非饱和土力学中几个基本问题的探讨

近些年非饱和土力学的研究非常活跃,但对一些基本问题的认识并不一致,有时甚至概念混淆。针对非饱和土力学的几个基本问题:非饱和土状态变量的选择、非饱和土有效应力变量的选择、吸力概念的界定和轴平移技术的局限性、非饱和土的结构的表征方法等问题进行了分析和探讨。其中非饱和土状态变量和有效应力的选择对于非饱和土力学的理论和相应本构模型的建立具有重要影响,因此,首先深入讨论了这一问题,概括论述了非饱和土有效应力的演变并深入探讨了目前各种形式有效应力的优缺点。其次,指出由于受负压孔隙水气化(液-气相变化)的影响,在实际场地中大于某一界限值的基质吸力是不存在的;目前被广泛使用的轴平移试验技术却掩盖了这一情况,而基于此所建立的非饱和土强度和变形理论的适用性需要进一步的研究和论证。再次,指出非饱和土的结构除了包括组构和颗粒之间作用力的综合效应外,还建议增加孔隙水和孔隙气的分布以及各相之间的相互作用和物理-化学作用。最后对一些容易混淆的概念进行了梳理。其目的是希望国内同行在今后的研究中对这些问题加以关注,并建立正确的认识,促进非饱和土力学沿着正确的方向发展。

非饱和粉砂临界状态的试验研究

非饱和土临界状态给出了土变形过程的终点,对于分析土的基本力学性质和建立相应的本构模型十分重要。以非饱和粉砂为研究对象,利用非饱和土双压力室三轴试验系统(GDS)开展相关试验研究,对不同干密度粉砂在不同净应力和吸力条件下剪切至临界状态过程中,分别测定了强度、体变、含水率及饱和度等相关状态参量的变化规律。结果表明:剪切至临界状态过程中,不同干密度非饱和粉砂的强度和变形特性差异明显;随轴向应变的不断增加,不同初始干密度粉砂试样的偏应力、体应变以及饱和度曲线最终趋于稳定值,试样剪切达到临界状态。基于试验结果,揭示了临界状态条件下非饱和粉砂强度、孔隙比、孔隙水比体积随吸力的变化规律,并建立了q–p?、ν–ln p?、νw–ln p?平面内的临界状态线方程,提出了从强度、变形和孔隙水三个方面对非饱和粉砂临界状态进行综合描述的方法。

适用于吸力循环作用的膨胀性非饱和土本构模型

首先从颗粒尺度基于热力学理论对干湿循环路径下膨胀土的变形行为产生的机理进行了论述。通过分析可知,吸力循环作用下膨胀性非饱和土的塑性变形不仅取决于土中集聚体之间的重新排列,而且与集聚体内储存的塑性势能的变化相关。其次基于BBM模型建立了一个适用于吸力循环作用的膨胀性非饱和土的弹塑性本构模型。模型中通过吸力变化屈服面和混合硬化准则描述上述两种不同作用机理所产生的塑性变形。最后利用该模型对膨胀性非饱和土在吸力循环作用下的行为进行了预测。通过预测结果与试验数据的比对可知:该模型能够较好地描述膨胀性非饱和土在吸力循环作用下产生的累积塑性变形,及其随着循环次数的增加趋向于稳态的特性。

双孔隙结构膨胀性非饱和土功的表达式及其本构模型的理论框架

针对膨胀性非饱和土的特性,区分了土中毛细液相和吸附液相性质的不同以及宏观结构和微观结构变化机理的不同,基于多相孔隙介质理论提出了土体总应力和外力输入功的表达式,并且依此选取了功共轭变量.基于土体外力输入功的表达式以及开放的多相热力学系统中能量-功-耗散之间的关系,建立了适用于双孔隙结构膨胀性非饱和土本构模型的理论框架.

The input work expression and the thermodynamics-based modelling framework for unsaturated expansive soils with double porosity

In this paper, based on the porous media theory, the specific expressions of the total stress and the input work of unsaturated expansive soils with double porosity are proposed, and then the energy-conjugate variables are further derived. We make distinctions between the effects of capillary water and adsorbed water on the soil behaviour, as well as between the deformations of microand macrostructure. According to the derived input work expression and the work-energy-dissipation relations for an open multiphase thermodynamic system, we establish a thermodynamics-based modelling framework for unsaturated expansive soils with double porosity.