简析饱和土与非饱和土固结理论

李向群 刘 帅

（吉林建筑大学 测绘与勘察工程学院， 吉林 长春 130118）

0 引言

近些年，随着我国基础建设的大力推进，人们对岩土工程行业的技术提出了更高的要求。土固结问题在工程实践当中随处可见的，而土的固结理论的研究对建筑物沉降、地基稳定以及地基的设计与处理都有指导性的作用。土体在外力作用下土体受压收缩并伴随着水从孔隙中排出，土骨架在孔隙水压力的作用下发生变形并缓慢的趋于稳定，这就是固结的过程。在土体结构内部土骨架有效应力的增加过程和孔隙水压的消散的过程可以看作饱和土的固结过程。对非饱和土而言，气体与水同时存在土的孔隙当中，其固结过程是水与气之间的相互作用。由于孔隙水非饱和土中的渗透性、孔隙气的渗透性以及土中的水分与土体结构的影响，这些因素将极大地影响非饱和土固结的研究。目前，在实践当中还没有发现有成熟与适用的非饱和土固结理论，故在未来对非饱和土固结这个领域的研究还是非常有意义的。

1 饱和土固结理论研究

饱和土实质上是在土体结构内部土颗粒周围的孔隙被水充满的二相体系。对于透水性好的饱和土（沙土、碎石头），其变形所经历的时间段短，可以认为在外荷载施加完毕时，土体的结构就已经趋于稳定了。如果对于透水性好的软粘土而言，其固结变形需要几年甚至几十年才能完成。人们普遍的认为土力学学科的诞生是基于太沙基固结理论和有效应力原理的提出。太沙基固结理论与有效应力原理都是由美国著名的土力学家太沙基所证明推广得到并且得到了岩土工程界学者们的认可。太沙基理论是立足于一系列假设（土骨架不发生变形、渗透系数A 是常量等）的前提下才建立的。当对饱和土施加压力时，土体的孔隙水主要沿着竖向渗透，因此太沙基理论是一维固结理论。后来的学者在太沙基一维固结理论的基础上进行推广，得到了二维和三维的情况。对于长条形分布的堤坝在荷载作用下的，其空隙水主要沿两个方向渗流，属于二维固结问题。在今后随着岩土工程研究者们在太沙基的基本假定的不断修正与完善条件下，饱和土的固结理论的研究将会有更深的突破。

2 非饱和土的固结理论的研究

在外荷载作用下土体内部骨架发生收缩，孔隙气压力、孔隙水压力发生变化，还有在随着时间的推进孔隙水压力和空隙气压力逐渐消散的规律，这些内容就是非饱和土固结理论要进行研究的。在非饱和土结构内部土颗粒周围的孔隙中充满了液态水和空气，气体同时又具有良好的压缩性，故在受到作用下气体会收缩，还有一部分气体会溶于水中，这会导致对非饱和土的固结研究的困难加大。在上个世纪六十年代外国的费雷得隆的理论广受学者们的认可。费雷得隆认为非饱和土不是三相体系，而是四相体系。他认为土体的孔隙中水与气的交界面也是一个体系，此相称为收缩膜，这一相对非饱和土的固结影响还没有得到明确的回答。土体在干到湿和湿到干轮回的过程中达到相同的含水量时，渗透性并不一样，则土体的渗透性并不是单受含水量来控制的，因此，对渗透系数的测定并不是一件容易的事情。饱和土固结理论是遵循土体的变形是连续的这一假设的前提下推广而得到的，对于非饱和土而言，土体内包含的气体具有良好的压缩性并且部分气体可溶于水，因此非饱和土很难严格的满足连续性这个条件。已上述的陈述都是对建立非饱和土固结模型所拥有的困扰。到目前为止，也没有一个被岩土工程界所认可的非饱和土固结理论[1]。

3 饱和土与非饱和土固结理论的联系

饱和土的固结与非饱和土的固结有十分相似之处，不仅是土骨架结构体系收缩，同时也是土骨架结构体系承当应力出现增加的过程。饱和土与非饱和土的固结理论之间的关系非常的密切，非饱和土固结理论是饱和土固结理论的进一步研究和扩展。如有一些学者是在毕渥理论的基础上，对土体孔隙中的水运动和气运动同时的考虑，然后可以对孔隙水压消散方程与孔隙气压消散方程进行同时的求解。著名的如费雷德隆得的固结理论不也是在太沙基一维固结理论的基础上经过一番的延伸推广才得到的。在给定状态的土，由干到湿和湿到干达到相同的含水量时，渗透性并不一样，再者，土的结构性对渗透系数的影响是相当显著，因此，测定渗透系数，并且为确保土的结构性不受影响，需要非常规则的测试技术。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的理论进行了借鉴，例如毕晓普，威廉思慕等就在非饱和土的研究中引进了饱和土的有效应力原理，则就将非饱和土有效应力理论提出来了，同时还能对饱和土的强度问题加以解决[2]。

4 饱和土与非饱和固结理论的区别

4.1 固结机理差异

在外荷载的作用下，饱和土与非饱和固结的理论有很大的差异。非饱和土的孔隙中包含水和气这两相，土体外荷载的作用使土孔隙中的水与气这两种流体发生运动，因此在固结的过程中土孔隙中水与气会发生相互作用，气体具有非常高的压缩性，然而会有一些气体在压缩的过程在水中溶解。其实非饱和土固结的过程就是土体结构内部各个要素的调整变化，也是为了适应土体孔隙中的水、气这两相运动的过程。饱和土在固结过程中，土体受压的瞬间，孔隙中的水不能够及时将水排出，然而水又没有可压缩性，则水就承担了结构内部全部的荷载，此时土骨架即不受力也不发生变形。当非饱和土受压时，气体在孔隙中会立马被压缩，土骨架也会产生变形，故在施压那一瞬间，则外荷载由水、气体、土骨架共同来承担[3]。

4.2 “相”的区别

饱和土只有固相（土颗粒）和液相（孔隙水）组成的两相体系，非饱和土是由土颗粒、液态水、气体组成的三相体系。在目前的研究得到非饱和土是四相体系。第四相是收缩膜，也是一个水气交界面，此相对非饱和土的影响在目前还没有明确的定论，还需要科研工作者们进一步的深入研究。

4.3 渗透性

饱和土的孔隙被液体水充满了，其渗透性就是指介质水的渗透，大多数情况下饱和土体内部的渗透情况可以用达西定律来描述，此时的渗透系数K 为常数。 而对于非饱和土的渗透性，其渗透性是指渗水与渗气的特性，而这两者的特性不仅都于土的密度、饱和度、结构等有关，还与渗水的水力梯度、渗气的压力梯度都有直接的关系。当土体存在于给定的状态时，土体由干到湿和湿到干达到相同的含水量时，渗透性是不同的，并且土的结构性对渗透系数的影响是显著的，因此，要测定其渗透系数并不是一件容易的事情[3]。

4.4 固结的连续条件

饱和土固结理论是严格的基于土体的变化是连续的基本假设。对于非饱和土而言，是很难严格遵循土体变化是连续的的条件。主要是因为非饱和土孔隙中的气体具有良好的可压缩性，如果气体与外界相联通，则一部分的气体会被排出，而未被排出的气体在外荷载的作用会使其体积与密度发生变化，于此同时还有一部分气体会溶解于水中。

5 结语

通过以上的回顾和分析，饱和土与非饱和土的固结理论之间的关系是慎密的，在饱和土固结理论的基础上，进一步扩展了非饱和土固结理论。在未来的岩土工程这门学科土的固结理论领域研究当中，学者们应该继续注意饱和土与非饱和土固结理论的异同点，以更好的促进土固结理论研究的成熟与发展。