非饱和土

工程地质学科名词

非饱和土是指土壤孔隙由水和空气填充，即饱和度小于100%时但大于0时的土壤。非饱和土在自然界广泛地存在，真正的饱和土在自然界是很少的，尤其在干旱与半干旱地区，由于受气候条件的影响，存在着若干种具有特殊性质的土类，如膨胀土、崩解土（黄土等）、残积土等，统称为“特殊土”。它们均具有非饱和土的基本特性，即土体内通常存在着吸力。这种特征在膨胀土中表现得尤为明显和重要。

简介

非饱和土是一种三相土，与饱和土不同，非饱和土中不仅有固相（土粒及部分胶结物质）和液相（水和水溶液），而且还有气相（空气和水汽等）存在。气相的存在使土的性质大为复杂化，它的基本特性与饱和土有所不同，这些特性给非饱和土工程性状的研究带来了许多困难，以致目前对非饱和土基本性质的研究仍不很成熟，而非饱和土的理论原理和计算方法以及它们介入工程的程度则还处于初步阶段。

一般认为土壤由固相（土壤颗粒）、液相（土壤水）和气相（土壤所含气体）三相构成，在土壤颗粒空隙完全由液相填充，即水占土壤空隙的比例为百分之百时该土壤称之为饱和土。反之，土壤孔隙由水和空气填充，即饱和度小于100%时但大于0时，该土壤为非饱和土。

基质吸力为研究非饱和土特性的一个重要参数，基质吸力多用于描述土体雨水入渗的能力，比如大坝土体入渗、降雨入渗，其可通过水土特征曲线描述——试验测得土中基质吸力与土体体积含水率变化的一组数据表示。

常用的分析非饱和土的软件有midasgts、geostudio、ansys及ABAQUS，Seep3D。

非饱和土在自然界广泛地存在，真正的饱和土在自然界是很少的，尤其在干旱与半干旱地区，由于受气候条件的影响，存在着若干种具有特殊性质的土类，如膨胀土、崩解土（黄土等）、残积土等，统称为“特殊土”。它们均具有非饱和土的基本特性，即土体内通常存在着吸力。这种特征在膨胀土中表现得尤为明显和重要。因此，非饱和土理论就越来越密切地介入到膨胀土的研究中。这样不仅增加了膨胀土研究的活力，开阔了探索的视野，而且鉴于非饱和土力学的理论框架已有一定进展，也使今后膨胀土研究有了比较坚实的理论基础，从而使研究向着更加理性化的方向发展。

非饱和土的性状

土体中含有气体使非饱和土的性质远比两相的饱和土复杂，饱和土的某些原理对非饱和土不再适用，或者需要重新论证。弄清非饱和土的基本性状和工程性状及其主要影响因素，在此感性认识的基础上进行性质抽象和关系抽象，建立非饱和土研究的基本思路，探索在工程中考虑这些性状的本构关系和定性的、定量的分析方法，提出合理的计算公式，选择合适的特性参数试验方法（尤其是吸力的量测技术），确定各特性参数量值的范围，并将分析结果在实践中进行验证和修正等：这些就是非饱和土力学研究的主要任务。

非饱和土体中存在着大小和形状多变的孔道体系，当水分很少时，水分只能占据细的“狭颈”孔道，且互不连续，这时气相与外界大气连通（平衡）。这种状态在俞陈划分法中称为“气开敞”。另一种与此相反，当土中的水分很多时，液相不仅占据了全部小孔道，而且也占据了大孔道，气相被液体分割包围，形成弧立气泡悬浮于液体中，气相完全被封闭，与大气不能连通，固液气三相的界面现象消失，这时，非饱和土与饱和土的性状差别主要在于前者孔隙中的液体是可压缩的，而后者孔隙中的液体不可压缩，此即为气相的“完全封闭状态”。上述两种情况比较极端，也比较简单，介于上述两阶段之间的形态，则要复杂得多。对此，有不同的划分法，三阶段划分法将其称为“双开敞”阶段，即气相和液相均向大气开敞的意思，但这样划分似乎过于简单化了。事实上，“双开敞”的形态是一个很不稳定的阶段。当水分从“气相完全连通形态”增大时，土体中的部分不连续水相可以逐步地接续起来，并与外界相通。但这种情况只是部分发生，其余部分仍保留着气相与外界（大气）连通的状况。在这一阶段，土体受压后的变形将是相当迅速的。这阶段在“四形态的划分”中称之为“气相的部分连通形态”。当土中的水分继续增多时，不连续水的接续现象会继续发展和漫延，由于毛细水的迁移，在土体的表部首先将会形成连续的水膜，从而把气相与大气暂时隔离开来。这时，气相仅在土体内部存在连通现象，它在四形态划分中称为“气相的内部连通形态”。研究表明，非饱和土处于“内部连通”与处于“部分连通”时的性状将有显著的不同。在上述四种形态中，不言而喻，部分连通与内部连通两种形态将是非饱和土力学的主要研究对象。因为对于完全连通状态，可以看作“干土”，问题比较简单；而对于完全封闭形态，则可将它简化为内部充满可压缩流体的饱和土，许多饱和土的成果可以延伸和利用，故不是非饱和土研究的重点。

特征

强度特征

非饱和土与饱和土在力学方面最大的区别是吸力的存在，吸力使得非饱和土性质与饱和土有较大不同，对非饱和土的变形和强度有很大影响，吸力的存在会提高非饱和土的强度。吸力是土体内部土颗粒的表面与孔隙内的水和气相互作用而产生的，与外荷载作用没有直接联系。总吸力通常包含基质吸力和溶质吸力两部分。当不考虑土体中孔隙水化学浓度变化时，溶质吸力的影响可以忽略，此时主要关注基质吸力。基质吸力主要受水-气交界面（即张力收缩膜）的影响，并且与饱和度的变化密切相关，常用土水特征曲线来表征。基质吸力一般又由两部分组成：毛细部分和粘吸部分。毛细部分吸力，对非饱和土的性质和行为有两种作用或影响：①吸力的变化会引起非饱和土的平均骨架应力的变化（通过孔隙内流体的平均压力的变化引起）。②由于毛细水表面的拉力提供了颗粒之间的附加拉力，因此形成了土颗粒之间的一种黏聚力。

1、吸力对抗剪强度的影响

通过大量学者对非饱和土抗剪强度问题的研究和试验，可以观察到两个基本趋势：一是抗剪强度会随着净法向应力的增加而增加；二是抗剪强度会随着基质吸力的增加而增加。但是，净法向应力往往比吸力的作用更加明显。

2、吸力对抗拉强度的影响

虽然土体抗拉能力相对较弱，但土特别是非饱和土仍然可以承受一定的拉力，具有一定的抗拉强度，且这种抗拉强度在一些工程问题中非常重要。当抗拉强度不足时，在拉应力的作用下土体会出现开裂，会对土工建筑物产生极大的危害。非饱和土的抗拉强度来源于颗粒材料内部的黏聚力，黏聚力的产生源于土体内部的各种物理化学作用力。这些作用力中，一类是在饱和土中就存在的，如范德华力、双电层引力或排斥力、溶质沉淀引起的胶结力等。另一类作用力只有在非饱和土中才存在，即表面张力引起的毛细作用，它受含水量或饱和度的影响非常大。

渗透性特征

在非饱和土壤中，因土壤孔隙中部分充气，导水孔隙相应减少，因而导水率也相应减少。由于在吸力作用下，土壤水首先从大孔隙中排出，随着吸力的增加，水流仅能在小孔隙中流动。所以，土壤从饱和到非饱和，其渗透性将急剧降低。将饱和土达西定律延伸至非饱和水流中，实践证明达西定律也适合于非饱和土中水的流动。但是非饱和土渗透系数不能假定为常数，同时受到土的孔隙比和饱和度变化的强烈影响，是体积含水量的函数。

变形特征

非饱和土是一种三相的多孔松散介质，三相之间不仅具有力学效应复杂多变的收缩膜，而且还存在气、固与固、液之间的电化学作用和物理作用以及它们物理性态变化的影响，这样一种复杂介质结构的单元体受到附加应力作用时，一方面固、液、气三相及收缩膜构成的结构发生变化，最终抵抗附加作用应力；另一方面伴随着结构的体缩，存在液、气相在结构孔隙中的运动。前者不仅包含土粒构架，而且包含了液固间的电化学加固作用、气液固之间的收缩膜加固作用等，它们构成了非饱和土的骨架结构系。结构系中各种要素的调整与变化在于抵抗附加应力作用；后者是指结构系体缩过程中液、气相在结构系孔隙中运动，以便适应土骨架结构系中各种要素的调整变化。因此，非饱和土的固结过程实际上是土骨架结构系中各要素调整变化的过程，也是适应这种变化液、气相在结构孔隙中运动的过程。

非饱和土的固结同饱和土的固结相似，也是土骨架结构系体缩，结构系孔隙中液、气相运动的过程；也是土骨架结构系承担应力增长，液、气相运动驱动压力消散的过程。

测试难点

非饱和土的测试的难点有以下5个方面：

①非饱和土是固–液–气三相复合介质，水气的赋存形态有水连通–气封闭、双开敞（各自连通）、气连通–水封闭等多种情况，测试内容大大增加，且要求各相的应力和变形分别独立控制、量测。其中孔压包括水压和气压，渗透性包括水的渗透性和气的渗透性，扩散现象包括空气在水中的扩散和水蒸气在空气中的扩散，状态变量包括应力、应变、吸力（包括基质吸力和溶质吸力）、饱和度（或体积含水量、重量含水率）和温度等，本构模型包括土骨架、水、气（如状态方程）的本构关系，强度及水气运动规律等，试验方法（应力路径）有数十种之多；

②吸力变化范围很大（从0～106kPa），大于80kPa的基质吸力的直接量测很困难（发生气穴、汽化现象）；

③土样体变小、水的流速低，土样中状态量达到均衡的时间要很长，要求量测精度高、连续测试的时段长，试验历时从几小时到几天、几周，甚至几月、几年。动载作用下的测试数据几乎不能代表土样实际情况；

④气相压缩性大，不仅无孔不通，而且还能通过橡皮膜扩散，在土样水分中溶解与扩散，干扰排水量的量测，并大大增加了土样体变量测的难度（不能像饱和土那样由测排水量代替测体变）；

⑤特殊土的特殊性质的测试（如湿陷性、胀缩性、负摩擦、微细结构及其损伤演化对变形强度渗透性的影响）有特殊要求和难度。

庆幸的是为了探讨非饱和土与特殊土的性质，许多学者进行了不懈的努力，研制出了形形色色的仪器设备。

工程意义

1、路堤及土坝工程填筑中的孔隙压力

堤坝等工程在建造过程中孔隙压力的消散过程不能用经典土力学理论来说明。堤坝的变形由于孔隙气体的存在而发生变化，若仍由饱和土力学理论来指导施工，势必影响填筑质量或施工进度。堤坝运行后，水位变动会使孔隙水、气的比例发生变化，从而使土体的固结、强度和渗流等情况都与饱和土力学理论所阐明的不同。

2、边坡稳定

天然边坡的稳定状态随时间、气候条件等因素发生变化，对常规的边坡稳定分析方法提出疑问。对长时间降雨后出现的滑坡的机理分析以及预测预报等均应当考虑土体含水量变化的影响。

3、深基坑等竖直挖方中的支护措施设计。

深基坑支护设计及稳定分析应当考虑地下水位的变动影响。由于开挖使得地下水位降低，基坑土体在一定范围内成为非饱和土，短期内使土的抗剪强度增加，但随着时间的增长，土中吸力又会使非饱和区域孔隙水压力上升，强度衰减，最终导致基坑失稳。此外，孔隙水压力的变化也会引起基坑周围建筑物的不均匀沉陷，分析这种沉陷过程也需要用到非饱和土的固结理论。

4、挡土墙和桩顶地梁上的侧向土压力计算。

常规主动、被动土压力计算公式中，土的抗剪强度是按饱和土考虑的，这与实际工程中墙后土体通常处于非饱和状态是不相符的。此外，还应当考虑墙后土体浸湿作用所产生的附加侧向土压力。

5、膨胀土及黄土的变形分析及强度参数。

膨胀土与黄土均是易受水份影响的土类。膨胀土的胀缩变形，内因是土体的矿物成分和天然结构，外因则是降雨、气候或地下水的共同作用。膨胀土的胀缩性、裂隙性和超固结特性，实质上均与土体内部孔隙变化及水、气比有关。膨胀土水份变化由孔隙气、水相互作用所控制。研究膨胀土、黄土等非饱和土的变形及强度问题，必须探讨孔隙气、的影响，如果简单地将其视为饱和土，必然水导致理论分析上的重大失误。这方面较典型的问题之一是:膨胀土的抗剪强度是变动的，干、湿强度相差极大，设计值怎样取定，有待研究。

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