第1章　绪论

1.1　背景与意义

目前在工程界广泛应用的土力学理论是经典饱和土力学,在过去的一个世纪,土力学领域已经取得了很多理论成果和岩土工程实践经验。但是这些理论成果、设计规范和经验方法仅适用于饱和土,一旦土体变为非饱和,饱和土力学中的基本原理和设计经验不再有效。然而地球表面的岩土绝大部分处于非饱和状态。除天然的非饱和土外,农业生产(如耕作和灌溉)和建设工程(如压实、开挖土方工程)均要涉及非饱和土。在我国大面积分布的膨胀土、湿陷性黄土等特殊土也均属于非饱和土,因此非饱和土在实践中相当普遍。Gens等(2006)[1]指出任意一种土均可以转变为非饱和土,非饱和土是土的一种状态,而不是新的一种土。

由于非饱和土是一种三相介质,土颗粒形成的骨架之间的孔隙中充填着水和空气,三相比例不同,土体的工程性质差别甚大,这种特性使非饱和土的水力、力学性能比饱和土更容易受到外界环境的影响,例如地下水位的变化、降雨和蒸发作用等。蒸发、干旱作用等会使土体从饱和状态变成非饱和土状态,降雨会使土体从非饱和状态变成饱和状态,其强度、变形和渗流特性都会发生显著的变化,造成非饱和土水力-力学特性比饱和土复杂。因此在分析和设计重要基础设施,如建筑地基、水坝、公路、斜坡、隧道和废物防护设施时很难准确地分析和设计,往往造成严重的工程事故和地质灾害。例如,蒸发引起膨胀土的收缩导致建筑物、路桥等基础产生开裂,降雨后沟渠边坡失稳破坏,隧道在开挖时遇水后的塌陷,湿陷性黄土雨后的过量沉降等。因此对非饱和土的研究,具有更重要的实际工程价值。包承纲和詹良通(2006)[2]也指出：“非饱和土工程问题时有发生,在世界上有超过60%以上的国家都曾经或者正在遭受非饱和特殊土所带来的工程危害。”可见干湿循环作用下的非饱和土水力-力学性质的研究具有非常重要的理论和实践意义。

不同应力水平、不同干密度,并且经历过多次干-湿循环过程的非饱和土,其体积变化会更加复杂。土体从非饱和状态变成饱和状态时,其强度会大大降低,导致边坡失稳,从而引发大量的滑坡、崩塌、泥石流和基础破坏等严重的地质灾害,对生产和生活造成重大损失。相反土体从饱和状态变成非饱和状态,会产生大量裂隙,从而破坏了土体的整体性,降低结构强度。其中受气候变化影响最大的为膨胀土,膨胀土是一种因自然气候的干湿交替作用而发生体积显著膨胀收缩、强度剧烈衰减而导致工程破坏并且含有膨胀性黏土矿物成分的非饱和土。膨胀土及其工程病害问题一直是当今国内外岩土工程领域始终没能得到妥善解决的世界性技术难题,有岩土工程界的“癌症”之称。膨胀土具有一般黏性土所没有的“三性”特征,即胀缩性、裂隙性和超固结性,对气候变化特别敏感,频频引发工程灾害[3]。从大量工程经验得出,自然气候的干湿循环作用导致的路基边坡土体开裂和降雨入渗引起的边坡浅层滑动是造成膨胀土边坡失稳破坏的主要原因。膨胀土引起的岩土工程问题广泛地分布于世界五大陆(Chen,1988)[4]。膨胀土地区的路基工程由于路面上覆荷载低,且路基覆盖面积范围大,更易于受到膨胀土因季节、干湿变化引起的胀缩特性遭受破坏(Nelson和Miller,1992)[5]。以膨胀土作为地基的低层建筑,同样由于上覆荷载较小使得建筑遭受严重的破坏,如建筑物的倾斜、墙体出现大量的裂隙等。由于膨胀土受到多次季节的干湿循环引起胀缩变形,使得许多工程结构物遭受严重的破坏(Day,1994)[6]。击实膨胀土通常用于防渗渠道的修建,如我国南水北调工程建设就涉及到大量的膨胀土。南水北调工程是当今世界上最大的水利工程,是关系到我国可持续发展的一项战略性水利基础设施,其中南水北调中线要跨越三省二市,渠道长度约为1200km。渠道要经过多种地层,线路上布置的数百种建筑物,形式各异,因此遇到的岩土工程问题很多。其中膨胀土渠道的稳定问题、穿黄工程的岩土工程问题最为复杂。膨胀土边坡稳定是岩土工程中一个传统的难题。中线渠道穿过膨胀土地区的总长为346km,其中强膨胀土占6.1%,中膨胀土占24.6%,弱膨胀土占69.3%。早在20世纪70年代,在该地区修建引丹渠道首引渠时,在膨胀土地段发生过13处大滑坡,花费大量的精力和资金进行治理才得以稳定(包承纲,2003)[7]。工程建设中,对中、强膨胀土进行地基处理,但是对弱膨胀土干湿循环引起的破坏未能引起足够的重视。为了更好地解决实际工程中遇到的问题,在室内开展控制吸力的干湿循环作用对非饱和膨胀土影响的试验研究是非常必要的,具有非常重要的工程意义和学术意义。

不断变化的气候环境会引起土体吸力的变化,因而导致土体的吸力历史不断变化；同时偶尔的降雨渗流和持续的蒸发使土体经历多次的干湿循环,自然状态下吸力变化范围非常大,而净应力保持不变。Brooker和Ireland(1965)[8]指出,自然状态的非饱和土具有负孔隙水压,但是土体经历多次气候环境变化引起的负孔隙水压的变化,使土体具有超固结土的性质。吸力历史不仅仅存在于自然状态土体,同样存在于大量的击实土体。例如土石坝中的击实土同样具有负孔隙水压力,由于气候条件变化(如干湿循环)引起的土体的吸力变化,使土体具有吸力历史。许多学者已经研究过含水量对非饱和土的水力-力学性质的影响(如,Cui和Delage,1996；Lloret等,2003；Sun等,2004；Sun等,2007)[9-12]。由于降雨入渗和蒸发作用使地球表面的岩土体一般要经历过无数次的干湿循环作用,多次干湿循环作用对非饱和土的水力-力学性质有着显著的影响。最近,干湿循环作用对非饱和土水力-力学性质的影响引起了大家特别的重视(Gens等,2006)[1]。同时由于非膨胀性非饱和土与膨胀性非饱和土不同的特性,必然导致干湿循环作用对非膨胀性非饱和土与膨胀性非饱和土产生不同的影响。因此开展干湿循环作用下的非膨胀性和膨胀性的非饱和土水力-力学性质的试验及其土-水特征曲线模拟研究,为分析岩土体干湿循环作用下的工程特性和合理处理岩土工程问题提供基础的实验数据,并在此基础上建立考虑干湿循环作用所引起的吸力历史的非饱和土本构关系具有重要的研究意义。