部分飽和土壤的體積變化行為 部分飽和土壤的體積變化行為 部分飽和土壤的體積變化行為 部分飽和土壤的體積變化行為

部分飽和土壤的體積變化特性可分三部份來加以探討。一、在吸力不 變的情況下土壤體積隨淨應力變化，此部份可歸類為部分飽和土壤的排水 條件下的體積變化行為，淨圍壓施加增加則體積縮小，解壓則體積回脹，

表現的行為與土壤飽和時相似；二、在淨應力固定的條件下，改變吸力的 大小，體積變化行為趨於複雜；三、在不排水條件下，施加淨圍壓，土壤 體積的改變行為。

本節將分別就以上的三個部份來做討論，其中，第三部份的不排水條 件下的體積變化情形雖少有實際的實驗數據顯示部分飽和土壤體積在此條 件下的變化情形，但仍有其相關理論在本節與往後章節中有所討論。

一、固定吸力下，土壤體積隨淨應力之變化：

Futai & Almeida (2005) 以實驗做出在控制吸力不變的情況下，土壤體 積隨淨應力變化的情形，結果如圖 2.18。可由壓密曲線的實驗結果來看體 積變化的趨勢；壓密曲線呈現兩種不同的斜率，分別表示土壤的正常壓密 階段與過壓密階段。結果顯示當有不同吸力存在時，土壤的正常壓密曲線 和土壤在飽和狀態時有所不同，當吸力值逐漸增加正常壓密曲線也逐漸往 右移動(Alonso, et al.,1990、Wheeler & Sivakumar, 1995)。

吸力逐漸增加，反之飽和度逐漸下降，因此，正常壓密曲線往右移動 的邊界即是飽和最終為零時。而且正常壓密曲線除了有往右移動的現象 外，其斜率亦有逐漸變大的趨勢。

相對於正常壓密曲線的改變，解壓再壓曲線雖然也有斜率上的變動但

解壓再壓曲線的斜率不隨吸力改變(Loret & Khalili, 2002、Gallipoli, et al., 2003、Chiu & Ng, 2003)。

圖 2.18 壓密曲線隨吸力變化的趨勢 (Futai & Almeida, 2005)

二、排水條件下，固定淨應力而改變吸力時之體積變化：

在固定淨圍壓的條件下，使吸力值逐漸上升，則土壤的體積呈現收縮 現象，此一行為稱之為吸力壓密(suction consolidation)或乾縮(shrinkage) (Kohgo, et al., 1993)。

Blight(1965)、Vicol(1990)與 Fleureau, et al. (1993) 均曾對不同土壤，施 做乾濕循環(drying-wetting cycle)後的體積變化。在所有的試驗結果均顯示 在吸力值尚未越過空氣進氣值得階段，體積變化的斜率會比較大；當吸力 值越過空氣進氣值後體積變化的斜率會下降很多，若此時又將飽和度升高

及吸力值降低，當吸力值小於空氣進氣值時體積變化率將以較小之斜率逐 漸回脹，圖 2.19 為 Vicol(1990)與 Fleureau, et al. (1993)的實驗結果。

(a)

(b)

圖 2.19 乾溼循環下土壤的體積變化：(a) Fleureau, et al.,1993 (b)Khalili, et al.,2004 改繪自 Vicol,1990 實驗數據

由上述的實驗結果，吸力上升代表有效應力增加，土壤體積呈現收縮 行為，反之則回脹，因此已有效應力的觀點來看可以獲得合理的解釋。然 而在吸力值逐漸下降，飽和度逐漸上升的過程中會發生有效應力無法解釋 的濕陷現象(collapse upon wetting)，所謂的濕陷現象是發生於飽和度上升的 過程中體積會突然發生收縮的現象。

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 2.20 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 2.20 濕陷發生的原因 (Khalili, et al., 2004)

此外對於膨脹性土壤在乾濕循環下還有會產生不可回復性的體積應變 的特性。Sharma(1998)曾對膨脹性土壤作試驗結果如圖 2.21 所示：

圖 2.21 土壤在反覆乾濕循環下的體積變化 (Sharma, 1998)

三、不排水條件下，施加淨圍壓時之土壤體積變化：

所謂的不排水條件即為部分飽和土壤在施加淨圍壓的過程中孔隙氣體 與水均無法與外界相通。在此條件下的土壤體積變化將與土體中固體顆 粒、水與空氣三項的壓縮性有關。從直覺的物理概念來看，空氣的壓縮性 相對於土壤顆粒與孔隙水要來的大許多，因此可以預期的是整體土壤的體 積在受壓的不排水條件下將呈現收縮行為。

部分飽和土壤在不排水條件下的體積改變行為是可以預期的，但對於 此一條件下的有效應力卻相形複雜，其中因為有孔隙氣壓與水壓的改變而

連帶使得吸力值也一起變化，甚至連有效應力參數 χ 也會有影響，由此不 排水條件下部分飽和土壤的體積改變行為理應影響土體的有效應力甚鉅。

Rahardjo(1990)曾進行一系列單向不排水加載(K0 –undrained loading) 的試驗，用以討論孔隙氣、水壓對土壤強度的影響，其中當然也包括體積 的改變，試驗的結果如預期體積呈現收縮，如圖 2.22 所示：

圖 2.22 不排水條件下部分飽和土壤體積收縮行為(Rahardjo,1990)

Fredlund & Rahardjo (1993) 提出以排水的體積改變行為的體積壓縮係 數用以預估不排水體積改變的理論。Graham, et al. (1995)亦曾進行所謂快速 不排水三軸壓縮試驗(Quick-undrained triaxial compression test)，但其重點僅 在討論不排水條件下部分飽和土壤的剪力強度，並未對體積變化多有著墨。