非饱和土增湿变形研究现状

杜建军

摘 要：土的增湿变形是地基产生不均匀沉降的原因之一，会对结构本身造成严重损伤，增湿变形关系着岩土工程的安全。国内外诸多学者们对非饱和土的增湿变形进行了相关的研究，指出了增湿变形中常用的弹塑性模型和线弹性模型。本文以增湿变形的理论基础为依据，着重强调了增湿变形的研究意义、以及国内外研究的现状和现存的问题，提出了非饱和土增湿变形在实验中所存在的问题。

关键词：增湿变形；非饱和土；弹塑性模型；线弹性模型

引言

增湿变形是土在压力作用下变形达到稳定后由于含水量增大而产生的附加变形。非饱和土的增湿变形直接关系着工程的成本与安全[1]，所以一直是岩土工程关注的一个重要方向，增湿变形是建筑物产生不均匀沉降的原因所在，尤其对上部建筑造成的危害巨大[2]。面对日益严重的非饱和土工程问题，有必要对增湿性状进行研究[3]。本文先后总结了某一时期非饱和土增湿的研究成果，并对其进行了相关的评述；1）指出了干密度、含水量为影响增湿变形的重要因素；2）通过其它内在因素的分析，比较分析了不同影响因素下非饱和土增湿变形的情况；3）研究增湿变形从非饱和土理论为出发点，通过研究非饱和土本构模型，并提出非饱和土增湿变形的研究方法。但是这类文献并没有对非饱和土增湿变形方面进行系统的阐述，本文有必要对非饱和增湿变形方面进行综述。

1 增湿变形的理论基础

非饱和土的强度理论主要有两类：一类是Bishop强度理论，是用非饱和土有效应力表示的强度理论；另二类是Fredlund强度理论，是用两个独立的应力状态变量表示的强度理论。

1.1 Bishop强度理论

Coulomb（1776）根据砂土的摩擦试验，把抗剪强度表示为滑动面上法向应力的线性函数：

该公式经过了 Fredlund 的试验验证。

2 增湿变形的相关模型

2.1 非线性弹性模型

非线性弹性模型一般可以写成应力状态变量的增量对于应变状态变量的增量关系的形式，增量式为：

2.2 弹塑性模型

2.2.1 Alonso BBM模型

Alonso模型[5]被认为是具有广泛代表性的模型。为后来的大量研究工作提供了参考价值。Alonso模型的原理是选用适当的应力状态变量，在球应力、偏应力、和基质吸力的p-q-s空间内研究问题。本模型的优点是能够描述荷载引起的体应变和浸湿引起的体应变。描述了重塑膨胀土在干湿循环的过程中反复胀缩的性质，该模型在土体饱和时，退化为饱和土本构模型。

2.2.2 增湿变形软化模型

张苏民最早提出非饱和土的增湿变形模型[6]是土样在增湿的过程中，土体本身的固化遭到软化，从而导致本身结构遭到部分破坏，尤其是在外力的作用下产生附加变形，这种变形机制可以用增湿变形软化模型ZSM体来表示。

式中：H为非线性虎克体，ZS为增湿软化体，//为并联符号。

该模型对增湿变形的时间效应，增湿变形的实质，增湿变形的速率进行了深入的分析。该模型在研究非饱和土增湿效应的时候不能均匀定量的增湿，所测得结果为整体变形的综合。

2.2.3 V-G模型

张登飞等[4]用改装的非饱和土直剪仪在无应力及净竖向应力作用下对湿陷性黄土进行分级增湿试验，测量增湿过程中变形及吸力的变化，据此提出考虑孔隙比变化的修正 V-G 模型，该模型可以预测无应力及净竖向应力作用时湿陷性黄土的增湿持水特性，预测结果与试验结果吻合较好。

3 增湿变形的实验研究

增湿变形是一个与试样的干密度、初始含水率、外部荷载、围压等有关的物理量[24]。要同时研究不同干密度和不同初始含水率的试样，需要大量的试样，所以学者们主要是控制一个不变量，再研究不同的干密度或者含水率的试样。这提醒我们在以后的工作中可以考虑从同时控制不同干密度和不同含水率的方面进行试验研究。目前，非饱和土的增湿变形实验主要通过剪切仪、压缩仪、固结仪、非饱和土三轴仪来研究，但这些实验中也存在许多问题，例如直接剪切仪，虽然解决了定量增湿的问题，但是实验本身的原理与实际现场还是存在不小区别，并不能很好的模拟现场的工况，而三轴仪虽然比直接剪切仪更加准确的模拟了现场的工况，但是增湿的过程需要较长的时间，很难做到均匀增湿的特点，使得通过三轴仪器做的实验，并不能准确的解决均匀增湿的目的。当然，目前国内在增湿变形这方面的研究集中在砂性土中，砂土的渗透性好，可以缩短三轴实验所需的时间[25]，但是对于粘性土的研究就存在許多值得改进的地方。例如：怎样缩短粘性土的三轴实验时间；怎样使得粘性土的增湿过程达到均匀增湿。

3.1 研究线路

增湿变形的研究线路主要从一下两个方面出发：单线法，是在干态下沿着某一加载路径达到某一应力状态，在保持该应力状态不变的条件下，得到该应力条件下的浸水湿化变形；双线法，是分别进行干态和湿态下的实验，得到相应的应力应变关系。然后在相同应力状态下，湿态和干态条件下变形的差值作为该应力状态下发生浸水湿化的变形量。两种方法的不同之处在于，单线法包含了不同初始密度试样在恒定荷载作用下的蠕变变形，并非纯粹为水分增大引起的湿化变形；而双线法其本质是两种不同初始含水率试样的剪切试验，没有考虑水分湿化过程中引起的湿化变形。在实验中表明，双线法适应于粗颗粒土，而对于黏性土，双线法是否考虑了湿化变形，有待于继续研究。

对于地基增湿工程而言，为防止建筑物在过快、过大的增湿变形下发生二次破坏，因此，要适当弱化控制增湿压缩位移迅速变化的阶段.根据实际场地地基初始含水率、孔隙比大小和上部结构荷载大小，适当的控制渗水量和调节渗水点位置，以避免压缩变形产生突变。

3.2 增湿路径

增湿路径主要分为以下两种：一次性增湿即是把试样从某一初始含水率直接增湿到饱和的过程，这种方法避免了分级增湿过程中不能达到均匀定量增湿的目的；分级定量增湿即是把试样从某一初始含水率每次按定量的方法使得试样分多次达到饱和。这种方法的好处在于能够更加切合现场的实际情况。

根据李振等[8]人的数据可以得出下表：

从上述数据中可以得出，在浸水变形稳定后，各变量的变化规律也几乎完全一致。可见在浸水方向相同的三轴应力状态下，膨胀土不论是分级浸水还是一次性浸水，其变形的最终结果是一致的。

4结论

根据对非饱和土增湿变形过程的研究，通过总结分析可以得出如下结论：

1）非饱和土的增湿变形是土力学增湿变形理论的延伸，统称为增湿变形。

2）非饱和土的理论研究有必要选取一个合适的土体本构模型，具体要根据实际情况而定。

3）研究非饱和土增湿变形的过程，通过控制一个变量因素，可以更好的研究另一个变量对增湿变形的影响。

参考文献

[1]常青.黄土地基湿陷变形的试验研究[J].建材与装饰，2013（19）：252-253.

[2]包承纲，詹良通.非饱和土性状及其与工程问题的联系[J].岩土工程学报，2006（02）：129-136.

[3]张慧，商拥辉.非饱和土理论及其地基沉降问题[J].江西建材，2014（10）：243-244.

[4]张登飞，陈存礼，杨炯，王俊甫，张文博.侧限条件下增湿时湿陷性黄土的变形及持水特性[J].岩石力学与工程学报，2016，35（03）：604-612.

[5]Lloret A，Alonso E E.Consolidation of unsaturated soils including swelling and collapse behaviour[J].Géotechnique，1980，30（4）：449-477.

[6]张苏民，郑建国.湿陷性黄土（Q_3）的增湿变形特征[J].岩土工程学报，1990（04）：21-31.

[7]辛志宇，谭晓慧，王雪，等.膨胀土增湿过程中吸力-孔隙比-含水率关系[J].岩土工程学报，2015，37（7）：1195-1203.

[8]李振.非饱和膨胀土增湿变形和增湿强度的试验研究[D].西北农林科技大学，2006.

（作者单位：1.三峡大学； 2.湖北理工学院）