非饱和土力学课件.ppt

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1、谢定义非饱和土基本特性的学习与思考西安理工大学岩土工程研究所前言第一个问题，即材料特性问题－－特性与量测研究非饱和土在其湿、密、构、力状态变化下，强度发挥的规律与变形发展的规律，包括相态特性，吸力特性，应力特性，渗透特性强度特性，变形特性，本构特性，固结特性第二个问题，即土体稳定问题――理论与应用研究非饱和土体在增减荷（应力边界条件变化）、增减湿（流量边界条件变化）耦合变化时的反应，包括土体渗流理论――渗透稳定问题土体极限平衡理论――强度稳定问题土体固结理论――变形稳定问题非饱和土力学非饱和土力学孔隙流体系统――液相、气

2、相―――流动规律（流动模型）土体骨架系统――固相、气液交界面（收缩膜）――――变形规律（变形模型）对它应该注意从变形和流动两方面的耦合影响来分析在非饱和土中气相的存在和液相的多少是非饱和土性质复杂化的根本原因非饱和土基本特性的学习非饱和土基本特性的学习／1、非饱和土的相态特性非饱和土基本特性的学习1、非饱和土的相态特性－－自态、互态、变态三相的自态特性固相的颗粒大小级配（比表面积）、矿物成分、电性质、松密状态液相的型态（吸着水、结合水、自由水）、化学成分、冰水状态气相的型态（吸附气体、溶解气体、密闭气体、自由气体）、成

3、份（主要是空气，含量最多的是水汽、碳酸气、氮气、甲烷碳酸气镭以及其他，氧气含量少）连通情况（气单连通、水单连通、水气双连通）三相的互态特性固、液相之间―――双电层（固相周围受电分子力作用、由近向远渐变的吸着水层与结合水层）气、液相之间―――收缩膜（水与气的交界面，或弯液面）固、气、液相之间―――结构性（表现出结构强度，由粘聚力、咬合力、胶结力及吸力等组成，非饱和土基本特性的学习／1、非饱和土的相态特性三相的变态特性（温度、压力变化引起的相变）液相的汽化、凝结、冻结气相的溶解、扩散固相的液化、软化非饱和土的相态特性涉及到一

4、系列重要定律：Fick定律，Darcy定律，Henry定律，亚佛加德罗定律，道尔顿(Dolton)分压定律，Kelvin定律，热力学第一定律，第二定律非饱和土基本特性的学习／1、非饱和土的相态特性非饱和土的相态特性表明：非饱和土三个组成相的相态特性决定了土的物理状态（粒度、湿度、密度、构度）和土的化学、电学性质。它们和不同条件下压力和温度的变化相结合，可以使非饱和土的双电层特性、收缩膜特性以及结构性特性均发生相应的综合性变化，导致了非饱和土十分复杂的力学性质。非饱和土基本特性的学习／1、非饱和土的相态特性2、非饱

5、和土的吸力特性非饱和土的土水势一般包括温度势、压力势、重力势、基质势和溶质势在等温、等压、等高（不计重力）的情况下，土中水的温度势、压力势、重力势保持不变，自由能的变化只有基质势和溶质势的变化。如将它们分别称之为基质吸力和溶质吸力，它们之和，即此时的自由能，称为总吸力，则有总吸力等于基质吸力与溶质吸力之和非饱和土基本特性的学习／2、非饱和土的吸力特性基质吸力土中水自由能的毛细部分（对纯水）,来源于表面张力.表面张力愈大，弯液面曲率愈小。为了维持弯曲型收缩膜的平衡，收缩膜气一侧的应力为正压力，收缩膜水一侧的应力为负压

6、力，它们的差值即为基质吸力.基质吸力是非饱和土三相活动最实质、最活跃的代表。将基质吸力引入到非饱和土及土体变形强度稳定的研究与分析中去是当前非饱和力学研究发展的一条基本线索非饱和土基本特性的学习／2、非饱和土的吸力特性非饱和土基本特性的学习／2、非饱和土的吸力特性溶质吸力土中水自由能的溶质部分（对溶剂）来源于溶质浓度，溶质的浓度愈大，溶剂平面上方的蒸气压比纯水平面上方的蒸气压愈小，即相对湿度愈小，水从浓度的高梯度向低梯度的渗透作用愈强，溶质吸力愈大。纯水表现出从溶液中吸水补充自己的能力，称为溶质吸力、或渗透吸力，

7、或渗析吸力。总吸力总吸力与相对湿度呈线性关系(Aitchison,1965)，故蒸汽压力可量测总吸力。蒸汽压力愈大，相对湿度愈大，总吸力愈大。如果在测定土的基质吸力时，土中的水已经是含有一定溶质的自然条件下的水，则测得的吸力已非常接近总吸力。非饱和土基本特性的学习／2、非饱和土的吸力特性土－水特征曲线基质吸力与湿度状态（饱和度、重量含水量、体积含水量）之间的关系。干燥曲线（饱和减湿曲线）要高于浸湿曲线（干燥增湿曲线），二者形成滞回圈形态，表明一个饱和度可以对应于两个基质吸力值。对于干燥、增湿往返作用时干燥曲线与增湿

8、曲线的变化特性也成了人们开始注意的问题。已提出了由干燥曲线预测增湿曲线，或由增湿曲线预测干燥曲线的方法（PhanH。Q，2003)非饱和土基本特性的学习／2、非饱和土的吸力特性土－水特征曲线形态的重要参数由于土中的水分可以有结晶水、吸着水、结合水（薄膜水）和自由水等具有不同属性的不