基于微观结构的非饱和土有效应力

本文描述并比较了当前非饱和土应力状态变量的备选方案，重点关注有效应力的应用。关于刚度和剪切强度随吸力演化的实验数据表明，吸力对有效应力的贡献比例通常远小于Bishop型有效应力表达式中通常采用的“吸力乘以饱和度”项所预测的值。研究表明，非饱和土中的有效应力应与土体微观结构相关。有效饱和度被定义为描述部分填充土体大孔隙的水体积。该有效饱和度界定了当前吸力中实际对有效应力产生贡献的比例。针对有效饱和度提出了两种备选表达式（分段线性和非线性），二者表现出相似的性能。对从显著的粒状材料到高塑性黏土等几种不同土体关于刚度和剪切强度随吸力变化的现有数据进行了分析。分析结果支持了所提出的有效应力微观结构解释。事实上，对于粒状土，有效饱和度几乎等于总饱和度，因此恢复了通常用作有效应力的Bishop型表达式。随着土体塑性增强，自由水比例降低，吸力对有效应力的贡献也随之减小。在极限情况下，当自由水比例可忽略不计（高吸力值下的高塑性黏土即属此类情况）时，所提出的有效应力简化为净应力（总应力超出孔隙气压力的部分）。如果已知特定土体中束缚水量的相关信息，则可确定所提出的有效应力方程。保水或孔隙测定数据可提供此类信息。通过将本建议与独立获得的高塑性黏土束缚水信息进行对比，证实了这一点。