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【摘 要】本文针对黄土作为典型的非饱和土，着重讨论了吸力和抗剪强度的研究现状以及存在的问题，对新世纪我国黄土力学特性的研究提出了发展方向。
【关键词】黄土； 非饱和土； 吸力；抗剪强度
Analysis on the mechanical properties of unsaturated loess
Liu Ling
(1.Jilin university Changchun Jilin 130000；2.Construction engineering college in Jilin building decorate college Changchun Jilin 130000)
【Abstract】Then as a typical loess unsaturated soils, focused on the research suction, module and the current situation and problems in this article.In the new century, the way was proposed that China's Loess study on the mechanical characteristics of the development.
【Key words】Loess；Unsaturated soils；Suction；Shear strength
1. 前言
半个世纪以来，黄土对水的特殊敏感性及其在黄土变形、强度和本够关系等力学特性上所表现出来的影响规律一直是黄土力学特性研究的中心。
非饱和黄土结构性上的不同及其变化是其湿陷的主要原因，与黄土工程灾害及相关的环境灾害密切相关，从工程意义来说，黄土的特殊工程性质最主要的是它的力学性质，作为非饱和土，黄土具有明显不同于饱和软粘土的力学性质。因此，当含水率发生变化时，黄土相应的力学性能所发生的变化将成为黄土力学发展的关键。
2. 非饱和黄土吸力的研究现状
20世纪中，非饱和土力学研究的复苏是土力学发展中的又一次带有根本性质和长远影响事件。非饱和土大量存在及其对工程建筑巨大影响的事实，和土动力学的迅速发展一起是土力学开始走向成熟的一个重要标志［1］。黄土作为典型的非饱和土，随着非饱和土力学研究的不断发展，近年来其力学特性已被国内外学者纳入了非饱和土力学研究的范畴。
非饱和土力学的中心问题是吸力的研究，由于非饱和土力学本构关系中的吸力很难测定、不易测准，阻碍了非饱和土理论的工程应用。而以往黄土力学研究中普遍采用的总应力分析法因过于简化而无法满足工程应用的需要。因此针对黄土的特性，建立简单易用并能满足一定工程应用需要的黄土应力应变分析方法更有现实意义。非饱和土的强度大于饱和土的强度，大多数强度公式，如著名的Bishop有效应力强度公式和Fredlund的双应力变量强度公式［2］，都是含有吸力项的，反映吸力对强度的贡献。但是，控制吸力的室内试验代价昂贵、非常耗时；至于吸力的现场量测更加困难，即使世界范围内积累的实测资料也很少［3］；在理论分析和数值计算中要获得吸力，就涉及到现阶段仍不成熟且也比较复杂的非饱和土固结模型。正因为吸力量测和计算的困难，将吸力作为变量的非饱和土强度公式未能得到广泛的实际运用。吸力在非饱和土研究中的重要性不言而喻，但吸力的测定技术和预测方法都还比较复杂，室内和现场量测吸力的设备的可靠性和简便性都有待改进。
3. 非饱和黄土抗剪强度的研究
土的抗剪强度是土的一个重要力学性质，它的准确确定对土坡和地基稳定分析及土压力计算至关重要。与饱和土抗剪强度不同，非饱和土的抗剪强度由三个部分组成：即①由凝聚力产生的强度；②土受外部有效应力作用而产生的摩擦强度；③由于土中存在吸力而产生的强度，可称为吸附强度。研究非饱和土强度主要是研究第三部分，即吸力对强度的贡献。以往对非饱和土的研究提出了许多强度公式，主要可概括为以下两类：
3.1 第一类强度公式（理论公式）
国内外许多学者提出了非饱和土抗剪强度的理论公式，其中最著名的是Bishop用非饱和土有效应力表达的强度和Fredlund等人提出的用双应力状态变量描述的强度公式。Bishop的公式和Fredlund的公式分别表达如下：
τf=c'+(σ-μa)tgφ'+x(μa-μw)tgφ'
τf=c'+(σn-μa)tgφ'+(μa-μw)tgφb
式中c' ，φ'均为饱和土的抗剪强度指标；上述两式的第三项，即是吸力对强度的贡献，其中 χ为有效应力参数，且 0 x=tgφbtgφ'
Fredlund整理了集中不同地方土料的试验结果表明φb <φ'，故同样有 0 3.2 第二类强度公式（经验公式）。
由于非饱和土试验设备尚未普及和吸力量测的困难，国内外有一些学者提出了一些非饱和土的抗剪强度的经验公式，其中两个比较有代表性的是：
3.2.1 沈珠江和余圣刚分别提出用双曲线来拟合与吸力有关的抗剪强度公式，其公式为：
τus=(μa-μw)11+d(μa-μw)tgφ'
τus=(μa-μw)1ctgα+(μa-μw)βtgφ'
其中 τus 为吸力抗剪强度，即吸附强度。以上两公式中的参数d 和α ， β均需由非饱和土试验确定。
3.2.2 包承纲用对数方程来表征土水特征曲线，得到土水特征曲线的实用公式如下：
θ-θrθs-θr=p-qlg(μa-μw)
其中：p=lg(μa-μw)r lg(μa-μw)r -lg(μa-μw)b
q=1 lg(μa-μw)r -lg(μa-μw)b
p ，q 分别是土水特征曲线下降段的斜率和截距，它们都是与孔隙尺寸有关的参数。根据土水特征曲线的公式，包承纲等得到的非饱和土抗剪强度的实用公式如下：
τf=c'+(σn-μa)tgφ'+(μa-μw)［p-q lg(μa-μw)］tgφ'
使用该公式时，需进行饱和土的三轴试验和土水特征曲线试验，分别测定饱和土的抗剪强度参数和土水特征曲线，则可计算一定应力状态下的非饱和土抗剪强度值。
4. 结语：
对黄土力学特性与应用研究的发展变化进行多侧面，多层次，多方法研究的根本目的是使人们的认识逐渐向黄土客观真是规律相靠近，以增强人们在解决复杂问题的思考面、可靠度和主动性。在新世纪黄土力学特性和应用在研究中占有重要的地位，第一，寻求和应用黄土力学特性研究的基础理论；第二，探索和应用黄土结构性定量化的有效参数；第三，发展和应用黄土地基处理的新途径；第四，完善和应用湿陷性黄土与结构共同作用的理论与方法；第五：重视和应用非饱和黄土中吸力对强度和变形的贡献。
参考文献
［1］ 谢定义，21世纪土力学的思考，岩土工程学报，1997，No.4：111~114
［2］ FREDLUND D G，MORGENSTERN N R，WIDGER R A.The shearstrength of unsaturated soils［J］.Canadian Geotechnical Journal，1978，15(3)：31~321
［3］ NG C W W，ZHAN L T，BAO C G，et al.Performance of an unsaturated expansive soil slope subjected to artificial rainfall infiltration［J］.Geotechnique，2003，53(2)：143~157.
［4］ 谢定义，邢义川，刘奉银.非饱和土的应力传递机理与有效应力分析.西安理工大学学报，2001.No.1:ppl-5.
［5］ 陈敬虞，Fredlund D.G..非饱和土抗剪强度理论的研究进展［J］.岩土力学，2003，Vol.24，Supp：655～660.
［6］ 沈珠江，当前非饱和土力学研究的若干问题［A］.区域性土的岩土工程问题学术讨论会论文集［C］南京：原子能出版社，1996.70
［7］ 孙树林，王利丰.饱和、非饱和有机质粉土抗剪强度的对比［J］,岩土工程学报，2006，28(11)：1 932~1 935.
［文章编号］1619-2737（2010）10-18-216
［作者简介］ 刘玲（1982-），女，2005年毕业于东北林业大学，土木工程专业，助教，现从事土木工程教学研究。
【关键词】黄土； 非饱和土； 吸力；抗剪强度
Analysis on the mechanical properties of unsaturated loess
Liu Ling
(1.Jilin university Changchun Jilin 130000；2.Construction engineering college in Jilin building decorate college Changchun Jilin 130000)
【Abstract】Then as a typical loess unsaturated soils, focused on the research suction, module and the current situation and problems in this article.In the new century, the way was proposed that China's Loess study on the mechanical characteristics of the development.
【Key words】Loess；Unsaturated soils；Suction；Shear strength
1. 前言
半个世纪以来，黄土对水的特殊敏感性及其在黄土变形、强度和本够关系等力学特性上所表现出来的影响规律一直是黄土力学特性研究的中心。
非饱和黄土结构性上的不同及其变化是其湿陷的主要原因，与黄土工程灾害及相关的环境灾害密切相关，从工程意义来说，黄土的特殊工程性质最主要的是它的力学性质，作为非饱和土，黄土具有明显不同于饱和软粘土的力学性质。因此，当含水率发生变化时，黄土相应的力学性能所发生的变化将成为黄土力学发展的关键。
2. 非饱和黄土吸力的研究现状
20世纪中，非饱和土力学研究的复苏是土力学发展中的又一次带有根本性质和长远影响事件。非饱和土大量存在及其对工程建筑巨大影响的事实，和土动力学的迅速发展一起是土力学开始走向成熟的一个重要标志［1］。黄土作为典型的非饱和土，随着非饱和土力学研究的不断发展，近年来其力学特性已被国内外学者纳入了非饱和土力学研究的范畴。
非饱和土力学的中心问题是吸力的研究，由于非饱和土力学本构关系中的吸力很难测定、不易测准，阻碍了非饱和土理论的工程应用。而以往黄土力学研究中普遍采用的总应力分析法因过于简化而无法满足工程应用的需要。因此针对黄土的特性，建立简单易用并能满足一定工程应用需要的黄土应力应变分析方法更有现实意义。非饱和土的强度大于饱和土的强度，大多数强度公式，如著名的Bishop有效应力强度公式和Fredlund的双应力变量强度公式［2］，都是含有吸力项的，反映吸力对强度的贡献。但是，控制吸力的室内试验代价昂贵、非常耗时；至于吸力的现场量测更加困难，即使世界范围内积累的实测资料也很少［3］；在理论分析和数值计算中要获得吸力，就涉及到现阶段仍不成熟且也比较复杂的非饱和土固结模型。正因为吸力量测和计算的困难，将吸力作为变量的非饱和土强度公式未能得到广泛的实际运用。吸力在非饱和土研究中的重要性不言而喻，但吸力的测定技术和预测方法都还比较复杂，室内和现场量测吸力的设备的可靠性和简便性都有待改进。
3. 非饱和黄土抗剪强度的研究
土的抗剪强度是土的一个重要力学性质，它的准确确定对土坡和地基稳定分析及土压力计算至关重要。与饱和土抗剪强度不同，非饱和土的抗剪强度由三个部分组成：即①由凝聚力产生的强度；②土受外部有效应力作用而产生的摩擦强度；③由于土中存在吸力而产生的强度，可称为吸附强度。研究非饱和土强度主要是研究第三部分，即吸力对强度的贡献。以往对非饱和土的研究提出了许多强度公式，主要可概括为以下两类：
3.1 第一类强度公式（理论公式）
国内外许多学者提出了非饱和土抗剪强度的理论公式，其中最著名的是Bishop用非饱和土有效应力表达的强度和Fredlund等人提出的用双应力状态变量描述的强度公式。Bishop的公式和Fredlund的公式分别表达如下：
τf=c'+(σ-μa)tgφ'+x(μa-μw)tgφ'
τf=c'+(σn-μa)tgφ'+(μa-μw)tgφb
式中c' ，φ'均为饱和土的抗剪强度指标；上述两式的第三项，即是吸力对强度的贡献，其中 χ为有效应力参数，且 0
Fredlund整理了集中不同地方土料的试验结果表明φb <φ'，故同样有 0
由于非饱和土试验设备尚未普及和吸力量测的困难，国内外有一些学者提出了一些非饱和土的抗剪强度的经验公式，其中两个比较有代表性的是：
3.2.1 沈珠江和余圣刚分别提出用双曲线来拟合与吸力有关的抗剪强度公式，其公式为：
τus=(μa-μw)11+d(μa-μw)tgφ'
τus=(μa-μw)1ctgα+(μa-μw)βtgφ'
其中 τus 为吸力抗剪强度，即吸附强度。以上两公式中的参数d 和α ， β均需由非饱和土试验确定。
3.2.2 包承纲用对数方程来表征土水特征曲线，得到土水特征曲线的实用公式如下：
θ-θrθs-θr=p-qlg(μa-μw)
其中：p=lg(μa-μw)r lg(μa-μw)r -lg(μa-μw)b
q=1 lg(μa-μw)r -lg(μa-μw)b
p ，q 分别是土水特征曲线下降段的斜率和截距，它们都是与孔隙尺寸有关的参数。根据土水特征曲线的公式，包承纲等得到的非饱和土抗剪强度的实用公式如下：
τf=c'+(σn-μa)tgφ'+(μa-μw)［p-q lg(μa-μw)］tgφ'
使用该公式时，需进行饱和土的三轴试验和土水特征曲线试验，分别测定饱和土的抗剪强度参数和土水特征曲线，则可计算一定应力状态下的非饱和土抗剪强度值。
4. 结语：
对黄土力学特性与应用研究的发展变化进行多侧面，多层次，多方法研究的根本目的是使人们的认识逐渐向黄土客观真是规律相靠近，以增强人们在解决复杂问题的思考面、可靠度和主动性。在新世纪黄土力学特性和应用在研究中占有重要的地位，第一，寻求和应用黄土力学特性研究的基础理论；第二，探索和应用黄土结构性定量化的有效参数；第三，发展和应用黄土地基处理的新途径；第四，完善和应用湿陷性黄土与结构共同作用的理论与方法；第五：重视和应用非饱和黄土中吸力对强度和变形的贡献。
参考文献
［1］ 谢定义，21世纪土力学的思考，岩土工程学报，1997，No.4：111~114
［2］ FREDLUND D G，MORGENSTERN N R，WIDGER R A.The shearstrength of unsaturated soils［J］.Canadian Geotechnical Journal，1978，15(3)：31~321
［3］ NG C W W，ZHAN L T，BAO C G，et al.Performance of an unsaturated expansive soil slope subjected to artificial rainfall infiltration［J］.Geotechnique，2003，53(2)：143~157.
［4］ 谢定义，邢义川，刘奉银.非饱和土的应力传递机理与有效应力分析.西安理工大学学报，2001.No.1:ppl-5.
［5］ 陈敬虞，Fredlund D.G..非饱和土抗剪强度理论的研究进展［J］.岩土力学，2003，Vol.24，Supp：655～660.
［6］ 沈珠江，当前非饱和土力学研究的若干问题［A］.区域性土的岩土工程问题学术讨论会论文集［C］南京：原子能出版社，1996.70
［7］ 孙树林，王利丰.饱和、非饱和有机质粉土抗剪强度的对比［J］,岩土工程学报，2006，28(11)：1 932~1 935.
［文章编号］1619-2737（2010）10-18-216
［作者简介］ 刘玲（1982-），女，2005年毕业于东北林业大学，土木工程专业，助教，现从事土木工程教学研究。