在非饱和土中.pptVIP

第九章 应用与新进展  非饱和土力学 非饱和土的力学性质 渗透性 变形 强度 非饱和土的水力特性 保水特性 9.1 毛细管作用和吸力 饱和土力学讨论了地下水位以下水的流动， 土的变形和强度。 　 非饱和土力学研究从地表面到地下水面之间土的性质。 这部分土的孔隙中，通常同时存在着水和空气，呈非饱和状态。可以认为，这部分土中的水来源于地表面雨水等的渗透和由于毛细管的作用地下水对它的补给。 照片是用圆铝棒堆积层模拟土的二维模型，在圆铝棒堆积层中加水，粒子间的孔隙中有水吸附。从相片中可以观察到，粒子接点处积聚着水，形成了弯液面。 土中的孔隙是很复杂的，形成了无数的毛细管。把毛细管用左图所示的下部浸水的半径为r的圆管代替，在这个简化的毛细管圆管中，水可以上升到某一高度，这叫做毛细管作用。毛细管作用是因为水的表面张力作用而产生的现象。水的表面张力，是因为水分子引力作用产生的沿着水表面的一种张力，可以形象地理解为在水的表面粘有一层薄薄的橡胶膜一样的东西，薄水膜粘在圆管的内壁上，由于表面张力的作用，把圆管内的水向上拉，使水位上升。 表面张力T的垂直方向的分力与被吸引上来的水的重量平衡，列平衡方程得 在25oC时，水的表面张力T≈0.075gf/cm，水的重度=1gf/cm3，如果取 ≈0，由上式得水面上升高度hc为  hc=0.15/r hc和r都以cm为单位。由上式可知，圆管半径r越小，水面上升高度hc越大。实际上土中的孔隙并不是圆管，如果用与圆管半径r等价的孔隙比e和有效粒径d10(cm)的积来表示，可得C是由土颗粒的粒径和表面粗糙程度等因素决定的系数，C在0.1～0.5cm2的范围内变化。根据上式可以推算出土中毛细管上升高度hc的大致值。如果假设粘土地基的d10≈1μm=10-4cm、e≈1，C=0.1cm2时，可得hc=l0m。 大气压力pa与弯液面下面的水压力uw及表面张力T的关系。根据力的平衡 假定大气压力pa等于零，根据上式可知，受到毛细管作用的水，其孔隙水压力在弯液面的顶部是负值 毛细粘聚力 粒子间的结合力，是影响土的抗剪强度的重要因素之一，特别是粘性土。 然而，随着饱和土中弯液面的消失，该力也随之消失，所以由水的表面张力产生的粘聚力有时也称为毛细粘聚力。 大家都可能有这样的经验，在砂滩上堆起的砂堆中挖隧道，当砂处于饱和和完全干燥的状态时都是不可能的，只有在适当湿的砂堆中才能容易完成。这是因为水的表面张力即吸力产生的毛细粘聚力在起作用。 吸力的表示 9.2 渗透性 非饱和土的孔隙中存在气体和水两种流体。根据饱和度的不同，土中气体和水呈不同的形态。下图表示了非饱和土中孔隙水与气体的三种不同形态。 土的饱和度比较高时，例如，击实粘土含水量大于最优含水量wop时，其饱和度约为85％～90％，这时土的孔隙主要被水所占据。气体呈气泡状，被水所包围，可随水一起流动，如图(c)所示，称为气封闭状态。这种混合的流体是可压缩的，在较高压力势下，气泡可被压缩和溶解，使孔隙水饱和度进一步提高。这种情况下，一般可按饱和土计算 渗透与固结问题，只不过 其渗透系数小于饱和土。 当土中含水量很小时，孔隙水主要以水蒸气和结合水状态存在，或者吸附在土颗粒局部和表面，被气体隔离封闭，可不考虑水的流动，如图(a)所示情况，称为水封闭状态。 对于图(b)情况，气体和水都是连通的，均可能发生流动，称为双开敞体系，相应的饱和度对于粘土约为Sr=50％～90％;对于砂土，Sr=30％～80％，这种情况是研究非饱和土渗透性的主要课题，一般分别考虑空气的流动和水的流动。 9.2.1 空气流动 费克(Fick)定律(1855)用以描述空气沿坐标轴方向的流动，例如沿y方向可写成 Ja为通过单位面积土的空气质量流量； Da为土中空气流动的传导常数； c为空气浓度，是绝对气压的函数，c=f(ua)； 为沿y方向的浓度梯度; ua为空气压力； 等为沿y方向空气压力梯度。式中负号表示沿浓度梯度减小的方向流动。 空气浓度和气压的关系 Sr为土的饱和度； n为孔隙率； 为空气密度； wa为空气分子质量； R为气体常数； T为绝对温度。 为了得到类似于达西定律的形式，1971年，Blight，将空气传导系数Da*进行如下修改 根据Ja的定义可知，通过单位面积土的空气质量流量可用下式表示 Va为通过的空气体积；va为通过的空气体积流速。 上两式相等得 ka称为空气在土中的渗透系数 9.2.2 水流动 -广义达西