部分飽和土壤的體積變化特性

部分飽和土壤在吸力不變的情況下，施加圍壓增加則體積縮小，解壓 則回脹，此現象與飽和時相似。若在淨應力固定的情況下，改變吸力的大 小，則體積變化的情況較為複雜。因此本節將體積變化之特性分為兩部分 討論。

固定吸力下，土壤體積隨淨應力的變化：

在吸力不變的情況下，土壤體積隨淨應力改變的趨勢，可從壓密曲線 觀察之。實驗結果顯示，當土壤內部有吸力存在時，壓密曲線仍有兩種斜 率，分別反應過壓密與正常壓密兩種階段。然而和飽和時的壓密曲線相比，

部分飽和土壤的正常壓密線段有向右移動的現象，吸力越大則正常壓密曲 線的位置越向右移動(Alonso, et al., 1990; Wheeler 與 Sivakumar, 1995;

Futai 與 Almeida, 2005)，如圖 2.10 所示。

圖 2.10 壓密曲線隨吸力變化的趨勢 (Futai 與 Almeida, 2005)

欲使吸力上升，飽和度必須逐漸下降，然而飽和度最終的下限為 0，因 此正常壓密曲線向右移動的趨勢有一邊界存在。在移動的過程中，除了截 距的改變以外，正常壓密曲線的斜率亦有隨吸力改變的趨勢。

在土壤為過壓密的情況下，解壓再壓曲線的斜率也隨吸力有些微的改 變，但改變程度非常有限(Alonso, et al., 1990)。因此，在討論部分飽和土壤 的彈塑性行為時，許多文獻假設解壓再壓曲線的斜率不隨吸力改變(Loret 與 Khalili, 2002; Gallipoli, et al., 2003; Chiu 與 Ng, 2003)。

固定淨應力下，土壤體積隨吸力的變化：

在固定的圍壓下，若降低飽和度使吸力上升，土壤體積將隨之收縮，

此現象被稱為吸力壓密(suction consolidation)或乾縮(shrinkage) (Kohgo, et

20

al., 1993)。

Fleureau, et al. (1993) 曾對 11 種不同土壤，測試乾濕循環

(drying-wetting cycle)後的體積變化。在吸力從 0 逐漸上升至空氣進氣值的 階段，體積變化的斜率較大，超過空氣進氣值後，斜率則較小，若將吸力 逐漸降回 0，體積將以此斜率逐漸回脹，圖 2.11 為其中兩種土壤的實驗數 據。

(a)

(b)

圖 2.11 土壤在乾濕循環下的體積變化： (a) Jossigny laom (b) White clay (Fleureau, et al., 1993)

上述的實驗結果，若以有效應力的觀念，可以得到合理的解釋：吸力 上升則有效應力上升，土壤體積收縮；反之則回脹。然而部分飽和土壤而

22

在飽和度上升的過程中，也有可能發生體積突然收縮的現象，此現象被稱 為濕陷(wetting collapse)。在 1960 年代，濕陷被視為有效應力觀念無法解釋 的現象(Jennings 與 Burland, 1962)，成為早期有效應力觀念未被採用的原因 之一。

Khalili, et al. (2004)曾討論有效應力觀念對於部分飽和土壤的適用性，

並解釋濕陷發生的原因。假設土壤在初始時為部分飽和，其正常壓密線的 位置如圖 2.12 中的線段 B 所示，體積與有效應力的狀態如點 1 所示。此時 若吸力下降，則有效應力也隨之下降，體積因解壓而回脹，如點 2 所示。

然而在真實情況下，正常壓密線的位置也應隨吸力下降而左移，若其左移 的速度較快，到達線段 A 的位置，則此時對應的孔隙比應為圖中的點 3 所 示。換言之，在正常壓密線左移的速度較快時，土壤並非遵照彈性的行為 回脹(路徑 1-2)，而是維持在正常壓密的狀態，產生塑性的體積收縮(路徑 1-3)，此即濕陷發生的原因。

圖 2.12 濕陷發生的原因 (Khalili, et al., 2004)

除了上述的體積變化特性外，Sharma (1998)曾以高度膨脹性的黏土進 行試驗，在反覆的乾濕循環之下，土壤產生了不可回復的體積應變，如圖 2.13 所示。

圖 2.13 土壤在反覆乾濕循環下的體積變化 (Sharma, 1998)

在反覆的乾濕循環中，阻滯現象的影響更為顯著，欲討論此時的體積 變化特性，必須考慮阻滯現象的影響。