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《非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析》篇一一、引言在地质工程领域，土质边坡的稳定性分析是一个重要的研究课题。
特别是在非饱和至饱和状态变化条件下，土的物理力学性质会发生显著改变，从而对边坡的稳定性产生重要影响。
本文旨在分析非饱和至饱和状态变化对土质边坡稳定性的影响，以期为相关工程提供理论依据和实践指导。
二、土质边坡稳定性分析的理论基础土质边坡的稳定性分析主要涉及土的力学性质、边坡的几何形态、外部环境因素等多个方面。
其中，土的含水率是影响边坡稳定性的关键因素之一。
在非饱和状态下，土的强度和稳定性主要受控于土的吸力和摩擦力；而在饱和状态下，土的强度和稳定性则主要受控于土的抗剪强度和土体的重量。
三、非饱和状态对土质边坡稳定性的影响在非饱和状态下，土的吸力（包括基质吸力和渗透吸力）对边坡稳定性起着重要作用。
基质吸力能够增强土体的抗剪强度，提高边坡的稳定性。
而渗透吸力则能有效地降低孔隙水压力，进一步增强边坡的稳定性。
此外，非饱和土的抗剪强度随含水率的变化而变化，当含水率达到一定阈值时，边坡的稳定性会受到较大影响。
四、饱和状态对土质边坡稳定性的影响与非饱和状态相比，在饱和状态下，土体的强度和稳定性受到更大的挑战。
首先，土体在达到饱和状态后，其抗剪强度明显降低，边坡更容易发生失稳。
其次，饱和状态下的土体重量增加，加剧了边坡下滑的趋势。
此外，降雨等外部因素可能导致地下水位上升，进一步加剧了边坡的不稳定性。
五、非饱和至饱和状态变化对土质边坡稳定性的影响在非饱和至饱和状态变化过程中，土体的物理力学性质发生显著改变。
首先，随着含水率的增加，基质吸力逐渐减小直至消失，导致土体的抗剪强度降低。
其次，在达到饱和状态后，渗透力的作用逐渐增强，可能引发渗流破坏。
此外，由于地下水位的变化和降雨等因素的影响，可能导致边坡的渗流场发生变化，进一步影响边坡的稳定性。
六、分析方法与实例研究针对非饱和至饱和状态变化条件下土质边坡的稳定性分析，可采用多种方法。
《非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析》篇一非饱和-饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析一、引言在地质工程中，土质边坡的稳定性是一个重要的研究领域。
尤其是在非饱和到饱和状态变化的过程中，土的物理力学性质会发生显著改变，进而影响边坡的稳定性。
本文将深入分析这一变化过程中土质边坡的稳定性问题，为地质工程提供理论依据和实践指导。
二、非饱和状态下的土质边坡稳定性在非饱和状态下，土的强度和稳定性主要取决于土的抗剪强度。
非饱和土的抗剪强度受多种因素影响，如土的粒度分布、结构特性、含水率以及外部荷载等。
在非饱和状态下，土的抗剪强度随着含水率的增加而逐渐降低，但当含水率达到一定阈值时，土的强度会突然降低，导致边坡失稳。
三、饱和状态下的土质边坡稳定性当土体进入饱和状态时，土的物理力学性质将发生显著变化。
在饱和状态下，土的抗剪强度主要由孔隙水压力决定，而孔隙水压力的大小与土的渗透性、外部荷载以及边界条件等因素有关。
在饱和状态下，边坡的稳定性受多种因素影响，如土的渗透性、饱和度、以及地下水位等。
四、非饱和到饱和状态变化对土质边坡稳定性的影响非饱和到饱和状态的变化过程中，土的物理力学性质将发生连续变化。
这种变化将直接影响边坡的稳定性。
一方面，随着含水率的增加，土的抗剪强度逐渐降低；另一方面，饱和状态下土的渗透性增强，可能导致边坡内部产生较大的孔隙水压力，从而降低边坡的稳定性。
此外，地下水位的变化也会对边坡的稳定性产生影响。
五、分析方法与模型为了分析非饱和-饱和状态变化条件下土质边坡的稳定性，需要采用合适的分析方法和模型。
目前常用的方法包括极限平衡法、有限元法、离散元法等。
这些方法可以有效地模拟土质边坡在非饱和和饱和状态下的应力-应变关系以及变形过程。
同时，还需要考虑土的渗透性、含水率、地下水位等因素对边坡稳定性的影响。
六、实例分析以某地区土质边坡为例，通过现场试验和数值模拟等方法，分析该边坡在非饱和和饱和状态下的稳定性。
石家庄铁道大学研究生课程论文培养单位土木工程学院学科专业建筑与土木工程课程名称非饱和土力学任课教师考试日期 2015.1.15学生姓名学号研究生学院非饱和土固结实验报告一、非饱和土固结试验工程意义土体的压缩变形特性决定了地基沉降量的大小和固结时间的长短, 尤其是非饱和土体的压缩变形特性是目前工程界关注的焦点。
在荷载作用下，土体中产生超孔隙水压力，在排水条件下，随着时间发展，土中水被排出，超孔隙水压力逐渐消散，土体中有效应力逐渐增大，直至超孔隙水压力完全消散，这一过程称为固结。
饱和土的固结可视为孔隙水压力的消散和土骨架有效应力相应增长的过程。
非饱和土的孔隙中同时含有气体和水，固结过程中，土中水和气会发生相互作用，非饱和土要涉及两种介质的渗透性，而且非饱和土的渗透性受土的结构性影响相当显著。
这些使非饱和土的固结过程非常复杂。
由于土体内部结构复杂, 使得非饱和土体在固结变形特性上与饱和土体存在巨大差异, 同时也导致非饱和土地基在设计和施工中存在大量不确定因素。
因此掌握非饱和土体的固结变形机理, 并且有针对性的对地基沉降加以控制是目前极待解决的问题。
二、实验方案通过一维固结试验，利用实验数据整理出在分级施加垂直压力p下试件的竖向变形s与时间t的s-t曲线、试件排水v与时间t的v-t曲线以及e-p曲线，研究非饱和重塑粉质粘土在饱和度Sr=0.569下的压缩变形特性。
1.土样本实验使用重塑非饱和粉质粘土，土的压实度DC=0.9 、含水率w=12%、土粒比重Gs=2.72、最大干密度pdmax=1.92g/com，实验中的试件尺寸为Ф61.8mm×H20mm，总质量m=116.04g，其中固体颗粒质量ms=103.6g2. 实验设备本实验采用的非饱和土固结仪（如图1-1所示）由中国人民解放军后勤工程学院、电力部电力自动化院大坝所、江苏省溧阳市永昌工程实验仪器有限公司联合研制生产。
其主要结构有:2.1 压缩部件：由压缩容器、压力室座、导环、陶土板、透水板、加压帽表杆支座等组成，承放土样用。
一、 名词解释1、固结：根据有效应力原理，在外荷载不变的条件下，随着土中超静孔隙水压力的消散，有效应力将增加，土体将被不断压缩，直至达到稳定，这一过程称为~。
单向固结：土体单向受压，孔隙水单向渗流的条件下发生的固结。
2、 固结度：在某一荷载作用下，经过时间t 后土体固结过程完成的程度。
3、 平均固结度：在某一荷载作用下，经过时间t 后所产生的固结变形量与该土层固结完成时最终固结变形量之比称为~。
4、固结系数：反映土的固结特性，孔压消散的快慢，与渗透系数k 成正比，与压缩系数a 成反比，(1)v v wk e C a γ+=⋅5、 加工硬化（应变硬化）：正常固结粘土和松砂的应力随应变增加而增加，但增加速率越来越慢，最后趋于稳定。
6、 加工硬化定律（理论）：计算一个给定的应力增量引起的塑性应变大小的准则。
7、 加工软化（应变软化）：在密砂和超固结土的试验曲线中，应力一般是开始时随应变增加而增加，达到一个峰值后，应力随应变增大而减小，最后趋于稳定。
8、 压硬性：土的变形模量随围压增加而提高的现象。
9、剪胀性：由剪应力引起的体积变化，实质上是由于剪应力引起的土颗粒间相互位置的变化，使其排列发生变化，加大颗粒间的孔隙，从而体积发生了变化。
10、 屈服准则：可以用来弹塑性材料被施加应力增量后是加载还是卸载或是中性变载，即是否发生变形的准则。
屈服准则用几何方法来表示即为屈服面（轨迹）。
11、 流动准则：在塑性理论中，用于确定塑性应变增量的方向或塑性应变增量张量的各个分量间的比例关系的准则，也叫做正交定律。
塑性势面g 与屈服面f 重合（g=f ），称为相适应的~；如果g f ≠，即为不相适应流动规则。
12、 物态边界面：正常固结粘土'p ，'q 和v 三个变量间存在着唯一性关系，所以在 ''p q v --三维空间上形成一个曲面称为~，它是以等压固结线NCL 和临界状态线CSL 为边界的。
浅析饱和土与非饱和土固结理论【摘要】本文介绍了饱和土和非饱和土固结理论相关概念，阐述了饱和土与非饱和土固结理论的联系与区别，指明今后固结理论研究中应继续注重二者的联系与区别，以促进固结理论研究的成熟和发展。
【关键词】固结理论；饱和土；非饱和土引言土体压缩取决于有效应力的变化。
根据有效应力变化的原理，在外荷载不变的条件下，随着途中超静水孔压的消散，有效应力将增加，土体将被不断压缩，直至达到稳定，这一过程称为固结。
简而言之，固结即各方向承受压力的土，随着孔隙水的排出产生的压缩现象。
饱和土的固结可视为孔隙水压力的消散和土骨架有效应力相应增长的过程。
非饱和土的孔隙中同时含有气体和水，固结过程中，土中水和气会发生相互作用，非饱和土要涉及两种介质的渗透性，而且非饱和土的渗透性受土的结构性影响相当显著[1]。
这些使非饱和土的固结过程非常复杂。
目前，非饱和土固结理论的研究还处于一个不成熟的状态。
1 饱和土的固结理论透水性大的饱和无粘性土（包括巨粒土和粗粒土，或指碎石类土和砂类土），其压缩过程在短时间内就可以结束，固结稳定所经历的时间很短，认为在外荷施加完毕时，其固结变形已基本完成，因此，实践中，一般不考虑无粘性土的固结问题；对于粘性土、粉性土及有机土，均为细粒土，完成固结所需的时间较长，对于深厚软粘土层，其固结变形需要几年甚至几十年时间才能完成。
粘性土的固结（压密）问题，实质上是研究土中有效应力增长全过程的理论问题。
K·太沙基（Terzaghi）早在1925 年提出的饱和土中的有效应力原理和单向（一维）固结理论，这是粘性土固结的基本理论。
有效应力原理就是研究饱和土中的有效应力和孔隙应力的不同比值及与总应力的关系。
在工程实际问题中遇到的有许多是二维、三维固结问题，如路堤、水坝荷载是长条形分布，地基中既有竖向也有水平向的变形及孔隙水渗流，属于二维固结平面应变问题；在厚土层上作用局部荷载时，属于三维固结问题；在软粘土层中设置排水砂井时，除竖向渗流外，还有水平径向渗流，属于三维固结轴对称问题。
论饱和土与非饱和土固结理论的联系与差别黄振育（桂林理工大学，土木与建筑工程学院，岩土工程专业，102011187）摘要：简述饱和土与非饱和土的固结理论的研究概况，总结饱和土与非饱和土固结理论的联系与差别，探讨非饱和土固结理论所存在的一些特点和困难。
关键词：饱和土；非饱和土；固结理论Abstract ：This paper describes the overseas and domestic researches on the consolidation theory of saturated soil and unsaturated soil between which the correlation and difference of consolidation are summarized,further exploring and discussing the properties and difficulties in the consolidation theory of unsaturated soil.Key words ：Saturated soil；Unsaturated soil；Consolidation theory1引言在荷载作用下，土体中产生超孔隙水压力，在排水条件下，随着时间发展，土中水被排出，超孔隙水压力逐渐消散，土体中有效应力逐渐增大，直至超孔隙水压力完全消散的过程称为固结。
土体在固结过程中，随土中水的排出，土体空隙比减少，土体产生压缩，体积变小；随着有效应力逐步增大，土体的抗剪强度提高。
将饱和土的固结视为孔隙水压力的消散和土骨架有效应力相应增长的过程。
非饱和土的孔隙中同时含有水气两相，固结过程中，土中水和气会发生相互作用，涉及两种介质的渗透性，而且非饱和土的渗透性受土的结构性影响非常显著。
这些使非饱和土的固结过程非常复杂。
因此，迄今为止，还没有公认的成熟且实用于工程建设的非饱和土固结理论。
此论文仅分别简述了饱和土固结理论、非饱和土固结理论的研究概况，并简要总结分析了两者的差别与联系，以进一步对固结理论有系统的认识和理解。
2饱和土的固结理论的研究Terzaghi(1943)导出了饱和土一维固结的经典理论。
在推导过程中采用了若干假定，例如1、土是均质并饱和的；2、小应变情况；3、在固结过程中体积变化系数m v 和渗透系数K保持常数；4、水和土颗粒不可压缩。
Terzaghi(1943)在这一系列假定的基础上，建立了著名的一维固结理论，并建立了一维渗透固结微分方程，即：2v 2u u C z t∂∂=∂∂（1）式中：v C —土的固结系数0v (1)v w v wk k e C m a γγ+==在一定初始条件和边界条件下，该方程是有解析解的。
（1）式描述了固结过程中孔隙水压力随深度和时间的变化，孔隙水压力的变化引起有效应力的变化。
为了计算体积变化，可将有效应力的变化代入本构方程，而该体积变化等于从饱和土中流出的水体积。
计算出体积变化后，可用它来计算整个固结过程中土的体积—质量特性，如孔隙比、含水率和密度。
实际上，土体的固结是复杂、多向的，由于没有考虑土体的侧向排水，用一维固结理论计算出的固结速度比实际偏慢。
Rendulic 把Terzaghi 的一维固结理论推广到二维或三维的情况，提出了Terzaghi-Rendulic 固结理论，其数学表达式又称为扩散方程。
二维固结微分方程：t u z u x u C v ∂∂=∂∂+∂∂)(22222（2）式中:2v C —土的二维固结系数)21)(1(2'''2µµγ−+=w v kE C 三维固结微分方程：tu z u y u x u C v ∂∂=∂∂+∂∂+∂∂)(2222223（3）式中:3v C —土的三维固结系数)21(3''3µγ−=w v kE C 通过比较以上公式，可以看出：一维、二维、三维问题中，固结系数的形式是不一样的，而若将一维固结系数公式写成)21)(1(-1''''1µµµ−+=E k C v ）（，这样可以清楚地看出三种固结条件下的固结系数关系为3''2'1113)1(2v v v C C C µµµ+−=−=，还可以用一个统一的公式表示不同维数的固结系数，即：[])1)(21()2(1''''µµγµ+−−+=w v n n kE C （4）式中：n—维数然而，Terzaghi固结理论只在一维情况下是精确的，对二维、三维问题并不精确。
Biot 根据连续体力学的基本方程，建立了Biot固结方程。
Biot固结方程考虑了土体固结过程中孔隙水压力消散和土骨架变形之间的耦合作用，从而提出了Biot固结理论，又称为真三维固结理论。
Biot固结理论较Terzaghi固结理论更为合理完整，但计算较为困难，通常需要采用数值解法。
⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫=+∂∂−∇+∂∂⎟⎠⎞⎜⎝⎛+=+∂∂−∇+∂∂⎟⎠⎞⎜⎝⎛+=+∂∂−∇+∂∂⎟⎠⎞⎜⎝⎛+033033033222Z z u w G z G K Y y u v G y G K X x u u G x G K w v w v w v εεε（5）()0331222222=∂∂+∂∂+∂∂+∂−Θ∂z u k y u k x u k t u K w w z w w y w w x w γγγ（6）式（5）和式（6）为Biot固结理论方程式。
如果假定固结过程中总应力Θ值保持常数，则式（6）就化为扩散方程。
故Terzaghi-Rendulic固结理论可视为Biot固结理论的一种特殊情况。
在上述的饱和土固结理论的假定中土中水的渗流服从达西定律，土体变形为小变形，而且是弹性变形。
然而实际情况要复杂得多，因此，人们又将其发展延伸出了考虑土体大变形、考虑非达西渗流以及非饱和土的各种固结理论。
3非饱和土固结理论的研究非饱和土的固结是工程中常见的问题，其理论研究内容包括孔隙水压力和孔隙气压力随土体变形而变化，以及随时间增长而消散的规律。
由于建立同时适用于不同土类固结的普遍方程的复杂性，大多数研究者只是针对某种特定的土类来寻求非饱和土固结问题的解答。
由于影响因素的复杂性，研究中总是要做出某些简化问题的假定，并将其分为一维、二维和三维问题来讨论。
1941年，Boit对含有封闭气泡的非饱和土提出了一般性固结理论。
建立了两个以有效应力和孔隙水压力表达的本构方程，将应力与应变联系起来。
一个方程建立孔隙比与应力状态的关系；另一个方程建立含水率与土的应力状态的关系。
Boit理论采用的假定与Terzaghi 理论采用的类似。
对于一维固结，Boit理论得到的方程也与（1）式相似，只是固结系数经过修正，考虑了孔隙流体的压缩性。
Larmour(1966),Hill(1967)和Olson（1986）证明，使用修正的固结系数Terzaghi方程便可用来描述含有气泡的非饱和土的固结性状。
Scott(1963)将孔隙比的变化及饱和度的变化引入含有气泡的非饱和土的固结方程中。
Blight （1961）推导得出干硬状非饱和土气相的固结方程。
他在推导中使用了将质量传递与压力梯度联系起来的Fick化扩散定律。
Barden （1965,1974）提出了压实非饱和粘土的一维固结分折，用Darcy定律描述气相和液相的流动。
对于土的不同饱和度，提出了若干种独立的分析，但由于对非饱和土应力状态和本构关系缺乏了解，所以这些分析具有不确定性。
Fredlund和Hasan（1979）提出用两个偏微分方程，可以求解非饱和土固结过程的孔隙气压力和孔隙水压力。
该方程假定气相是连续的，将Darcy 定律和Frick定律分别应用于液相和气相的流动，并认为液相和气相的渗透系数都是土的基质吸力或某一体积-质量特性的涵数。
也就是说，在两个偏微分方程中包含了考虑浚透系数变化项，用两个方程联立求解。
该方法通常称为两相流方法。
Fredlund 和Hasan（1979）的公式在形式上与传统的Terzaghi―维公式类似，并在非饱和与饱和两种情况之间可以平顺过渡。
Lloret 和Alonso(1981)也提出过类似的固结方程。
上述两个偏微分方程曾用于求解压实高岭土试样由于总应力和基质吸力的变化而引起水体积和总体积的变化性状。
从两个微分方程算出孔隙压力的变化，以及由此而引起的应力状态变量的变化，然后将后者代入土结构和液相的本构方程，算出非饱和土的体积变化。
预测的体积变化与试验结果的比较表明，二者随时间的变化性状是一致的。
可惜在试验过程中没有对试样的孔隙压力变化进行量测。
1984年，Dakshanamurthy 等人将非饱和土的固结理论延伸到三维的情况。
在三维公式的推导中，将连续方程和平衡方程联立起来。
Rahardjo（1990）在特别设计的K 0圆简仪中对非饱和粉砂进行一维固结试验，仪器满足K 0加荷条件，并可在整个试样上同时测定孔隙气压力和孔隙水压力。
试验过程中还独立地量测了总体积和液相体积的变化。
结果表明，对于试验使用的该种土而言，超孔隙气压力基本上是瞬时消散的，另一方面，超孔隙水压力的消散则是随时间进行的过程。
这个过程可用流体偏微分方程近似模拟。
国内在非饱和土固结理论问题的研究中也取得了较大的进展。
非饱和土的固结理论是上世纪90年代研究的热点，李锡夔、陈正汉、杨代泉、孙长龙和殷宗泽各自独立地提出了自己的理论。
陈正汉用混合物理论研究了非饱和土的固结理论，他提出的非饱和土固结理论是一个完整的理论体系，是对土力学理论的创新；杨代泉根据非饱和土的非线性本构模型建立了非饱和土的广义固结理论；殷宗泽对非饱和土三维固结理论进行了简化，提出了非饱和土的二维固结理论；沈珠江在孔隙气的排气率等于常量的假设下，建立了非饱和土的简化固结理论，并应用于裂隙粘土中雨水入渗过程的数值模拟，得出了土体吸力丧失、有效应力降低和膨胀回弹的全过程，算例结果合理，只是孔隙气排气量的设定有待进一步研究。
其中，陈正汉和杨代泉的理论都适用于水、气各自连通的非饱和土，并可涵盖饱和土的固结理论；孙长龙和殷宗泽的理论适用于气封闭的非饱和土。
4饱和土与非饱和土固结理论的区别与饱和土相比非饱和土除了不可压缩的固相土粒和液相水外，还含有一定数量的可压缩气体。
由于非饱和土的复杂性，从而使得非饱和土在许多方面都比饱和土复杂得多，现主要从以下几个方面简要介绍两者的区别：4.1渗透性：对于饱和土，渗透性主要是透水性，一般认为土中渗流可以用达西定律来描述，此时，渗透系数基本为常量。
