淺析非飽和黃土的力學特性

【摘 要】本文針對黃土作為典型的非飽和土，著重討論了吸力和抗剪強度的研究現狀以及存在的問題，對新世紀我國黃土力學特性的研究提出了發展方向。

【關鍵詞】黃土； 非飽和土； 吸力；抗剪強度

Analysis on the mechanical properties of unsaturated loess

Liu Ling

(1.Jilin university Changchun Jilin 130000；2.Construction engineering college in Jilin building decorate college Changchun Jilin 130000)

【Abstract】Then as a typical loess unsaturated soils， focused on the research suction， module and the current situation and problems in this article.In the new century， the way was proposed that China's Loess study on the mechanical characteristics of the development.

【Key words】Loess；Unsaturated soils；Suction；Shear strength 

1. 前言

半個世紀以來，黃土對水的特殊敏感性及其在黃土變形、強度和本夠關系等力學特性上所表現出來的影響規律一直是黃土力學特性研究的中心。 

非飽和黃土結構性上的不同及其變化是其濕陷的主要原因，與黃土工程災害及相關的環境災害密切相關，從工程意義來說，黃土的特殊工程性質最主要的是它的力學性質，作為非飽和土，黃土具有明顯不同于飽和軟粘土的力學性質。因此，當含水率發生變化時，黃土相應的力學性能所發生的變化將成為黃土力學發展的關鍵。

2. 非飽和黃土吸力的研究現狀

20世紀中，非飽和土力學研究的復蘇是土力學發展中的又一次帶有根本性質和長遠影響事件。非飽和土大量存在及其對工程建筑巨大影響的事實，和土動力學的迅速發展一起是土力學開始走向成熟的一個重要標志［1］。黃土作為典型的非飽和土，隨著非飽和土力學研究的不斷發展，近年來其力學特性已被國內外學者納入了非飽和土力學研究的范疇。

非飽和土力學的中心問題是吸力的研究，由于非飽和土力學本構關系中的吸力很難測定、不易測準，阻礙了非飽和土理論的工程應用。而以往黃土力學研究中普遍采用的總應力分析法因過于簡化而無法滿足工程應用的需要。因此針對黃土的特性，建立簡單易用并能滿足一定工程應用需要的黃土應力應變分析方法更有現實意義。非飽和土的強度大于飽和土的強度，大多數強度公式，如著名的Bishop有效應力強度公式和Fredlund的雙應力變量強度公式［2］，都是含有吸力項的，反映吸力對強度的貢獻。但是，控制吸力的室內試驗代價昂貴、非常耗時；至于吸力的現場量測更加困難，即使世界范圍內積累的實測資料也很少［3］；在理論分析和數值計算中要獲得吸力，就涉及到現階段仍不成熟且也比較復雜的非飽和土固結模型。正因為吸力量測和計算的困難，將吸力作為變量的非飽和土強度公式未能得到廣泛的實際運用。吸力在非飽和土研究中的重要性不言而喻，但吸力的測定技術和預測方法都還比較復雜，室內和現場量測吸力的設備的可靠性和簡便性都有待改進。

3. 非飽和黃土抗剪強度的研究

土的抗剪強度是土的一個重要力學性質，它的準確確定對土坡和地基穩定分析及土壓力計算至關重要。與飽和土抗剪強度不同，非飽和土的抗剪強度由三個部分組成：即①由凝聚力產生的強度；②土受外部有效應力作用而產生的摩擦強度；③由于土中存在吸力而產生的強度，可稱為吸附強度。研究非飽和土強度主要是研究第三部分，即吸力對強度的貢獻。以往對非飽和土的研究提出了許多強度公式，主要可概括為以下兩類：

3.1 第一類強度公式（理論公式）

國內外許多學者提出了非飽和土抗剪強度的理論公式，其中最著名的是Bishop用非飽和土有效應力表達的強度和Fredlund等人提出的用雙應力狀態變量描述的強度公式。Bishop的公式和Fredlund的公式分別表達如下：

τf=c'+(σ-μa)tgφ'+x(μa-μw)tgφ'

τf=c'+(σn-μa)tgφ'+(μa-μw)tgφb

式中c' ，φ'均為飽和土的抗剪強度指標；上述兩式的第三項，即是吸力對強度的貢獻，其中 χ為有效應力參數，且 0

x=tgφbtgφ'

Fredlund整理了集中不同地方土料的試驗結果表明φb <φ'，故同樣有 0

3.2 第二類強度公式（經驗公式）。

由于非飽和土試驗設備尚未普及和吸力量測的困難，國內外有一些學者提出了一些非飽和土的抗剪強度的經驗公式，其中兩個比較有代表性的是： 

3.2.1 沈珠江和余圣剛分別提出用雙曲線來擬合與吸力有關的抗剪強度公式，其公式為：

τus=(μa-μw)11+d(μa-μw)tgφ'

τus=(μa-μw)1ctgα+(μa-μw)βtgφ'

其中 τus 為吸力抗剪強度，即吸附強度。以上兩公式中的參數d 和α ， β均需由非飽和土試驗確定。

3.2.2 包承綱用對數方程來表征土水特征曲線，得到土水特征曲線的實用公式如下：

θ-θrθs-θr=p-qlg(μa-μw)

其中：p=lg(μa-μw)r lg(μa-μw)r -lg(μa-μw)b

q=1 lg(μa-μw)r -lg(μa-μw)b

p ，q 分別是土水特征曲線下降段的斜率和截距，它們都是與孔隙尺寸有關的參數。根據土水特征曲線的公式，包承綱等得到的非飽和土抗剪強度的實用公式如下：

τf=c'+(σn-μa)tgφ'+(μa-μw)［p-q lg(μa-μw)］tgφ' 

使用該公式時，需進行飽和土的三軸試驗和土水特征曲線試驗，分別測定飽和土的抗剪強度參數和土水特征曲線，則可計算一定應力狀態下的非飽和土抗剪強度值。

4. 結語：

對黃土力學特性與應用研究的發展變化進行多側面，多層次，多方法研究的根本目的是使人們的認識逐漸向黃土客觀真是規律相靠近，以增強人們在解決復雜問題的思考面、可靠度和主動性。在新世紀黃土力學特性和應用在研究中占有重要的地位，第一，尋求和應用黃土力學特性研究的基礎理論；第二，探索和應用黃土結構性定量化的有效參數；第三，發展和應用黃土地基處理的新途徑；第四，完善和應用濕陷性黃土與結構共同作用的理論與方法；第五：重視和應用非飽和黃土中吸力對強度和變形的貢獻。

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參考文獻

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［文章編號］1619-2737（2010）10-18-216

［作者簡介］ 劉玲（1982-），女，2005年畢業于東北林業大學，土木工程專業，助教，現從事土木工程教學研究。