发布时间：2022-04-21所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘 要：对非饱和土与特殊土力学及其工程应用的近期进展做了全面系统的总结，内容包括仪器研发、基本特性、理论模型和工程应用。对非饱和土的应力理论和本构模型及缓冲材料的热力学特性等前沿科学问题做了重点阐述。在非饱和土的基本问题研究进展方面，详细讨论了持水特
摘 要：对非饱和土与特殊土力学及其工程应用的近期进展做了全面系统的总结，内容包括仪器研发、基本特性、理论模型和工程应用。对非饱和土的应力理论和本构模型及缓冲材料的热力学特性等前沿科学问题做了重点阐述。在非饱和土的基本问题研究进展方面，详细讨论了持水特性、水气运移特性、结构演化、强度特性、应力理论、本构模型和数值分析;在特殊土研究进展方面，涉及 16 类土，主要介绍了我国广泛分布的黄土和膨胀土及用于高放废物地质处置库的缓冲材料，对其土压力、增湿变形、蠕变特性、浸水试验、边坡、动力特性和地质灾害等有关问题作了详细讨论;在非饱和土与特殊土力学的应用方面，介绍了两方面的进展：理论成果的工程应用和实用技术的研发;文末对今后的研究工作提出了若干建议。
关 键 词：非饱和土与特殊土;工程应用;研究进展
1 引 言
近 10 余年来非饱和土与特殊土力学及工程应用的研究在我国取得了长足的发展。随着西部大开发战略、城镇化战略和“一带一路”战略的实施，工程建设中遇到的非饱和土与特殊土的种类和问题急剧增加(涉及黄土、膨胀土、填土、冻土、红黏土、盐渍土、膨润土、残积土、垃圾土、分散性土、冰水堆积物、红砂土、珊瑚砂、文物土、可燃冰和月球土等 16 个土类)，研究队伍迅速扩大(如有 92 个单位的 392 名代表参加了 2013 年 10 月在重庆召开的第 1 届全国非饱和土与特殊土力学及工程学术研讨会，118 个单位的 612 名代表参加了 2017 年 7 月在兰州召开的第 2 届全国非饱和土与特殊土力学及工程学术研讨会)，研究方法多种多样，形成了多个特色明显的研究方向、研究团队和人才聚集高地，呈现出“百花齐放、百家争鸣、和而不同”的欣欣向荣局面，在试验设备、基本特性、理论模型和工程应用等方面取得了丰硕成果。
21 世纪以来，已有多篇论著阐述了非饱和土与特殊土研究的进展情况，如邢义川的“黄土力学性质研究的发展和展望”[1]，谢定义的“试论我国黄土力学研究中的若干新趋向”[2]，包承纲的“非饱和土的性状及膨胀土边坡稳定问题”[3]，殷宗泽等的“非饱和土的本构关系及变形计算”[4]，谭罗荣等的“特殊岩土工程土质学”[5]，陈正汉等的“非饱和土与特殊土测试技术新进展”[6]，陈正汉的“非饱和土与特殊土的工程特性和力学理论及其应用研究”[7]，孔令伟等的“特殊土与边坡技术发展综述”[8]，陈正汉等的 “非饱和土的应力状态变量研究”[9]、赵成刚等的“非饱和土力学中几个基本问题的探讨”[10]，陈正汉的 “非饱和土与特殊土力学的基本理论研究”[11]等。本文可以看作是上述文献的继续和补充。
本文以介绍我国学者的研究成果为主，在理论研究方面吸纳了国际同行的成果。全文共 16 节。第 2～8 节内容属于非饱和土与特殊土的共性部分，包含了对重塑土、黄土、膨胀土和红黏土的相应研究成果。第 9～14 节对各种特殊土的研究进展进行逐一介绍，其中第 9 节介绍缓冲/回填材料的研究进展，这是近年来国内外研究的特色方向之一，故予以优先介绍。第 15 节介绍研究成果的工程应用和实用技术方面的进展。笔者对文中某些方面表达了自己的浅见(如持水特性、试验设备、应力状态描述、数学模型等)，文末(第 16 节)对国内近十余年来的发展做了简要总结，对今后的研究工作提出了若干建议。
限于篇幅，文中主要列出 2010 年及以后发表的参考文献。对文中涉及到 2010 年以前的工作，除部分标注参考文献外，其余只列出相应的年份而不标注参考文献。
2 非饱和土与特殊土的持水特性
2.1 传统土-水特征曲线
吸力和水分的量测技术关系到非饱和土力学的发展和应用。TDR 技术因其安全、快捷等优点在水分量测方面已经普及，但在高基质吸力的量测技术方面，国际上仍停留在 20 世纪 90 年代帝国学院研制的高量程张力计的水平上(可测得低于 1 500 kPa 的基质吸力，平衡时间约为 5 min)。有的学者采用核磁共振仪测定含水率和含冰量，但用于土工的相应设备稀缺，费用高，不便推广。
文献中常以土-水特征曲线上的两个特征点(进气值、残余吸力值)把其划分为 3 段(边界区、过渡区、残余区)，并建议了多个经验公式和多种预测土-水特征曲线的方法。事实上，上述对土-水特征曲线的划分是理想化的，由于土类和影响因素繁多，各自的土-水特征曲线形态千差万别，削足适履、生搬硬套是不足取的。孙树国等[12]曾用改进的压力板仪测定了 3 个场地土样的土-水特征曲线，包括小浪底大坝斜心墙填土(粉质黏土，干密度为 1.64 g/cm3 )、宁夏扶贫杨黄工程 11 号泵站的原状 Q3 黄土(干密度为 1.29 g/cm3 )和北京粉质黏土(干密度为 1.67 g/cm3 )，吸力从 0～800 kPa，历时 68 d，在 3 条曲线上均未见所谓的特征点或特征段。类似的情况在文献中亦不少见。因此，确定土-水特征曲线最可靠的方法目前依然是试验。
改进仪器、减少误差是必要的，孙树国等[12]在这方面做了有益的工作。李顺群等[13]探究了轴平移技术对持水特性的试验误差的影响，发现当轴平移技术施加的基质吸力在 10 个大气压之内，较高压力环境和 1 个大气压环境对应的基质吸力之比的变化范围在 0.998～1.000 之间，即轴平移对基质吸力的量测结果影响不大，对于砂土更是如此。Wang 等[14] 建议采用小直径的圆柱试样或大面积的环形试样以缩短SWCC试验的历时。Toll等[15]应用英国Durham 大学制造的高量程张力计(原理与帝国学院张力计相同，可快速量测 2 000 kPa 以下的吸力)研发了一套土-水特征曲线快速测定装置，可同时连续量测圆柱形试样的基质吸力(用高量程张力计)、含水率(用电子秤称重)和体变(用 4 个位移传感器量测径向位移，用两个位移传感器量测轴向位移);其最大特点是不使用轴平移技术，不必施加气压力，试样自然风干，产生负孔隙水压力，完成一个干燥过程只需 2 d 左右;用注射器给试样缓慢注水，完成干燥-湿化全过程需要 7 d，大大缩短了土-水特征曲线的测定时间。
膨胀土在脱湿和增湿过程中会发生较大的体变，传统 SWCC 不考虑体变的影响。周葆春[16−17] 和邹维列[18]等依据各自的试验结果，将 FredlundXing 模型中的参数视为初始孔隙比的函数，分别建立了能考虑膨胀土体积变化[16, 18]或密度影响[17]的 SWCC 模型。
完整的土-水特征曲线的吸力范围从 0～106 kPa，近年来有的研究者对各类土都在不遗余力地测定或预测完整的持水曲线。事实上，除了作为高放废物地质库缓冲材料的膨润土等在工作环境下吸力可高达数百兆帕外，工程中经常遇到的填土、黄土、膨胀土、红黏土等在工作环境下的吸力不超过 1 500 kPa，而对土的变形和强度影响比较显著的吸力范围就更窄，其中对黄土约为 500 kPa 左右，对膨胀土约在 800 kPa 左右;过高的吸力对土的变形和强度影响甚微，可以当作干土处理。因此，只需测定吸力在 1 000 kPa 以下的持水曲线即可，而没有必要花费很长的时间去测定完整的土-水特征曲线。
2.2 广义土-水特征曲线和滞后性
从现代土力学观点来看，持水特性的本构模型是非饱和土的本构模型之一，因此影响本构关系的因素，如应力状态、应力路径、应力历史、温度、土的结构等，也影响持水特性。传统持水曲线仅考虑吸力的作用，考虑其他因素影响的持水曲线可称之为广义持水曲线。
谢云[19]的温控三轴收缩试验表明，温度升高导致膨胀土的持水能力降低，原因是随着温度升高，水的黏性降低、动能增加，易于脱离土骨架的束缚。谈云志等[20]发现粉土的体积含水率随温度升高逐渐减小，认为原因在于孔隙中水的物理特性以及水、气的赋存状态。Shan[21]、Hao[22]等研究了干密度、含水率、粒径级配等因素对非饱和黄土持水特性的影响，从细观角度探讨了影响非饱和黄土持水特性的机制，提出了预测非饱和黄土孔径分布的计算方法。
土-水特征曲线的应力、密度相关性受到较大关注，已提出了分别考虑密度(陈正汉等 1993 年)、净平均应力(陈正汉 1999 年)、上覆压力(吴宏伟等 2000 年)、偏应力(方祥位等 2004 年)及不同应力的交叉效应(章峻豪等[23])的土-水特征曲线。章峻豪等[23]通过大量试验研究指出，仅当允许预测误差不超过 5%时才需要考虑应力的交叉效应。谈云志等[24]发现施加固结应力后粉土的进气值明显增大。广义土-水特征曲线可用非饱和土固结仪或非饱和土三轴仪测定，如宁夏原状 Q3 黄土(朱元青 2008 年)、广州重塑含黏砂土(苗强强等[25])和延安重塑 Q2 黄土(高登辉等[26])等。
Nuth 等(2008 年)、Masin[27]、Uchaipichat[28] 的研究同样表明，持水曲线依赖于应力状态。换言之，应力状态的改变引起土的孔隙率改变，从而导致土的持水性状发生变化。Sun 等[29]的各向等压应力、三轴压缩及伸长应力下非饱和土湿化(吸湿)试验结果表明：即使应力状态不同，只要孔隙比相近，其持水曲线就相近。据此认为持水曲线与应力状态无直接关系，或者说应力状态不是影响持水曲线的直接因素，在土-水特征曲线中只需考虑孔隙比即可。陈存礼[30]、张登飞[31−32]等对非饱和原状 Q3 黄土的研究发现，在侧限压缩条件下，净竖向应力对土-水特征曲线的影响与其大小有关，净竖向应力较大(>400 kPa)时影响较大，反之则很小[30];在控制吸力的三轴排水剪切试验条件下，土样是否排水依赖于吸力和净围压的不同组合[31]：对侧限多级增湿试验，无应力及净竖向应力作用时，只要孔隙比相同，则饱和度与吸力间关系相同，据此对 van Genuchten 模型进行修正以考虑孔隙比变化的影响[32]。张昭等[33]对西安黄土、Saskachewan 粉土和 Indian Head 冰碛土的研究表明，固结压力引起的孔隙比变化对土-水特征曲线的影响较小。
既往主要研究脱湿过程中的持水特性，张登飞[34] 通过三轴分级浸水试验，提出了包含应力状态影响的增湿过程的原状 Q3 黄土的持水模型。
对持水特性的滞后性研究取得了显著进展。 Li[35]、Wei[36]、Chen[37]等分别以边界面模型和不可逆热力学内变量理论为基础，建立了非饱和土的毛细滞回模型，能描述任何干湿循环条件下非饱和土的土-水特征关系;刘艳等(2008 年)做了类似的工作。刘奉银等[38]对西安黄土的研究发现，黄土的初始密度主要影响进气值和残余体积含水率，通过引入“滞回度”的概念，用其和滞廻圈面积一起共同描述土-水特征曲线的滞后效应。周葆春等[39]对荆门弱膨胀土的持水特性试验研究发现：脱湿与吸湿边界线并不平行，Fredlund-Xing 模型能较好地描述脱湿与吸湿边界线。
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对持水特性的滞后性研究还深化了对有效应力的认识，有关结果将在 5.3 节中说明。
3 非饱和土与特殊土的水气运移特性
研究非饱和土与特殊土的水气运移规律有两种途径：直接试验和半理论-半经验预测。从目前情况看，针对具体土料直接进行试验是最可靠的方法。渗气试验易于实现，试验历时短，试验资料的分析也比较简单。渗水试验设备及其资料的分析相对复杂一些。以水平土柱入渗试验为例，由于在土样上要安装多个水分传感器和多个吸力探头(或张力计)，试样的尺寸必须比较大，通常直径为 100 mm，长为 1 000 mm 左右;对原状土而言，要取到如此大尺寸的完整土样是很不容易的。水平土柱入渗试验的历时取决于试样的密度，如果用 γ 透射法或TDR 水分传感器量测含水率，则一般需要 2～3 d，与非饱和土的三轴固结排水剪切试验的历时相当。考虑到量测的吸力滞后于水分到达的时间，建议另外做土-水特征曲线试验。如果采用 2.1 节所说的高量程张力计，则量测吸力的滞后性可以忽略[15]。
3.1 渗气特性
在一维渗气装置(陈正汉等 1993 年)的基础上，苗强强等[40]研发了三轴渗气仪，可以考虑围压对渗气性的影响，同时避免了在高吸力时单向渗气仪的内壁与试样周边漏气的问题;该仪器用传感器量测气压，提高了试验气压梯度的范围。苗强强[40] 和姚志华[41]等用该仪器研分别研究了广州含黏砂土和兰州和平镇原状 Q3 黄土及其重塑土的渗气特性，发现 Darcy 定律对其都适用。姚志华等[41]的研究还表明，在较低压力下，Fick 定律和 Darcy 定律两者计算结果差别不大;而在较高压力下，Darcy 定律计算结果要优于 Fick 定律;重塑黄土渗气系数随着干密度和含水率的增大而减小，且在含水率超过最优含水率时变化较为明显;由于原状 Q3黄土的各向异性，竖向原状试样渗气系数始终大于同一埋深的水平向试样的渗气系数;相同干密度条件下，含水率对重塑黄土渗气系数的影响要比原状黄土大。根据试验结果提出了考虑干密度、充气孔隙度和各向异性等因素影响的原状黄土渗气系数计算公式，其计算结果与试验结果吻合较好。
陈存礼等[42]对西安北郊原状 Q3 黄土用三轴渗气仪研究了含水率、体积含气率及等向应力对渗气系数的影响，结果表明：应力对渗气系数与含水率及体积含气率关系皆有明显的影响，增湿时含水率及体积含气率对渗气系数的影响比减湿时稍大;应力变化(含水率不变)及含水率变化(应力不变)时渗气系数与体积含气率的关系不同。提出了直接及间接反映含水率与应力变化对渗气系数影响的 3 种类型渗气函数，用 3 种类型的渗气函数皆可较好地预测含水率及应力变化时的渗气系数，而直接以含水率与应力为参量的渗气函数无需考虑力水耦合作用引起的孔隙比变化，更便于实际工程应用。
3.2 渗水特性
刘奉银[43]、张昭[44]等利用改进的非饱和土-水气运动联合测定仪，对不同干密度的重塑黄土试样进行了不同增湿级数的非饱和渗透试验，在湿度和密度同时变化的条件下提出了 2 种非饱和黄土渗透函数;在 2016 年又提出了基于持水曲线预测相对渗气系数的方法，并利用已有文献中 22 种土样和其他 5 种土样(从砂土至粉质黏壤土)的持水及渗气试验结果对该方法进行标定和验证，结果表明建议的方法优于已有方法[45]。
邵龙潭等[46]研发出非饱和土稳态渗流试验仪，可量测非饱和土在脱水、吸湿两种过程中各级基质吸力作用下的非饱和土的导水系数，其原理和构造与水平土柱入渗试验类似。
苗强强[47]用 LGD−Ⅲ型 γ 透射法非饱和土水分运移测量系统研究了广州非饱和含黏砂土一维垂直入渗、水平入渗和二维入渗，得到了湿润锋、不同断面含水率随时间的变化规律、扩散率与饱和度和干密度之间的函数表达式，揭示了水分在路堤内随降雨强度和降雨持时的运移规律及坡面径流汇流规律。 γ 透射法能实时无损快速的量测几百个测点的含水率，可以得到不同时刻的渗流场。他还做了毛细水上升试验和水平土柱入渗试验，用 TDR 水分传感器和 FTC−100 热传导吸力探头分别量测土样的体积含水率和吸力。
姚志华等[48]为研究兰州和平镇原状 Q3 黄土渗水特性，设计一套原状黄土取样设备(土筒外径为 200 mm、内径为 186 mm，长为 1 000 mm)，取得大尺寸原状竖直和水平土柱各 2 个;并制备 5 个干密度不同的重塑土样。对 9 个试样进行水平土柱试验，用 TDR 水分计和热传导吸力探头分别检测土样不同断面处的体积含水率和基质吸力，同时得到了各测点的土-水特征曲线。渗水试验结果表明：对于原状试样，浸水前期竖直试样入渗率要大于水平试样，湿润锋超过 50 cm 后，竖直和水平试样入渗率几乎接近一致;竖直与水平原状试样的非饱和扩散率主要差别在饱和度低于 0.6 的区域，饱和度高于 0.6 两者扩散率差别不大。对于重塑试样，低饱和度区域干密度对扩散率影响要大于高饱和度区;同样干密度和含水率条件下，低饱和度区域重塑试样非饱和渗透系数大于原状试样;而高饱和度区域原状试样非饱和渗透系数大于重塑试样。张龙等[49] 用水平土柱入渗试验研究了延安重塑 Q3和 Q2黄土及杂填土的渗水特性，得到了类似的规律。
伊盼盼等[50]提出了毛细松弛的概念，建立了非饱和土非平衡一维渗流理论，据此提出了快速测定非饱和土水力学参数(土-水特征关系和渗透系数函数)的方法，可缩短测试非饱和土水力参数的时间。李旭等[51]提出的湿润锋前进法也可缩短渗水试验时间，但需要精准跟踪辨识渗透过程中的湿润锋位置，只适用于试验初始吸力较高且湿润后颜色改变明显的土体。
张登飞等[52]用自制的非饱和土三轴剪切渗透仪，对原状黄土在不同等向应力条件下进行了分级浸水渗透试验，分析了孔隙比(无应力)、应力及湿度(饱和度与吸力)对增湿渗水系数的影响，发现 VG 模型不适用于描述常孔隙比下原状黄土的渗水系数与饱和度及吸力的关系，提出了可以考虑应力与湿度影响的非饱和原状黄土渗透性函数。
党发宁[53]、许尚杰[54]等提出了浑水渗流理论、数学模型及其差分求解，并用于浑水回灌、尾矿堆积及管涌分析等问题中;利用液限、起始水力坡降和双电层参数等推导了有效孔隙比的计算公式，得出同时适用于黏性土和粗粒土的渗透系数经验公式，并通过试验进行了验证[55]。——论文作者：陈正汉 1, 2, 3，郭 楠 2
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