非飽和土是指土壤孔隙由水和空氣填充，即飽和度小於100時但大於0時的土壤。非飽和土在自然界廣泛地存在，真正的飽和土在 自然界是很少的，尤其在乾旱與半乾旱地區，由於受氣 候條件的影響，存在著若干種具有特殊性質的土類，如 膨脹土、崩解土（黃土等）、殘積土等，統稱為“特殊土”。 它們均具有非飽和土的基本特性，即土體內通常存在著吸力。這種特徵在膨脹土中表現得尤為明顯和重要。
基本介紹
- 中文名：非飽和土
- 外文名：unsaturated soil
- 學科：工程地質學
- 性狀：氣水特徵
- 分析軟體：midasgts
- 特徵：強度、滲透性、變形等
簡介,非飽和土的性狀,特徵,強度特徵,滲透性特徵,變形特徵,測試難點,工程意義,
簡介
非飽和土是一種三相土，與飽和土不同，非飽和土中不僅有固相（土粒及部分膠結物質）和液相（水和水溶液），而且還有氣相（空氣和水汽等）存在。氣相的存在使土的性質大為複雜化，它的基本特性與飽和土有所不同，這些特性給非飽和土工程性狀的研究帶來了許多困難，以致目前對非飽和土基本性質的研究仍不很成熟，而非飽和土的理論原理和計算方法以及它們介入工程的程度則還處於初步階段。
一般認為土壤由固相（土壤顆粒）、液相（土壤水）和氣相（土壤所含氣體）三相構成，在土壤顆粒空隙完全由液相填充，即水占土壤空隙的比例為百分之百時該土壤稱之為飽和土。反之，土壤孔隙由水和空氣填充，即飽和度小於100時但大於0時，該土壤為非飽和土。
基質吸力為研究非飽和土特性的一個重要參數，基質吸力多用於描述土體雨水入滲的能力，比如大壩土體入滲、降雨入滲，其可通過水土特徵曲線描述——試驗測得土中基質吸力與土體體積含水率變化的一組數據表示。
常用的分析非飽和土的軟體有midasgts、geostudio、ansys及ABAQUS，Seep3D。
非飽和土在自然界廣泛地存在，真正的飽和土在自然界是很少的，尤其在乾旱與半乾旱地區，由於受氣候條件的影響，存在著若干種具有特殊性質的土類，如膨脹土、崩解土（黃土等）、殘積土等，統稱為“特殊土”。它們均具有非飽和土的基本特性，即土體內通常存在著吸力。這種特徵在膨脹土中表現得尤為明顯和重要。因此，非飽和土理論就越來越密切地介入到膨脹土的研究中。這樣不僅增加了膨脹土研究的活力，開闊了探索的視野，而且鑒於非飽和土力學的理論框架已有一定進展，也使今後膨脹土研究有了比較堅實的理論基礎，從而使研究向著更加理性化的方向發展。
非飽和土的性狀
土體中含有氣體使非飽和土的性質遠比兩相的飽和土複雜，飽和土的某些原理對非飽和土不再適用，或者需要重新論證。弄清非飽和土的基本性狀和工程性狀及其主要影響因素，在此感性認識的基礎上進行性質抽象和關係抽象，建立非飽和土研究的基本思路，探索在工程中考慮這些性狀的本構關係和定性的、定量的分析方法，提出合理的計算公式，選擇合適的特性參數試驗方法（尤其是吸力的量測技術），確定各特性參數量值的範圍，並將分析結果在實踐中進行驗證和修正等：這些就是非飽和土力學研究的主要任務。
非飽和土體中存在著大小和形狀多變的孔道體系，當水分很少時，水分只能占據細的“狹頸”孔道，且互不連續，這時氣相與外界大氣連通（平衡）。這種狀態在俞陳劃分法中稱為“氣開敞”。另一種與此相反，當土中的水分很多時，液相不僅占據了全部小孔道，而且也占據了大孔道，氣相被液體分割包圍，形成弧立氣泡懸浮於液體中，氣相完全被封閉，與大氣不能連通，固液氣三相的界面現象消失，這時，非飽和土與飽和土的性狀差別主要在於前者孔隙中的液體是可壓縮的，而後者孔隙中的液體不可壓縮，此即為氣相的“完全封閉狀態”。上述兩種情況比較極端，也比較簡單，介於上述兩階段之間的形態，則要複雜得多。對此，有不同的劃分法，三階段劃分法將其稱為“雙開敞”階段，即氣相和液相均向大氣開敞的意思，但這樣劃分似乎過於簡單化了。事實上，“雙開敞”的形態是一個很不穩定的階段。當水分從“氣相完全連通形態”增大時，土體中的部分不連續水相可以逐步地接續起來，並與外界相通。但這種情況只是部分發生，其餘部分仍保留著氣相與外界（大氣）連通的狀況。在這一階段，土體受壓後的變形將是相當迅速的。這階段在“四形態的劃分”中稱之為“氣相的部分連通形態”。當土中的水分繼續增多時，不連續水的接續現象會繼續發展和漫延，由於毛細水的遷移，在土體的表部首先將會形成連續的水膜，從而把氣相與大氣暫時隔離開來。這時，氣相僅在土體內部存在連通現象，它在四形態劃分中稱為“氣相的內部連通形態”。研究表明，非飽和土處於“內部連通”與處於“部分連通”時的性狀將有顯著的不同。在上述四種形態中，不言而喻，部分連通與內部連通兩種形態將是非飽和土力學的主要研究對象。因為對於完全連通狀態，可以看作“乾土”，問題比較簡單；而對於完全封閉形態，則可將它簡化為內部充滿可壓縮流體的飽和土，許多飽和土的成果可以延伸和利用，故不是非飽和土研究的重點。
特徵
強度特徵
非飽和土與飽和土在力學方面最大的區別是吸力的存在，吸力使得非飽和土性質與飽和土有較大不同，對非飽和土的變形和強度有很大影響，吸力的存在會提高非飽和土的強度。吸力是土體內部土顆粒的表面與孔隙內的水和氣相互作用而產生的，與外荷載作用沒有直接聯繫。總吸力通常包含基質吸力和溶質吸力兩部分。當不考慮土體中孔隙水化學濃度變化時，溶質吸力的影響可以忽略，此時主要關注基質吸力。基質吸力主要受水-氣交界面（即張力收縮膜）的影響，並且與飽和度的變化密切相關，常用土水特徵曲線來表征。基質吸力一般又由兩部分組成：毛細部分和粘吸部分。毛細部分吸力，對非飽和土的性質和行為有兩種作用或影響：①吸力的變化會引起非飽和土的平均骨架應力的變化（通過孔隙內流體的平均壓力的變化引起）。②由於毛細水表面的拉力提供了顆粒之間的附加拉力，因此形成了土顆粒之間的一種黏聚力。
1、吸力對抗剪強度的影響
通過大量學者對非飽和土抗剪強度問題的研究和試驗，可以觀察到兩個基本趨勢：一是抗剪強度會隨著淨法向應力的增加而增加；二是抗剪強度會隨著基質吸力的增加而增加。但是，淨法向應力往往比吸力的作用更加明顯。
2、吸力對抗拉強度的影響
雖然土體抗拉能力相對較弱，但土特別是非飽和土仍然可以承受一定的拉力，具有一定的抗拉強度，且這種抗拉強度在一些工程問題中非常重要。當抗拉強度不足時，在拉應力的作用下土體會出現開裂，會對土工建築物產生極大的危害。非飽和土的抗拉強度來源於顆粒材料內部的黏聚力，黏聚力的產生源於土體內部的各種物理化學作用力。這些作用力中，一類是在飽和土中就存在的，如范德華力、雙電層引力或排斥力、溶質沉澱引起的膠結力等。另一類作用力只有在非飽和土中才存在，即表面張力引起的毛細作用，它受含水量或飽和度的影響非常大。
滲透性特徵
在非飽和土壤中，因土壤孔隙中部分充氣，導水孔隙相應減少，因而導水率也相應減少。由於在吸力作用下，土壤水首先從大孔隙中排出，隨著吸力的增加，水流僅能在小孔隙中流動。所以，土壤從飽和到非飽和，其滲透性將急劇降低。將飽和土達西定律延伸至非飽和水流中，實踐證明達西定律也適合於非飽和土中水的流動。但是非飽和土滲透係數不能假定為常數，同時受到土的孔隙比和飽和度變化的強烈影響，是體積含水量的函式。
變形特徵
非飽和土是一種三相的多孔鬆散介質，三相之間不僅具有力學效應複雜多變的收縮膜，而且還存在氣、固與固、液之間的電化學作用和物理作用以及它們物理性態變化的影響，這樣一種複雜介質結構的單元體受到附加應力作用時，一方面固、液、氣三相及收縮膜構成的結構發生變化，最終抵抗附加作用應力；另一方面伴隨著結構的體縮，存在液、氣相在結構孔隙中的運動。前者不僅包含土粒構架，而且包含了液固間的電化學加固作用、氣液固之間的收縮膜加固作用等，它們構成了非飽和土的骨架結構系。結構系中各種要素的調整與變化在於抵抗附加應力作用；後者是指結構系體縮過程中液、氣相在結構系孔隙中運動，以便適應土骨架結構系中各種要素的調整變化。因此，非飽和土的固結過程實際上是土骨架結構系中各要素調整變化的過程，也是適應這種變化液、氣相在結構孔隙中運動的過程。
非飽和土的固結同飽和土的固結相似，也是土骨架結構系體縮，結構系孔隙中液、氣相運動的過程；也是土骨架結構系承擔應力增長，液、氣相運動驅動壓力消散的過程。
測試難點
非飽和土的測試的難點有以下5個方面：
①非飽和土是固–液–氣三相複合介質，水氣的賦存形態有水連通–氣封閉、雙開敞（各自連通）、氣連通–水封閉等多種情況，測試內容大大增加，且要求各相的應力和變形分別獨立控制、量測。其中孔壓包括水壓和氣壓，滲透性包括水的滲透性和氣的滲透性，擴散現象包括空氣在水中的擴散和水蒸氣在空氣中的擴散，狀態變數包括應力、應變、吸力（包括基質吸力和溶質吸力）、飽和度（或體積含水量、重量含水率）和溫度等，本構模型包括土骨架、水、氣（如狀態方程）的本構關係，強度及水氣運動規律等，試驗方法（應力路徑）有數十種之多；
②吸力變化範圍很大（從0～106kPa），大於80kPa的基質吸力的直接量測很困難（發生氣穴、汽化現象）；
③土樣體變小、水的流速低，土樣中狀態量達到均衡的時間要很長，要求量測精度高、連續測試的時段長，試驗歷時從幾小時到幾天、幾周，甚至幾月、幾年。動載作用下的測試數據幾乎不能代表土樣實際情況；
④氣相壓縮性大，不僅無孔不通，而且還能通過橡皮膜擴散，在土樣水分中溶解與擴散，干擾排水量的量測，並大大增加了土樣體變數測的難度（不能像飽和土那樣由測排水量代替測體變）；
⑤特殊土的特殊性質的測試（如濕陷性、脹縮性、負摩擦、微細結構及其損傷演化對變形強度滲透性的影響）有特殊要求和難度。
慶幸的是為了探討非飽和土與特殊土的性質，許多學者進行了不懈的努力，研製出了形形色色的儀器設備。
工程意義
1、路堤及土壩工程填築中的孔隙壓力
堤壩等工程在建造過程中孔隙壓力的消散過程不能用經典土力學理論來說明。堤壩的變形由於孔隙氣體的存在而發生變化，若仍由飽和土力學理論來指導施工，勢必影響填築質量或施工進度。堤壩運行後，水位變動會使孔隙水、氣的比例發生變化，從而使土體的固結、強度和滲流等情況都與飽和土力學理論所闡明的不同。
2、邊坡穩定
天然邊坡的穩定狀態隨時間、氣候條件等因素髮生變化，對常規的邊坡穩定分析方法提出疑問。對長時間降雨後出現的滑坡的機理分析以及預測預報等均應當考慮土體含水量變化的影響。
3、深基坑等豎直挖方中的支護措施設計。
深基坑支護設計及穩定分析應當考慮地下水位的變動影響。由於開挖使得地下水位降低，基坑土體在一定範圍內成為非飽和土，短期內使土的抗剪強度增加，但隨著時間的增長，土中吸力又會使非飽和區域孔隙水壓力上升，強度衰減，最終導致基坑失穩。此外，孔隙水壓力的變化也會引起基坑周圍建築物的不均勻沉陷，分析這種沉陷過程也需要用到非飽和土的固結理論。
4、擋土牆和樁頂地樑上的側向土壓力計算。
常規主動、被動土壓力計算公式中，土的抗剪強度是按飽和土考慮的，這與實際工程中牆后土體通常處於非飽和狀態是不相符的。此外，還應當考慮牆后土體浸濕作用所產生的附加側向土壓力。
5、膨脹土及黃土的變形分析及強度參數。
膨脹土與黃土均是易受水份影響的土類。膨脹土的脹縮變形，內因是土體的礦物成分和天然結構，外因則是降雨、氣候或地下水的共同作用。膨脹土的脹縮性、裂隙性和超固結特性，實質上均與土體內部孔隙變化及水、氣比有關。膨脹土水份變化由孔隙氣、水相互作用所控制。研究膨脹土、黃土等非飽和土的變形及強度問題，必須探討孔隙氣、的影響，如果簡單地將其視為飽和土，必然水導致理論分析上的重大失誤。這方面較典型的問題之一是:膨脹土的抗剪強度是變動的，乾、濕強度相差極大，設計值怎樣取定，有待研究。
