發布時間：2022-04-21所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：對非飽和土與特殊土力學及其工程應用的近期進展做了全面系統的總結，內容包括儀器研發、基本特性、理論模型和工程應用。對非飽和土的應力理論和本構模型及緩沖材料的熱力學特性等前沿科學問題做了重點闡述。在非飽和土的基本問題研究進展方面，詳細討論了持水特
摘 要：對非飽和土與特殊土力學及其工程應用的近期進展做了全面系統的總結，內容包括儀器研發、基本特性、理論模型和工程應用。對非飽和土的應力理論和本構模型及緩沖材料的熱力學特性等前沿科學問題做了重點闡述。在非飽和土的基本問題研究進展方面，詳細討論了持水特性、水氣運移特性、結構演化、強度特性、應力理論、本構模型和數值分析;在特殊土研究進展方面，涉及 16 類土，主要介紹了我國廣泛分布的黃土和膨脹土及用于高放廢物地質處置庫的緩沖材料，對其土壓力、增濕變形、蠕變特性、浸水試驗、邊坡、動力特性和地質災害等有關問題作了詳細討論;在非飽和土與特殊土力學的應用方面，介紹了兩方面的進展：理論成果的工程應用和實用技術的研發;文末對今后的研究工作提出了若干建議。
關 鍵 詞：非飽和土與特殊土;工程應用;研究進展
1 引 言
近 10 余年來非飽和土與特殊土力學及工程應用的研究在我國取得了長足的發展。隨著西部大開發戰略、城鎮化戰略和“一帶一路”戰略的實施，工程建設中遇到的非飽和土與特殊土的種類和問題急劇增加(涉及黃土、膨脹土、填土、凍土、紅黏土、鹽漬土、膨潤土、殘積土、垃圾土、分散性土、冰水堆積物、紅砂土、珊瑚砂、文物土、可燃冰和月球土等 16 個土類)，研究隊伍迅速擴大(如有 92 個單位的 392 名代表參加了 2013 年 10 月在重慶召開的第 1 屆全國非飽和土與特殊土力學及工程學術研討會，118 個單位的 612 名代表參加了 2017 年 7 月在蘭州召開的第 2 屆全國非飽和土與特殊土力學及工程學術研討會)，研究方法多種多樣，形成了多個特色明顯的研究方向、研究團隊和人才聚集高地，呈現出“百花齊放、百家爭鳴、和而不同”的欣欣向榮局面，在試驗設備、基本特性、理論模型和工程應用等方面取得了豐碩成果。
21 世紀以來，已有多篇論著闡述了非飽和土與特殊土研究的進展情況，如邢義川的“黃土力學性質研究的發展和展望”[1]，謝定義的“試論我國黃土力學研究中的若干新趨向”[2]，包承綱的“非飽和土的性狀及膨脹土邊坡穩定問題”[3]，殷宗澤等的“非飽和土的本構關系及變形計算”[4]，譚羅榮等的“特殊巖土工程土質學”[5]，陳正漢等的“非飽和土與特殊土測試技術新進展”[6]，陳正漢的“非飽和土與特殊土的工程特性和力學理論及其應用研究”[7]，孔令偉等的“特殊土與邊坡技術發展綜述”[8]，陳正漢等的 “非飽和土的應力狀態變量研究”[9]、趙成剛等的“非飽和土力學中幾個基本問題的探討”[10]，陳正漢的 “非飽和土與特殊土力學的基本理論研究”[11]等。本文可以看作是上述文獻的繼續和補充。
本文以介紹我國學者的研究成果為主，在理論研究方面吸納了國際同行的成果。全文共 16 節。第 2～8 節內容屬于非飽和土與特殊土的共性部分，包含了對重塑土、黃土、膨脹土和紅黏土的相應研究成果。第 9～14 節對各種特殊土的研究進展進行逐一介紹，其中第 9 節介紹緩沖/回填材料的研究進展，這是近年來國內外研究的特色方向之一，故予以優先介紹。第 15 節介紹研究成果的工程應用和實用技術方面的進展。筆者對文中某些方面表達了自己的淺見(如持水特性、試驗設備、應力狀態描述、數學模型等)，文末(第 16 節)對國內近十余年來的發展做了簡要總結，對今后的研究工作提出了若干建議。
限于篇幅，文中主要列出 2010 年及以后發表的參考文獻。對文中涉及到 2010 年以前的工作，除部分標注參考文獻外，其余只列出相應的年份而不標注參考文獻。
2 非飽和土與特殊土的持水特性
2.1 傳統土-水特征曲線
吸力和水分的量測技術關系到非飽和土力學的發展和應用。TDR 技術因其安全、快捷等優點在水分量測方面已經普及，但在高基質吸力的量測技術方面，國際上仍停留在 20 世紀 90 年代帝國學院研制的高量程張力計的水平上(可測得低于 1 500 kPa 的基質吸力，平衡時間約為 5 min)。有的學者采用核磁共振儀測定含水率和含冰量，但用于土工的相應設備稀缺，費用高，不便推廣。
文獻中常以土-水特征曲線上的兩個特征點(進氣值、殘余吸力值)把其劃分為 3 段(邊界區、過渡區、殘余區)，并建議了多個經驗公式和多種預測土-水特征曲線的方法。事實上，上述對土-水特征曲線的劃分是理想化的，由于土類和影響因素繁多，各自的土-水特征曲線形態千差萬別，削足適履、生搬硬套是不足取的。孫樹國等[12]曾用改進的壓力板儀測定了 3 個場地土樣的土-水特征曲線，包括小浪底大壩斜心墻填土(粉質黏土，干密度為 1.64 g/cm3 )、寧夏扶貧楊黃工程 11 號泵站的原狀 Q3 黃土(干密度為 1.29 g/cm3 )和北京粉質黏土(干密度為 1.67 g/cm3 )，吸力從 0～800 kPa，歷時 68 d，在 3 條曲線上均未見所謂的特征點或特征段。類似的情況在文獻中亦不少見。因此，確定土-水特征曲線最可靠的方法目前依然是試驗。
改進儀器、減少誤差是必要的，孫樹國等[12]在這方面做了有益的工作。李順群等[13]探究了軸平移技術對持水特性的試驗誤差的影響，發現當軸平移技術施加的基質吸力在 10 個大氣壓之內，較高壓力環境和 1 個大氣壓環境對應的基質吸力之比的變化范圍在 0.998～1.000 之間，即軸平移對基質吸力的量測結果影響不大，對于砂土更是如此。Wang 等[14] 建議采用小直徑的圓柱試樣或大面積的環形試樣以縮短SWCC試驗的歷時。Toll等[15]應用英國Durham 大學制造的高量程張力計(原理與帝國學院張力計相同，可快速量測 2 000 kPa 以下的吸力)研發了一套土-水特征曲線快速測定裝置，可同時連續量測圓柱形試樣的基質吸力(用高量程張力計)、含水率(用電子秤稱重)和體變(用 4 個位移傳感器量測徑向位移，用兩個位移傳感器量測軸向位移);其最大特點是不使用軸平移技術，不必施加氣壓力，試樣自然風干，產生負孔隙水壓力，完成一個干燥過程只需 2 d 左右;用注射器給試樣緩慢注水，完成干燥-濕化全過程需要 7 d，大大縮短了土-水特征曲線的測定時間。
膨脹土在脫濕和增濕過程中會發生較大的體變，傳統 SWCC 不考慮體變的影響。周葆春[16−17] 和鄒維列[18]等依據各自的試驗結果，將 FredlundXing 模型中的參數視為初始孔隙比的函數，分別建立了能考慮膨脹土體積變化[16, 18]或密度影響[17]的 SWCC 模型。
完整的土-水特征曲線的吸力范圍從 0～106 kPa，近年來有的研究者對各類土都在不遺余力地測定或預測完整的持水曲線。事實上，除了作為高放廢物地質庫緩沖材料的膨潤土等在工作環境下吸力可高達數百兆帕外，工程中經常遇到的填土、黃土、膨脹土、紅黏土等在工作環境下的吸力不超過 1 500 kPa，而對土的變形和強度影響比較顯著的吸力范圍就更窄，其中對黃土約為 500 kPa 左右，對膨脹土約在 800 kPa 左右;過高的吸力對土的變形和強度影響甚微，可以當作干土處理。因此，只需測定吸力在 1 000 kPa 以下的持水曲線即可，而沒有必要花費很長的時間去測定完整的土-水特征曲線。
2.2 廣義土-水特征曲線和滯后性
從現代土力學觀點來看，持水特性的本構模型是非飽和土的本構模型之一，因此影響本構關系的因素，如應力狀態、應力路徑、應力歷史、溫度、土的結構等，也影響持水特性。傳統持水曲線僅考慮吸力的作用，考慮其他因素影響的持水曲線可稱之為廣義持水曲線。
謝云[19]的溫控三軸收縮試驗表明，溫度升高導致膨脹土的持水能力降低，原因是隨著溫度升高，水的黏性降低、動能增加，易于脫離土骨架的束縛。談云志等[20]發現粉土的體積含水率隨溫度升高逐漸減小，認為原因在于孔隙中水的物理特性以及水、氣的賦存狀態。Shan[21]、Hao[22]等研究了干密度、含水率、粒徑級配等因素對非飽和黃土持水特性的影響，從細觀角度探討了影響非飽和黃土持水特性的機制，提出了預測非飽和黃土孔徑分布的計算方法。
土-水特征曲線的應力、密度相關性受到較大關注，已提出了分別考慮密度(陳正漢等 1993 年)、凈平均應力(陳正漢 1999 年)、上覆壓力(吳宏偉等 2000 年)、偏應力(方祥位等 2004 年)及不同應力的交叉效應(章峻豪等[23])的土-水特征曲線。章峻豪等[23]通過大量試驗研究指出，僅當允許預測誤差不超過 5%時才需要考慮應力的交叉效應。談云志等[24]發現施加固結應力后粉土的進氣值明顯增大。廣義土-水特征曲線可用非飽和土固結儀或非飽和土三軸儀測定，如寧夏原狀 Q3 黃土(朱元青 2008 年)、廣州重塑含黏砂土(苗強強等[25])和延安重塑 Q2 黃土(高登輝等[26])等。
Nuth 等(2008 年)、Masin[27]、Uchaipichat[28] 的研究同樣表明，持水曲線依賴于應力狀態。換言之，應力狀態的改變引起土的孔隙率改變，從而導致土的持水性狀發生變化。Sun 等[29]的各向等壓應力、三軸壓縮及伸長應力下非飽和土濕化(吸濕)試驗結果表明：即使應力狀態不同，只要孔隙比相近，其持水曲線就相近。據此認為持水曲線與應力狀態無直接關系，或者說應力狀態不是影響持水曲線的直接因素，在土-水特征曲線中只需考慮孔隙比即可。陳存禮[30]、張登飛[31−32]等對非飽和原狀 Q3 黃土的研究發現，在側限壓縮條件下，凈豎向應力對土-水特征曲線的影響與其大小有關，凈豎向應力較大(>400 kPa)時影響較大，反之則很小[30];在控制吸力的三軸排水剪切試驗條件下，土樣是否排水依賴于吸力和凈圍壓的不同組合[31]：對側限多級增濕試驗，無應力及凈豎向應力作用時，只要孔隙比相同，則飽和度與吸力間關系相同，據此對 van Genuchten 模型進行修正以考慮孔隙比變化的影響[32]。張昭等[33]對西安黃土、Saskachewan 粉土和 Indian Head 冰磧土的研究表明，固結壓力引起的孔隙比變化對土-水特征曲線的影響較小。
既往主要研究脫濕過程中的持水特性，張登飛[34] 通過三軸分級浸水試驗，提出了包含應力狀態影響的增濕過程的原狀 Q3 黃土的持水模型。
對持水特性的滯后性研究取得了顯著進展。 Li[35]、Wei[36]、Chen[37]等分別以邊界面模型和不可逆熱力學內變量理論為基礎，建立了非飽和土的毛細滯回模型，能描述任何干濕循環條件下非飽和土的土-水特征關系;劉艷等(2008 年)做了類似的工作。劉奉銀等[38]對西安黃土的研究發現，黃土的初始密度主要影響進氣值和殘余體積含水率，通過引入“滯回度”的概念，用其和滯廻圈面積一起共同描述土-水特征曲線的滯后效應。周葆春等[39]對荊門弱膨脹土的持水特性試驗研究發現：脫濕與吸濕邊界線并不平行，Fredlund-Xing 模型能較好地描述脫濕與吸濕邊界線。
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對持水特性的滯后性研究還深化了對有效應力的認識，有關結果將在 5.3 節中說明。
3 非飽和土與特殊土的水氣運移特性
研究非飽和土與特殊土的水氣運移規律有兩種途徑：直接試驗和半理論-半經驗預測。從目前情況看，針對具體土料直接進行試驗是最可靠的方法。滲氣試驗易于實現，試驗歷時短，試驗資料的分析也比較簡單。滲水試驗設備及其資料的分析相對復雜一些。以水平土柱入滲試驗為例，由于在土樣上要安裝多個水分傳感器和多個吸力探頭(或張力計)，試樣的尺寸必須比較大，通常直徑為 100 mm，長為 1 000 mm 左右;對原狀土而言，要取到如此大尺寸的完整土樣是很不容易的。水平土柱入滲試驗的歷時取決于試樣的密度，如果用 γ 透射法或TDR 水分傳感器量測含水率，則一般需要 2～3 d，與非飽和土的三軸固結排水剪切試驗的歷時相當。考慮到量測的吸力滯后于水分到達的時間，建議另外做土-水特征曲線試驗。如果采用 2.1 節所說的高量程張力計，則量測吸力的滯后性可以忽略[15]。
3.1 滲氣特性
在一維滲氣裝置(陳正漢等 1993 年)的基礎上，苗強強等[40]研發了三軸滲氣儀，可以考慮圍壓對滲氣性的影響，同時避免了在高吸力時單向滲氣儀的內壁與試樣周邊漏氣的問題;該儀器用傳感器量測氣壓，提高了試驗氣壓梯度的范圍。苗強強[40] 和姚志華[41]等用該儀器研分別研究了廣州含黏砂土和蘭州和平鎮原狀 Q3 黃土及其重塑土的滲氣特性，發現 Darcy 定律對其都適用。姚志華等[41]的研究還表明，在較低壓力下，Fick 定律和 Darcy 定律兩者計算結果差別不大;而在較高壓力下，Darcy 定律計算結果要優于 Fick 定律;重塑黃土滲氣系數隨著干密度和含水率的增大而減小，且在含水率超過最優含水率時變化較為明顯;由于原狀 Q3黃土的各向異性，豎向原狀試樣滲氣系數始終大于同一埋深的水平向試樣的滲氣系數;相同干密度條件下，含水率對重塑黃土滲氣系數的影響要比原狀黃土大。根據試驗結果提出了考慮干密度、充氣孔隙度和各向異性等因素影響的原狀黃土滲氣系數計算公式，其計算結果與試驗結果吻合較好。
陳存禮等[42]對西安北郊原狀 Q3 黃土用三軸滲氣儀研究了含水率、體積含氣率及等向應力對滲氣系數的影響，結果表明：應力對滲氣系數與含水率及體積含氣率關系皆有明顯的影響，增濕時含水率及體積含氣率對滲氣系數的影響比減濕時稍大;應力變化(含水率不變)及含水率變化(應力不變)時滲氣系數與體積含氣率的關系不同。提出了直接及間接反映含水率與應力變化對滲氣系數影響的 3 種類型滲氣函數，用 3 種類型的滲氣函數皆可較好地預測含水率及應力變化時的滲氣系數，而直接以含水率與應力為參量的滲氣函數無需考慮力水耦合作用引起的孔隙比變化，更便于實際工程應用。
3.2 滲水特性
劉奉銀[43]、張昭[44]等利用改進的非飽和土-水氣運動聯合測定儀，對不同干密度的重塑黃土試樣進行了不同增濕級數的非飽和滲透試驗，在濕度和密度同時變化的條件下提出了 2 種非飽和黃土滲透函數;在 2016 年又提出了基于持水曲線預測相對滲氣系數的方法，并利用已有文獻中 22 種土樣和其他 5 種土樣(從砂土至粉質黏壤土)的持水及滲氣試驗結果對該方法進行標定和驗證，結果表明建議的方法優于已有方法[45]。
邵龍潭等[46]研發出非飽和土穩態滲流試驗儀，可量測非飽和土在脫水、吸濕兩種過程中各級基質吸力作用下的非飽和土的導水系數，其原理和構造與水平土柱入滲試驗類似。
苗強強[47]用 LGD−Ⅲ型 γ 透射法非飽和土水分運移測量系統研究了廣州非飽和含黏砂土一維垂直入滲、水平入滲和二維入滲，得到了濕潤鋒、不同斷面含水率隨時間的變化規律、擴散率與飽和度和干密度之間的函數表達式，揭示了水分在路堤內隨降雨強度和降雨持時的運移規律及坡面徑流匯流規律。 γ 透射法能實時無損快速的量測幾百個測點的含水率，可以得到不同時刻的滲流場。他還做了毛細水上升試驗和水平土柱入滲試驗，用 TDR 水分傳感器和 FTC−100 熱傳導吸力探頭分別量測土樣的體積含水率和吸力。
姚志華等[48]為研究蘭州和平鎮原狀 Q3 黃土滲水特性，設計一套原狀黃土取樣設備(土筒外徑為 200 mm、內徑為 186 mm，長為 1 000 mm)，取得大尺寸原狀豎直和水平土柱各 2 個;并制備 5 個干密度不同的重塑土樣。對 9 個試樣進行水平土柱試驗，用 TDR 水分計和熱傳導吸力探頭分別檢測土樣不同斷面處的體積含水率和基質吸力，同時得到了各測點的土-水特征曲線。滲水試驗結果表明：對于原狀試樣，浸水前期豎直試樣入滲率要大于水平試樣，濕潤鋒超過 50 cm 后，豎直和水平試樣入滲率幾乎接近一致;豎直與水平原狀試樣的非飽和擴散率主要差別在飽和度低于 0.6 的區域，飽和度高于 0.6 兩者擴散率差別不大。對于重塑試樣，低飽和度區域干密度對擴散率影響要大于高飽和度區;同樣干密度和含水率條件下，低飽和度區域重塑試樣非飽和滲透系數大于原狀試樣;而高飽和度區域原狀試樣非飽和滲透系數大于重塑試樣。張龍等[49] 用水平土柱入滲試驗研究了延安重塑 Q3和 Q2黃土及雜填土的滲水特性，得到了類似的規律。
伊盼盼等[50]提出了毛細松弛的概念，建立了非飽和土非平衡一維滲流理論，據此提出了快速測定非飽和土水力學參數(土-水特征關系和滲透系數函數)的方法，可縮短測試非飽和土水力參數的時間。李旭等[51]提出的濕潤鋒前進法也可縮短滲水試驗時間，但需要精準跟蹤辨識滲透過程中的濕潤鋒位置，只適用于試驗初始吸力較高且濕潤后顏色改變明顯的土體。
張登飛等[52]用自制的非飽和土三軸剪切滲透儀，對原狀黃土在不同等向應力條件下進行了分級浸水滲透試驗，分析了孔隙比(無應力)、應力及濕度(飽和度與吸力)對增濕滲水系數的影響，發現 VG 模型不適用于描述常孔隙比下原狀黃土的滲水系數與飽和度及吸力的關系，提出了可以考慮應力與濕度影響的非飽和原狀黃土滲透性函數。
黨發寧[53]、許尚杰[54]等提出了渾水滲流理論、數學模型及其差分求解，并用于渾水回灌、尾礦堆積及管涌分析等問題中;利用液限、起始水力坡降和雙電層參數等推導了有效孔隙比的計算公式，得出同時適用于黏性土和粗粒土的滲透系數經驗公式，并通過試驗進行了驗證[55]。——論文作者：陳正漢 1, 2, 3，郭 楠 2
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