【摘 要】
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有效应力方程是土力学的基石。然而,Terzaghi有效应力方程和Bishop有效应力方程的理论基础在提出之时并不坚实。为此,众多的学者通过不同的方法试图为其奠定理论基础,然而这些方法未能较好地考虑孔隙水的宏微观赋存特性。同时,有效应力方程中中性应力、有效应力的物理意义并未得到合理的阐释,这导致目前所建立的非饱和土有效应力原理未能较好地区分存在于非饱和土中的各种应力的力学效应,从而难以有效地解决非饱
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有效应力方程是土力学的基石。然而,Terzaghi有效应力方程和Bishop有效应力方程的理论基础在提出之时并不坚实。为此,众多的学者通过不同的方法试图为其奠定理论基础,然而这些方法未能较好地考虑孔隙水的宏微观赋存特性。同时,有效应力方程中中性应力、有效应力的物理意义并未得到合理的阐释,这导致目前所建立的非饱和土有效应力原理未能较好地区分存在于非饱和土中的各种应力的力学效应,从而难以有效地解决非饱和土的变形和强度问题,特别是当前急需解决的高吸力强度问题。针对上述问题,通过宏微观机理探究、理论推导与分析、模型构建与验证,本文建立了考虑孔隙水赋存特性的广义有效应力原理并提出了适用于宽广吸力范围的抗剪强度模型。主要研究成果如下:(1)通过分析现有的测试数据,发现孔隙水含量在宏观上存在梯度。通过分析孔隙水的微观赋存形态及其力学性质,建立了扩展的三相孔隙介质模型,即孔隙气、毛细水和广义土骨架(包含矿物颗粒骨架、吸附水和收缩膜)。在此基础上,采用分相平衡分析法,建立了考虑孔隙水宏微观赋存特性的力学平衡方程并推导了广义Terzaghi有效应力方程(有效应力=总应力-中性应力),为非饱和土有效应力方程提供了一个较为坚实的理论基础。经论证,非饱和土的有效应力方程应表述为广义Terzaghi有效应力方程而非通用的Bishop有效应力方程。前者与Terzaghi有效应力方程不仅在数学形式上而且在物理意义上可实现光滑过渡,而后者仅能在数学形式上实现过渡且忽视了中性应力的存在。(2)基于对非饱和土中各种应力作用机理的分析,本文发现:中性应力包含三部分:(1)存在于孔隙流体中的等效流体压强;(2)由等效流体压强引起的作用在广义土颗粒横截面上的应力;(3)由等效流体压强引起的作用在广义土颗粒间接触面上的应力。第二部分会引起广义土颗粒的体积变形,第三部分会影响广义土颗粒间的滑动。广义Terzaghi有效应力是沿广义土骨架传递的应力,其它存在于广义土颗粒上但没有沿广义土骨架传递的应力不应与有效应力叠加。单位体积非饱和土中渗流力既包括孔隙流体施加在广义土颗粒上的切向力也包括法向力,从而使得本文推导的渗流力方程更为合理。渗流力对土体力学行为的影响被发现与中性应力类似。现有的非饱和土力学理论忽视了中性应力和渗流力的作用,但是本文的研究表明:对于细粒土(特别是低饱和度的情形),中性应力和渗流力对抗剪强度和体变的贡献需要考虑。(3)在(2)的基础上,建立了广义有效应力原理:(1)广义Terzaghi有效应力等于总应力减去中性应力;(2)当中性应力和渗流力引起的广义土颗粒间抗剪强度和广义土颗粒体积应变可以忽略时,广义土骨架的抗剪强度和变形不仅受控于广义Terzaghi有效应力而且也受控于广义土骨架的力学参数。与现有的非饱和土有效应力原理相比,广义有效应力原理将由表面张力、范德华引力和双电层斥力引起的不沿广义土骨架传递的局部应力与广义土骨架的力学参数关联,从而避免了将具有不同传递机制的应力叠加进单一的有效应力方程。另外,广义有效应力原理提供了一个考虑非饱和土中各种应力力学效应的统一框架。(4)通过分析宽广吸力范围内非饱和土的应力-应变曲线和破坏行为的试验结果,本文发现毛细机制主要通过改变广义Terzaghi有效应力的大小以改变抗剪强度。吸附机制主要通过改变广义土骨架内粘聚力的大小以改变抗剪强度。在此基础上,结合广义有效应力原理,提出了考虑毛细和吸附机制的抗剪强度模型。该模型不仅在低吸力范围而且在高吸力范围较好地吻合了5种代表性土的抗剪强度试验数据。与现有的Bishop型抗剪强度模型相比,本文模型具有两点优势:(1)分别量化了毛细和吸附机制对抗剪强度的贡献,其物理基础更为清晰;(2)仅增加了一个描述烘干状态时广义土骨架内粘聚力的参数,但其在高吸力范围内的预测性能却显著提升。
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