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水 利 学 报

２０２２年 １２月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５３卷 第 １２期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２２）１２ － １５１２ － １４

考虑渗气渗水函数的非饱和土固结性状研究

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陈 聪 ，张 昭 ，张同令 ，赵 伟 ，刘奉银 ，齐吉琳 ２
（１．西安理工大学 岩土工程研究所，陕西 西安 ７１００４８；２．北京建筑大学 土木与交通工程学院，北京 １０００４４）
摘要：大坝蓄水所引起的水环境变化会诱发其周边建筑物地基产生显著的沉降变形，要合理预测其沉降过程，则
需研究非饱和土地基的固结性状。为此，基于混合物理论，在非饱和土的水、气两相渗流 － 变形耦合方程组中，
采用离散线性化的方法引入了渗气渗水函数和持水曲线方程，给出了考虑渗气渗水系数比值变化的一维固结微分
方程组，进而采用积分变换方法求得非饱和土层孔隙水、气压力消散及其沉降变形的解析解。最后，选取水、气
相互连通的非饱和土层典型算例，通过与已有文献所述未考虑渗气渗水系数比值变化的解析解、有限差分解的计
算结果对比发现：本文解析解因考虑了水、气渗流相互作用对非饱和土固结过程的影响，故其计算的孔隙水、气
压力消散曲线与沉降变形曲线较已有文献解析解更接近于有限差分解的计算曲线。
关键词：非饱和土；一维固结解析解；渗气渗水函数；孔隙水压力；孔隙气压力
中图分类号：ＴＵ４３
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２００６０

１ 研究背景

水利工程的建设和运营可能会影响其周边建筑物地基土层的变形及其稳定性，尤以大坝在蓄水后
因水环境变化而产生的影响更为显著。以文献［ １ － ２］所述巴西佩雷拉巴雷图市的 ＴｒêｓＩｒｍｏｓ土石坝为
例，其蓄水过程造成距水库 ２０ｋｍ的市区地下水位显著上升，致 使 地 基 土 层 产 生 明 显 的 增 湿 变 形，
从而诱发建筑物沉降破坏。Ｖｉｌａｒ等 ［２］ 对该市 区沉降变 形 量 最大 的 含 黏粒 砂土 层取 样开 展了持水试
验与控制基质吸力的固结试验，结果表明：该地基土层长期处于非饱和状态，因地下水位上升而发
生的增湿变形属典型的非饱和土水、气渗流与变形耦合问题。因此，在大坝蓄水对周边建筑物造成
的沉降变形分析中，引入非饱和土的一维固结理论及其分析方法至关重要。为此，已有学者采用双
变量理论、混合物理论 和 力 － 水 耦 合 方 法 开 展 了 非 饱 和 土 固 结 性 状 的 解 析 解、半 解 析 解 及 数 值 解
研究。
（ １）双变量理论：Ｆｒｅｄｌｕｎｄ等 ［３］ 以净应力 σ － ｕ和基质吸力 ｕ－ ｕ为基础，结合非饱和土的本构关
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ａ
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系与非饱和土的水、气运移规律建立了水、气两相的固结微分方程组。秦爱芳等 ［４ － ６］ 以 Ｆｒｅｄｌｕｎｄ所提
固结理论为基础，给出了瞬时荷载和指数型荷载作用时，土层在不同边界及初始条件下的一维固结半
解析解。秦爱芳等 ［７］ 将迭代法与渗气系数及渗水系数关于基质吸力的函数相结合，求解不同时刻的基
质吸力和渗气系数及渗水系数，以分析渗透系数变化时线弹性、黏 弹 性 地 基 的 超 孔 隙 水、气 压 力 随
时间的消散规律；陈正汉等 ［８］ 和张龙等 ［９ － １０］ 对双应力状态变量进行了一系列推导验证，并在此基础
上建立了多种非饱和土固结模型 ［１１ － １３］ ；Ｋｉｍ等 ［１４］ 在 Ｆｒｅｄｌｕｎｄ提出的不同循环荷载作用 下非饱和土

收稿日期：２０２２ － ０１ － ２５；网络首发日期：２０２２ － １１ － １９
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２２１１１７．１０４２．００２．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然 科 学 基 金 项 目 （４１８７７２７８）；国 家 留 学 基 金 项 目 （２０１９０８６１００４３）；陕 西 省 教 育 厅 重 点 实 验 室 科 研 计 划 项 目
（ １８ＪＳ７１）；陕西省科技创新团队项目（２０２２ＴＤ － ０１）
作者简介：陈聪（ １９９４ － ），硕士生，主要从事非饱和土的力学特性研究。Ｅ － ｍａｉｌ：３０２５２９９７３５＠ｑｑ．ｃｏｍ
通讯作者：张昭（１９８３ － ），博士（后），副教授，主要从事非饱和土的水力与力学特性研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｚｈａｏ＿１９８３＠１２６．ｃｏｍ

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