非饱和土的六相模型与广义应力框架

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对于成分复杂且宏观离散的岩土材料,不能简单借鉴单相连续介质力学中的应力定义,因而Terzaghi提出了饱和土有效应力原理,被誉为现代土力学的基石。但拓展至非饱和土时,碍于复杂的相间作用,有效应力原理面临诸多挑战,迄今仍是土力学研究的热点问题。为探寻非饱和土中具有明确物理本质的应力体系,首先从合理建模入手,将非饱和土细分为土颗粒、胶结物质、固态孔隙水、液态孔隙水、收缩膜和孔隙气,提出了非饱和土6相模型,明确了饱和与非饱和土的本质区别是承载结构和孔隙流体相数的差异,而两者的承载结构分别是广义土骨架和广义土结构。基于承载结构的共性,定义了一组能够定性表征结构特点的指标体系,称为广义结构性。进一步,逐一分析孔隙流体、固态水、胶质和收缩膜对颗粒骨架的力学作用机理,为建立广义应力框架奠定了基础。基于6相模型,将土分为承载结构与孔隙流体,采用分相平衡分析法,论证了Terzaghi和Bishop有效应力公式的本质是应力关系公式,即用于混合单相模型和多相介质模型的两套应力指标间的置换关系,其中有效应力的物理意义是荷载土骨架应力,而中性应力的物理本质是孔压应力;若仅考虑外荷载的影响,则传统有效应力公式可理解为承载结构和孔隙流体对外荷载的分担关系。由于中性应力具有明确的物理意义,因而无论饱和与否,有效应力公式均为总应力、有效应力和中性应力的关系,并不涉及净应力、基质吸力和吸应力等概念。但应力关系公式仅能反映外部荷载的作用,荷载土骨架应力亦非控制土体强度与变形的唯一应力。鉴于应力关系公式仅能体现孔隙流体相数差异,因此,定义了粒间预应力,用以描述土体承载结构的差异,其是固态水、胶质和收缩膜3相提供的粒间联接作用的宏观统一表征。将粒间预应力与应力关系公式相结合,得到了具有明确物理意义的广义应力框架,能够统一考虑内、外部因素对土体力学性质的影响。此后,分析了中性应力的力学作用机理,归纳总结了非饱和土中全部应力指标的物理本质,进而揭示了真正控制土体强度与变形的“有效应力”是土骨架总应力:对于仅考虑机械荷载的静态问题,其包括自重、外荷载、孔隙流体压强和粒间联接作用所分别引起的重力土骨架应力、外力土骨架应力、压强土骨架应力和粒间预应力。最终,提出了以广义应力框架为核心的非饱和土广义应力原理,分析了 Mohr-Coulomb强度参数与土体相间作用机理的内在联系,给出了基于广义应力框架的抗剪强度公式。
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