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非饱和土力学强度理论的发展现状
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地球上大部分的表层土均处于非饱和状态,不仅在那些干旱和半干旱地区,就是在河、海附近地区的土层也可能处于非饱和状态,例如海洋底下含油或含气的沉积物。另外工程建设中常遇到的压实土层(如土石坝、路基、压实粘土衬垫等),也是非饱和的。与工程相联系的非饱和土问题常常出现在不同类型的土层中,尤其像膨胀土、黄土、残积土、若干红土等那些被称为“特殊土”的土类,工程问题时有遇到。在世界上有超过60%以上的国家都曾经或者正在遭受这些非饱和特殊土所带来的工程危害。据统计,其所造成的损失在美国居然超过风灾、洪灾、地震、泥石流等自然灾害损失的总和,年损失近100 亿美元[1]。面对广泛和日益严重的非饱和土工程问题,岩土工作者不得不认真应对,并就其性状和防治补救措施进行研究。早在20 世纪30 年代,即土力学成为一门独立学科后不久,土力学研究者就开始考虑非饱和土问题。70 多年的发展使非饱和土力学理论和测试技术的研究取得了重大进展[2]。
作为土力学基本框架的重要组成部分,饱和土的强度理论己经基本趋于成熟,而非饱和土在实际工程中分布更为广泛,其工程特性更为复杂,其强度理论尚不十分完善。在非饱和土力学中,应力理论和强度理论是非饱和土力学变形与稳定性分析理论及计算方法中的重要基础。因此,对于不同程度的非饱和土,必须建立合理的应力理论和强度理沦。.

土在传统土力学研究中被看作是由土颗粒、土中水及土中气三相组成的。因此,就其孔隙中充满水的程度,可以将土分为饱和土(饱和度Sr=100)及非饱和土(Sr<100)。饱和土是由土、水两相组成的,而非饱和土中除了土、水两相外,孔隙中还有其它流体(如空气、收缩膜[3]等)。因此,非饱和土被认为是由多相组成的(enstne认为非饱和土是四相体:土、水、气、收缩膜。除此之外,饱和土中孔隙水压力,大于等于零(这里认为孔隙气压力气为0),而非饱和土孔隙水压力,相对于孔隙气压力而言是负的。正是由于非饱和土与饱和土在基本组成上的差别,导致了它们在性质和工程性状上的差异,并且最终产生了非饱和土力学这一门学科[4]
到目前为止,人们对非饱和土的认识不完善。一是由于非饱和土本身较饱和土的性状复杂;二是由于经典土力学在其发展过程中将重点放到了饱和的砂、粉土和粘土以及干砂上。然而,工程实践中遇到的很多土,其性状并不符合经典土力学的原理,这里的土绝大多数是非饱和土。例如,用较干的土进行回填,随时间的推移或遇到雨水,水就可能渗入土中引起含水量变化和土的膨胀,这就有可能打破该土与周围土体结构或结构物的平衡状态,进而引起工程上的损失。相类似的问题,有膨胀土的膨胀变形、边坡的抗剪强度下降、土的重塑和压实等,这些问题引起的根源都是非饱和土中存在负孔隙压力,而这一问题是很难用经典土力学的概念加以解释的。
非饱和土力学的发展是围绕吸力这一基本概念而开展的。20世纪初,土中吸力理论概念已在土壤物理学中得到发展。土的吸力理论主要是同土一水一植物相关联而发展起来的。土的吸力在解释工程问题中的土的力学性状方面具有重要意义。围绕这一概念,不同人提出了不同的吸力概念。Frdelund等认为总吸力分为基质吸力和渗透吸力,沈珠江则提出了广义吸力[5]的概念,而汤连生则将总吸力分为湿吸力[6],和可