植被防护土坡的非饱和特性计算方法

陆地上非饱和土的覆盖面积远大于饱和土,例如目前水利、土木、交通等工程中涉及较多的膨胀土、黄土和人工填土等都是非饱和土。Fredlund(1993,2000)[140～141]、沈珠江(2000)[43]把非饱和土概括为三种状态:①气封闭而水连通；②气连通而水封闭；③气和水均连通。一般认为,对于第一种情况,孔隙气以小气泡形式封闭在孔隙水中,并随孔隙水一起流动,土可以近似认为处于饱和状态。对于第二种情况,孔隙水以薄膜水和水蒸气的形式存在,不需要考虑它的流动,土可以近似认为处于干涸状态。工程中要解决的主要是第三种情况,即土处于部分饱和状态,例如黏土饱和度大概在50%～90%之间,砂土饱和度大概在30%～80%之间。

非饱和土的工程特性一般比饱和土的更为复杂、更难理解。例如,非饱和土的抗剪强度随着吸力增加而增大,并与水土特征曲线(SWCC)中的干湿路径有关[142～147](Fredlund等,1978；Fredlund等,1987；Gan等,1988；Fredlund和Rahardjo,1993；Vanapalli,1994；Fredlund等,1996；Vanapalli等,1996)。水土特征曲线(SWCC)中的干湿路径决定了滞回圈的存在[141](Fredlund,2000)。吸力和饱和度坐标轴下的水土特征曲线(SWCC)的位置和形状由多种因素决定,例如土的组构、固结和击实压力等[148～149](Barbour,1998；Leroueil和Hight,2003)。正如Wheeler等(2003b)[150]指出,土从饱和状态到非饱和状态之间的干湿状态的往返迁移转化过程中水土特征曲线(SWCC)大为迥异。

人们研究发现,由于应力状态的差异,非饱和土的压缩曲线表现出不同的趋向性。例如,Alonso等(1990)、Wheeler和Sivakumar(1995)、Wheeler和Karube(1996)、Sharma和Wheeler(2000)、Leroueil和Barbosa(2000)的研究表明[151～155],由于应力范围的不同,非饱和土的压缩曲线表现为趋向于饱和土的压缩曲线或远离饱和土的压缩曲线。Wheeler和Sivakumar(1995)[152]研究发现,不同吸力状态下非饱和土的临界状态线并不都是平行的,可能会相交于某一较大的压力值处。Maatouk等(1995)[156]研究发现不同吸力作用下粉土的强度包线趋向于一个唯一的临界状态点。(www.xing528.com)

在大气、水和生物作用下地表面层会发生劣化、风化。干湿、冷热和冻融等引起的物理风化,以及溶解、水化、水解、酸化和氧化等引起的化学风化甚至生物风化,都会引起地表面层的劣化或失效。天然岸坡由于长期经受风力和水力侵蚀、湿胀干缩、热胀冷缩等的作用,往往还会在土内部引起许多裂隙等,因此天然岸坡土大多具有部分饱和特性与裂隙特征。在岸坡土的渐进变形与稳定问题的分析中,通常要涉及到非饱和土力学理论的研究与应用。