预裂进气压力分析及计算

裂缝形成初始的临界吸力(或称为预裂进气压力,类似于非饱和土的进气压力值,以此来判断土的饱和或非饱和状态)在土失水收缩和开裂过程中,受土抗拉强度、初始应力状态、应力路径、应力历史等影响[233～235](Abu-Hejleh和Znidarcic,1995；Konrad和Ayad,1997)。根据Konrad等的研究思路,利用下面的一个示意图可以帮助更加明白地理解(图5.1)。初始开裂以前,位于土坡一定深度的土单元可以用s′—t平面(Lambe图)中的A表示。所对应的屈服面也示于图中。为简便起见,假定开裂允许土单元气连通于地表大气压。当土开裂到该单元深度,土单元总应力状态从A点移到C点,并位于σν=0线上。假定水位随开裂降低到土单元的底部,这样该单元孔压为0。因此C点也就是土单元开裂前的有效应力状态。土开裂后土单元应力点处于卸荷状态(无上覆荷载),由于土应力状态仍然在屈服面内,可以认为土变形为弹性,因而可以有

(www.xing528.com)

图5.1　预裂进气压力值的确定

这样,Lambe图中的有效应力路径(卸荷)可以用一条通过A点、坡度为(1-2ν′)的直线表示。在C点代表的应力状态土单元初始开裂,孔压开始变为负值,吸力随开裂时间增加。随后,水平面上总横向应力减小,但A点代表的应力状态仍在σν=0线上。在非常小的应变和土仍处于饱和状态时,假定这一收缩固结过程的有效应力路径与卸荷路径CAB′相同。当总的横向应力σh达到抗拉强度σt时,裂缝形成初始的临界吸力(预裂进气压力sbc)可以用BB′长度代表的负孔压值表示。很明显,这一数值会小于未开裂土的进气压力值(sb)。因此,在降雨入渗条件下,具有裂隙的坡土将会有更大的吸力损失(s-sbc)。利用植被例如香根草根系可以提高土的抗剪和抗拉强度,从而抑制岸坡裂隙的产生和发展。因此,降雨入渗将会使香根草根系生态防护的土坡产生小一些的吸力损失。