饱和土与非饱和土固结理论及其联系与差别

成永杰

【摘要】本文对非饱和土以及饱和土的固结理论在国内外的研究情况进行了分析和介绍，同时对非饱和土与饱和土固结理论之间的差别和联系进行了总结，并且进一步的对非饱和土固结理论当中存在的若干困难和特点进行了探讨。

【关键词】固结理论；饱和土；非饱和土；

土体当中会在荷载作用下出现超孔隙水压力，但随着时间的不断推移在排水条件下会逐渐的排除土中水，这样就会逐渐丧失超孔隙水压力，而这个过程就是所谓的固结。固结有效应力相应的增长以及孔隙水压力的消散的过程就是饱和土的固结过程。气体和水同时存在于非饱和土的空隙当中，土中的气体和水会在固结的过程中出现相互作用。由于有两种介质的渗透性涉及到非饱和土当中，因此土的结构性会显著地影响到非饱和土的渗透性，这也就导致非饱和土具有非常复杂的固结过程。有鉴于此，本文对非饱和土固结理论以及饱和空间理论的研究进行了简单的介绍。

1.饱和土与非饱和土固结理论分析

饱和土的固结理论研究主要是太沙基的有效应力原理以及一维固结理论。立足于一系列假定，太沙基將著名的一维固结理论建立起来。而伦杜里克又对太沙基的一维固结理论进行了一系列的推广，建立了二维或三维的情况，也就是所谓的扩散方程。作为工程中常见的一个问题，非饱和土的固结理论研究内容主要包括随着土体变形孔隙气压力以及孔隙水压力发生的变化，以及伴随着时间不断的增长而不断消散的规律。因为立足于在不同土类固结都适用的普遍方程的复杂性，所以大部分研究者在对非饱和土固定问题的解答寻求答案时都是针对某种特定的种类来进行的，鉴于非常复杂的影响因素，因而某些简化的假定在研究当中非常多见。从上世纪六十年代国外就开始对非饱和土固结问题进行研究，弗雷德隆德关于非饱和土的固结理论是其中最为流行的。弗雷德隆德立足于对“相”的定义，因此采用了四相系的方式对非饱和土进行了研究，也就是在土粒、气以及水之外，又添加了一个水气分界，将其看作是第四相，同时还将其称为收缩膜。我国的学者在假设孔隙气的排气率等于常量的情况下，将非饱和土的简化固结理论建立起来，同时还在雨水入渗裂隙粘土中这一过程中进行了数值模拟，最终将土体膨胀回弹、有效应力降低以及吸力丧失的全过程得出来[1]。

2.饱和土与非饱和土固结理论之间存在的联系性

非饱和土和饱和土的固结理论具有紧密的联系，在饱和土固结理论的基础上，非饱和土的固结理论属于进一步的深化。大部分的学者都是立足于饱和土固结理论，从而对非饱和土的固结理论进行进一步的研究。一些学者立足于毕渥理论，但是只对孔隙水运动进行了考虑；还有一些学者立足于太沙基固结理论，对孔隙水运动以及孔隙气运动运动进行了同时的考虑，从而对孔隙气压力消散方程以及孔隙水压力消散方程进行同时求解。比如太沙基固结理论在经过一定的推广之后就会得出弗雷德隆德的固结理论，两者的计算公式在一定程度上具有类似性，同时还可以在饱和与非饱和这两种状态之间实现平稳的过渡。还有一些学者在非饱和土力学的研究当中对饱和土力学的有关理论进行了借鉴，比如毕晓普、威廉姆斯、克戎以及布莱克等就在非饱和土的研究当中引进了饱和土的有效应力原理，从而将非饱和土的有效应力理论提了出来，同时还用来对非饱和土的强度问题加以解决[2]。

在饱和土理论当中可以求到非饱和土固结理论当中必须的大部分的参数，比如采用非饱和土干缩-湿胀曲线与饱和土压缩-回弹曲线进行对比试验就能够将非饱和土当中随吸力或饱和度折减系数χ的变化求出来。

在某种程度上可以将非饱和土的一个特例看作是饱和土，比如某些学者的非饱和土固结理论除了将饱和土的固结理论涵盖了之外，同时还在水、气各自连通的非饱和土中适用。

3.饱和土与非饱和土固结理论之间存在的差异性

3.1压实原理的差异

通常只有利用排水固结才可以减小饱和土当中的孔隙比，从而实现压密的目的；而在非饱和土当中可以首先将土体空隙中的空气拍出来，重新排列土颗粒，这样就能够使土体孔隙比得以减小，从而使土的压缩性得以减少，并且使土的强度得以提升。

3.2固结机理的差异

在荷载作用下饱和土以及非饱和土的固结机理之间具有十分明显的差异，对于水和气都包含在非饱和土空隙中，土中水与气在固结的过程中会发生相互作用，同时还与水和气的渗透性具有密切联系，气体具有非常高的压缩性，而且还会有部分气体在压缩的过程中在水中溶解，因此相对饱和土而言，饱和土的渗透性以及压缩性等非常复杂。比如饱和土在受压的瞬间，不能够将水及时排出，然而又不能够压缩水，所以水就承担了其中的全部荷载，土骨架除了不会受力之外，同时也不会变形。而荷载随着水位的不断排出就会向着土骨架逐渐转移，然后慢慢压缩土体。非饱和土在受压的时候，气体在孔隙当中会马上压缩，而且土骨架也会马上由于受力而产生变形。所以在施加压缩的一瞬间，土骨架、气体以及水共同起到了承担作用[3]。

3.3“相 ”的差异

饱和土只存在着二相，也就是液相和固相；非饱和土则一共包括三相，也就是气相、液相以及固相，在弗雷德隆德的理论当中还将非饱和土看做为四相，而第四相就是土中水与气的分界面。作为一个比较复杂的物理-化学界面，第四相会对饱和土产生什么样的影响仍然没有明确的答案。

4.结语

我们可以从上述的分析当中发现，非饱和土的固结理论以及饱和土的固结理论之间具有紧密的联系，对饱和度理论的进一步深化就是非饱和土理论，然而因为非饱和土具有一定的复杂性，因此其固结问题相对于饱和土而言也具有非常大的复杂性。现在关于非饱和土固结的理论研究仍然在不断的发展当中，因此仍然需要广大的学者对其进行进一步的探索，从而最终有效的推动非饱和土的固结理论以及饱和土的固结理论的不断发展。

参考文献：

[1] 查甫生，刘松玉，杜延军，崔可锐. 非饱和黏性土的电阻率特性及其试验研究[J]. 岩土力学. 2012（08）

[2] 曹雪山，殷宗泽，凌华. 非饱和土受压变形的简化计算研究[J]. 岩土工程学报. 2013（01）

[3] 李雄威，冯欣，陈建斌. 大气作用下非饱和土湿热性状的计算模型与分析[J]. 常州工学院学报. 2013（05）