体力学特性有重要的影响.由于受试验技术条件的限制, 试验室很难准确地模拟SWCC的吸湿过程, 通常只对SWCC的脱湿过程进行模拟.尽管尚未达到透彻理解的程度, 但从试验角度和理论观点来看, 近年来在土-水滞回特性方面取得了显著的进展.滞回特性可以用数种机理来解释, 主要机理包括:墨水瓶效应、毛细冷凝作用、残余气体、膨胀和收缩、接触角滞回作用.自20世纪中叶以来, 学者先后提出各种不同复杂程度的毛细滞回模型, 包括Wei边界面模型[7]、经验模型[8]、域模型[9]、Li边界面模型[10]、Preisach一类模型[11]等.在众多模型中, 域模型具有完善的理论基础和较准确的预测结果而备受推崇, Wei模型是近年来应用比较广泛的滞回循环计算模型.然而, 上述模型计算过程复杂, 不便于应用.张雪东等[12]以传统域模型的基本原理为基础, 推导得出简化计算模型;陆业奇等[13]基于文献的建模思路建立了一种新的预测模型等.这一系列新模型理论的建立, 对不断完善非饱和土滞后模型有一定指导意义, 能方便地应用于实践, 也为更加深入地探讨关于SWCC滞回特性提供了理论依据.
1.3 土体模型结构拟合
用于直接测量SWCC的试验方法, 往往具有造价昂贵、所需条件苛刻、耗时长及所测数据离散等缺点, 难以准确表征现场土体参数的空间分布和应力状态.因此, 拟合具有普遍意义并能够准确描述SWCC的连续函数表达式显得尤为重要.常见的函数模型有Brooks和Corey模型 (1964) 、Van Genu-chten模型 (1980) 、Fredlund和Xing模型 (19
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