双应力状态变量表示方法

利用双应力状态变量表示方法，建立了考虑干燥裂缝时吸力沿深度均匀分布和随深度线性减小两种情况下垂直切坡极限自稳高度表达式。研究表明，自稳高度 不仅依赖于土的强度，而且与基质吸力有关。一方面基质吸力提高了土的抗剪强度，从而有助于提高垂直边坡的稳定性；另一方面地表干燥裂缝深度随吸力的增大而 增大，从而吸力的增大又将削弱边坡的稳定性。与不考虑干燥裂缝情况相比，考虑干燥裂缝时垂直切坡的极限自稳高度将有所降低，这些结果对基坑无支护开挖具有 理论指导意义和工程应用价值。

  0引言基坑开挖与支护是城市高层结构工程建设中的一项重要内容.由于多数基坑工程属于临时工程，在保证安 全的前提下，应尽可能地充分发挥土的天然强度，以最大限度地减少支护工作量和降低工程造价。同时由于我国西北、西南大部分地区位于干旱或半干旱地带，大量 的公路、铁路、机场等基础设施往往直接修建在非饱和土地基上，加强非饱和土工程性质及其工程应用的研究是急需解决的实际岩土工程课题。

   非饱和土空隙中存在水与气。孔隙气压力与孔隙水压力之间的压力差称为基质吸力，这种基质吸力使得非饱和土的变形与强度特性比完全饱和土的工程特性更为复 杂.一般认为，基质吸力将提高土的强度，从而在基坑开挖中，随着吸力的增加，垂直或接近垂直边坡的自稳高度将有所增加。当在整个地下水位以上吸力沿深度为 常数时，自稳高度随吸力的增大而线性地增加；当在地下水位以上吸力沿深度线性减小时，自稳高度将随吸力呈抛物线形变化。单方面地从上述角度看，吸力固然能 提高土的强度；但从另外角度看，当吸力达到一定程度时，地表必然出现干燥裂缝，裂缝的出现势必削弱边坡的稳定性。因此可以预计，垂直切坡的自稳高度并不总 是随吸力的增大而增大，而是不仅依赖于土的强度，而且取决于土的吸力沿深度的分布模式及其所诱导的地表裂缝的综合效应。本文对此问题进行全面分析。

   1非饱和土的应力状态与强度分析一般认为，非饱和土由固体（矿物颗粒）、气体和液体（通常是水）三相组成，而实际上土中水与气体的分界面即收缩膜的性质 既不同于水，也不同于气体，有人认为应将其按第四相独立考虑。正是由于收缩膜的存在导致了表面张力的存在，从而产生毛细现象和基质吸力。其中土骨架和收缩 膜两相在力的作用下发生变形；而气体和水两相在应力梯度下发生流动。

  对于完全饱和土，根据Terzaghi有效应力原理，土的变形和强 度取决于有效应力状态变量e′为孔隙水压力。而非饱和土的变形与强度特性更为复杂，目前对于非饱和土所建议的应力状态变量已有十余种形式，其中 BishopAitchison与Jennings等所建议的形式得到了比较一致的认同与广泛应用。Fredlund等应用多相连续力学原理进行了分 析<8、9>，指出非饱和土的全面应力状态可以用3个应力状态变量，即（e-中的2个独立的应力状态变量）来表示，其中u为孔隙气压力， （u）称为基质吸力，（e-u）为总应力。双应力状态变量（e-u）以矩阵形式表示为Fredlund应用“零位”试验对其理论进行了验证。陈正汉则应用 连续介质应力理论和岩土力学公理化理论体系的基本定律，论证了用上述两个独立状态变量描述非饱和土力学性质的客观性与合理性。