飽和土與非飽和土固結理論及其聯系與差別

成永杰

【摘要】本文對非飽和土以及飽和土的固結理論在國內外的研究情況進行了分析和介紹，同時對非飽和土與飽和土固結理論之間的差別和聯系進行了總結，并且進一步的對非飽和土固結理論當中存在的若干困難和特點進行了探討。

【關鍵詞】固結理論；飽和土；非飽和土；

土體當中會在荷載作用下出現超孔隙水壓力，但隨著時間的不斷推移在排水條件下會逐漸的排除土中水，這樣就會逐漸喪失超孔隙水壓力，而這個過程就是所謂的固結。固結有效應力相應的增長以及孔隙水壓力的消散的過程就是飽和土的固結過程。氣體和水同時存在于非飽和土的空隙當中，土中的氣體和水會在固結的過程中出現相互作用。由于有兩種介質的滲透性涉及到非飽和土當中，因此土的結構性會顯著地影響到非飽和土的滲透性，這也就導致非飽和土具有非常復雜的固結過程。有鑒于此，本文對非飽和土固結理論以及飽和空間理論的研究進行了簡單的介紹。

1.飽和土與非飽和土固結理論分析

飽和土的固結理論研究主要是太沙基的有效應力原理以及一維固結理論。立足于一系列假定，太沙基將著名的一維固結理論建立起來。而倫杜里克又對太沙基的一維固結理論進行了一系列的推廣，建立了二維或三維的情況，也就是所謂的擴散方程。作為工程中常見的一個問題，非飽和土的固結理論研究內容主要包括隨著土體變形孔隙氣壓力以及孔隙水壓力發生的變化，以及伴隨著時間不斷的增長而不斷消散的規律。因為立足于在不同土類固結都適用的普遍方程的復雜性，所以大部分研究者在對非飽和土固定問題的解答尋求答案時都是針對某種特定的種類來進行的，鑒于非常復雜的影響因素，因而某些簡化的假定在研究當中非常多見。從上世紀六十年代國外就開始對非飽和土固結問題進行研究，弗雷德隆德關于非飽和土的固結理論是其中最為流行的。弗雷德隆德立足于對“相”的定義，因此采用了四相系的方式對非飽和土進行了研究，也就是在土粒、氣以及水之外，又添加了一個水氣分界，將其看作是第四相，同時還將其稱為收縮膜。我國的學者在假設孔隙氣的排氣率等于常量的情況下，將非飽和土的簡化固結理論建立起來，同時還在雨水入滲裂隙粘土中這一過程中進行了數值模擬，最終將土體膨脹回彈、有效應力降低以及吸力喪失的全過程得出來[1]。

2.飽和土與非飽和土固結理論之間存在的聯系性

非飽和土和飽和土的固結理論具有緊密的聯系，在飽和土固結理論的基礎上，非飽和土的固結理論屬于進一步的深化。大部分的學者都是立足于飽和土固結理論，從而對非飽和土的固結理論進行進一步的研究。一些學者立足于畢渥理論，但是只對孔隙水運動進行了考慮；還有一些學者立足于太沙基固結理論，對孔隙水運動以及孔隙氣運動運動進行了同時的考慮，從而對孔隙氣壓力消散方程以及孔隙水壓力消散方程進行同時求解。比如太沙基固結理論在經過一定的推廣之后就會得出弗雷德隆德的固結理論，兩者的計算公式在一定程度上具有類似性，同時還可以在飽和與非飽和這兩種狀態之間實現平穩的過渡。還有一些學者在非飽和土力學的研究當中對飽和土力學的有關理論進行了借鑒，比如畢曉普、威廉姆斯、克戎以及布萊克等就在非飽和土的研究當中引進了飽和土的有效應力原理，從而將非飽和土的有效應力理論提了出來，同時還用來對非飽和土的強度問題加以解決[2]。

在飽和土理論當中可以求到非飽和土固結理論當中必須的大部分的參數，比如采用非飽和土干縮-濕脹曲線與飽和土壓縮-回彈曲線進行對比試驗就能夠將非飽和土當中隨吸力或飽和度折減系數χ的變化求出來。

在某種程度上可以將非飽和土的一個特例看作是飽和土，比如某些學者的非飽和土固結理論除了將飽和土的固結理論涵蓋了之外，同時還在水、氣各自連通的非飽和土中適用。

3.飽和土與非飽和土固結理論之間存在的差異性

3.1壓實原理的差異

通常只有利用排水固結才可以減小飽和土當中的孔隙比，從而實現壓密的目的；而在非飽和土當中可以首先將土體空隙中的空氣拍出來，重新排列土顆粒，這樣就能夠使土體孔隙比得以減小，從而使土的壓縮性得以減少，并且使土的強度得以提升。

3.2固結機理的差異

在荷載作用下飽和土以及非飽和土的固結機理之間具有十分明顯的差異，對于水和氣都包含在非飽和土空隙中，土中水與氣在固結的過程中會發生相互作用，同時還與水和氣的滲透性具有密切聯系，氣體具有非常高的壓縮性，而且還會有部分氣體在壓縮的過程中在水中溶解，因此相對飽和土而言，飽和土的滲透性以及壓縮性等非常復雜。比如飽和土在受壓的瞬間，不能夠將水及時排出，然而又不能夠壓縮水，所以水就承擔了其中的全部荷載，土骨架除了不會受力之外，同時也不會變形。而荷載隨著水位的不斷排出就會向著土骨架逐漸轉移，然后慢慢壓縮土體。非飽和土在受壓的時候，氣體在孔隙當中會馬上壓縮，而且土骨架也會馬上由于受力而產生變形。所以在施加壓縮的一瞬間，土骨架、氣體以及水共同起到了承擔作用[3]。

3.3“相 ”的差異

飽和土只存在著二相，也就是液相和固相；非飽和土則一共包括三相，也就是氣相、液相以及固相，在弗雷德隆德的理論當中還將非飽和土看做為四相，而第四相就是土中水與氣的分界面。作為一個比較復雜的物理-化學界面，第四相會對飽和土產生什么樣的影響仍然沒有明確的答案。

4.結語

我們可以從上述的分析當中發現，非飽和土的固結理論以及飽和土的固結理論之間具有緊密的聯系，對飽和度理論的進一步深化就是非飽和土理論，然而因為非飽和土具有一定的復雜性，因此其固結問題相對于飽和土而言也具有非常大的復雜性。現在關于非飽和土固結的理論研究仍然在不斷的發展當中，因此仍然需要廣大的學者對其進行進一步的探索，從而最終有效的推動非飽和土的固結理論以及飽和土的固結理論的不斷發展。

參考文獻：

[1] 查甫生，劉松玉，杜延軍，崔可銳. 非飽和黏性土的電阻率特性及其試驗研究[J]. 巖土力學. 2012（08）

[2] 曹雪山，殷宗澤，凌華. 非飽和土受壓變形的簡化計算研究[J]. 巖土工程學報. 2013（01）

[3] 李雄威，馮欣，陳建斌. 大氣作用下非飽和土濕熱性狀的計算模型與分析[J]. 常州工學院學報. 2013（05）