簡(jiǎn)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(cè)繪與勘察工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130118）

0 引言

近些年，隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的大力推進(jìn)，人們對(duì)巖土工程行業(yè)的技術(shù)提出了更高的要求。土固結(jié)問(wèn)題在工程實(shí)踐當(dāng)中隨處可見(jiàn)的，而土的固結(jié)理論的研究對(duì)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(guò)程。在土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部土骨架有效應(yīng)力的增加過(guò)程和孔隙水壓的消散的過(guò)程可以看作飽和土的固結(jié)過(guò)程。對(duì)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(guò)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(méi)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(lái)對(duì)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?chē)目紫侗凰錆M的二相體系。對(duì)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(duì)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(guó)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(duì)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(lái)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(duì)于長(zhǎng)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(wèn)題。在今后隨著巖土工程研究者們?cè)谔郴幕炯俣ǖ牟粩嘈拚c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?chē)目紫吨谐錆M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(duì)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(guó)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(duì)非飽和土的固結(jié)影響還沒(méi)有得到明確的回答。土體在干到濕和濕到干輪回的過(guò)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(lái)控制的，因此，對(duì)滲透系數(shù)的測(cè)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(duì)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(duì)建立非飽和土固結(jié)模型所擁有的困擾。到目前為止，也沒(méi)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(guò)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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)滲透系數(shù)的影響是相當(dāng)顯著，因此，測(cè)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(cè)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(duì)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(lái)了，同時(shí)還能對(duì)飽和土的強(qiáng)度問(wèn)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(guò)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(guò)程在水中溶解。其實(shí)非飽和土固結(jié)的過(guò)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(guò)程。飽和土在固結(jié)過(guò)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(méi)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(lái)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(duì)非飽和土的影響在目前還沒(méi)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(lái)描述，此時(shí)的滲透系數(shù)K 為常數(shù)。 而對(duì)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(duì)滲透系數(shù)的影響是顯著的，因此，要測(cè)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(duì)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(yǔ)

通過(guò)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(lái)的巖土工程這門(mén)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。