簡析飽和土與非飽和土固結理論

李向群 劉 帥

（吉林建筑大學 測繪與勘察工程學院， 吉林 長春 130118）

0 引言

近些年，隨著我國基礎建設的大力推進，人們對巖土工程行業(yè)的技術提出了更高的要求。土固結問題在工程實踐當中隨處可見的，而土的固結理論的研究對建筑物沉降、地基穩(wěn)定以及地基的設計與處理都有指導性的作用。土體在外力作用下土體受壓收縮并伴隨著水從孔隙中排出，土骨架在孔隙水壓力的作用下發(fā)生變形并緩慢的趨于穩(wěn)定，這就是固結的過程。在土體結構內部土骨架有效應力的增加過程和孔隙水壓的消散的過程可以看作飽和土的固結過程。對非飽和土而言，氣體與水同時存在土的孔隙當中，其固結過程是水與氣之間的相互作用。由于孔隙水非飽和土中的滲透性、孔隙氣的滲透性以及土中的水分與土體結構的影響，這些因素將極大地影響非飽和土固結的研究。目前，在實踐當中還沒有發(fā)現(xiàn)有成熟與適用的非飽和土固結理論，故在未來對非飽和土固結這個領域的研究還是非常有意義的。

1 飽和土固結理論研究

飽和土實質上是在土體結構內部土顆粒周圍的孔隙被水充滿的二相體系。對于透水性好的飽和土（沙土、碎石頭），其變形所經歷的時間段短，可以認為在外荷載施加完畢時，土體的結構就已經趨于穩(wěn)定了。如果對于透水性好的軟粘土而言，其固結變形需要幾年甚至幾十年才能完成。人們普遍的認為土力學學科的誕生是基于太沙基固結理論和有效應力原理的提出。太沙基固結理論與有效應力原理都是由美國著名的土力學家太沙基所證明推廣得到并且得到了巖土工程界學者們的認可。太沙基理論是立足于一系列假設（土骨架不發(fā)生變形、滲透系數(shù)A 是常量等）的前提下才建立的。當對飽和土施加壓力時，土體的孔隙水主要沿著豎向滲透，因此太沙基理論是一維固結理論。后來的學者在太沙基一維固結理論的基礎上進行推廣，得到了二維和三維的情況。對于長條形分布的堤壩在荷載作用下的，其空隙水主要沿兩個方向滲流，屬于二維固結問題。在今后隨著巖土工程研究者們在太沙基的基本假定的不斷修正與完善條件下，飽和土的固結理論的研究將會有更深的突破。

2 非飽和土的固結理論的研究

在外荷載作用下土體內部骨架發(fā)生收縮，孔隙氣壓力、孔隙水壓力發(fā)生變化，還有在隨著時間的推進孔隙水壓力和空隙氣壓力逐漸消散的規(guī)律，這些內容就是非飽和土固結理論要進行研究的。在非飽和土結構內部土顆粒周圍的孔隙中充滿了液態(tài)水和空氣，氣體同時又具有良好的壓縮性，故在受到作用下氣體會收縮，還有一部分氣體會溶于水中，這會導致對非飽和土的固結研究的困難加大。在上個世紀六十年代外國的費雷得隆的理論廣受學者們的認可。費雷得隆認為非飽和土不是三相體系，而是四相體系。他認為土體的孔隙中水與氣的交界面也是一個體系，此相稱為收縮膜，這一相對非飽和土的固結影響還沒有得到明確的回答。土體在干到濕和濕到干輪回的過程中達到相同的含水量時，滲透性并不一樣，則土體的滲透性并不是單受含水量來控制的，因此，對滲透系數(shù)的測定并不是一件容易的事情。飽和土固結理論是遵循土體的變形是連續(xù)的這一假設的前提下推廣而得到的，對于非飽和土而言，土體內包含的氣體具有良好的壓縮性并且部分氣體可溶于水，因此非飽和土很難嚴格的滿足連續(xù)性這個條件。已上述的陳述都是對建立非飽和土固結模型所擁有的困擾。到目前為止，也沒有一個被巖土工程界所認可的非飽和土固結理論[1]。

3 飽和土與非飽和土固結理論的聯(lián)系

飽和土的固結與非飽和土的固結有十分相似之處，不僅是土骨架結構體系收縮，同時也是土骨架結構體系承當應力出現(xiàn)增加的過程。飽和土與非飽和土的固結理論之間的關系非常的密切，非飽和土固結理論是飽和土固結理論的進一步研究和擴展。如有一些學者是在畢渥理論的基礎上，對土體孔隙中的水運動和氣運動同時的考慮，然后可以對孔隙水壓消散方程與孔隙氣壓消散方程進行同時的求解。著名的如費雷德隆得的固結理論不也是在太沙基一維固結理論的基礎上經過一番的延伸推廣才得到的。在給定狀態(tài)的土，由干到濕和濕到干達到相同的含水量時，滲透性并不一樣，再者，土的結構性對滲透系數(shù)的影響是相當顯著，因此，測定滲透系數(shù)，并且為確保土的結構性不受影響，需要非常規(guī)則的測試技術。有一些學者在非飽和土力學的研究當中對飽和土力學的有關的理論進行了借鑒，例如畢曉普，威廉思慕等就在非飽和土的研究中引進了飽和土的有效應力原理，則就將非飽和土有效應力理論提出來了，同時還能對飽和土的強度問題加以解決[2]。

4 飽和土與非飽和固結理論的區(qū)別

4.1 固結機理差異

在外荷載的作用下，飽和土與非飽和固結的理論有很大的差異。非飽和土的孔隙中包含水和氣這兩相，土體外荷載的作用使土孔隙中的水與氣這兩種流體發(fā)生運動，因此在固結的過程中土孔隙中水與氣會發(fā)生相互作用，氣體具有非常高的壓縮性，然而會有一些氣體在壓縮的過程在水中溶解。其實非飽和土固結的過程就是土體結構內部各個要素的調整變化，也是為了適應土體孔隙中的水、氣這兩相運動的過程。飽和土在固結過程中，土體受壓的瞬間，孔隙中的水不能夠及時將水排出，然而水又沒有可壓縮性，則水就承擔了結構內部全部的荷載，此時土骨架即不受力也不發(fā)生變形。當非飽和土受壓時，氣體在孔隙中會立馬被壓縮，土骨架也會產生變形，故在施壓那一瞬間，則外荷載由水、氣體、土骨架共同來承擔[3]。

4.2 “相”的區(qū)別

飽和土只有固相（土顆粒）和液相（孔隙水）組成的兩相體系，非飽和土是由土顆粒、液態(tài)水、氣體組成的三相體系。在目前的研究得到非飽和土是四相體系。第四相是收縮膜，也是一個水氣交界面，此相對非飽和土的影響在目前還沒有明確的定論，還需要科研工作者們進一步的深入研究。

4.3 滲透性

飽和土的孔隙被液體水充滿了，其滲透性就是指介質水的滲透，大多數(shù)情況下飽和土體內部的滲透情況可以用達西定律來描述，此時的滲透系數(shù)K 為常數(shù)。 而對于非飽和土的滲透性，其滲透性是指滲水與滲氣的特性，而這兩者的特性不僅都于土的密度、飽和度、結構等有關，還與滲水的水力梯度、滲氣的壓力梯度都有直接的關系。當土體存在于給定的狀態(tài)時，土體由干到濕和濕到干達到相同的含水量時，滲透性是不同的，并且土的結構性對滲透系數(shù)的影響是顯著的，因此，要測定其滲透系數(shù)并不是一件容易的事情[3]。

4.4 固結的連續(xù)條件

飽和土固結理論是嚴格的基于土體的變化是連續(xù)的基本假設。對于非飽和土而言，是很難嚴格遵循土體變化是連續(xù)的的條件。主要是因為非飽和土孔隙中的氣體具有良好的可壓縮性，如果氣體與外界相聯(lián)通，則一部分的氣體會被排出，而未被排出的氣體在外荷載的作用會使其體積與密度發(fā)生變化，于此同時還有一部分氣體會溶解于水中。

5 結語

通過以上的回顧和分析，飽和土與非飽和土的固結理論之間的關系是慎密的，在飽和土固結理論的基礎上，進一步擴展了非飽和土固結理論。在未來的巖土工程這門學科土的固結理論領域研究當中，學者們應該繼續(xù)注意飽和土與非飽和土固結理論的異同點，以更好的促進土固結理論研究的成熟與發(fā)展。