非饱和黄土等效吸力的研究

作为土力学基本框架的重要组成部分,饱和土的强度理论己经基本趋于成熟,而非饱和土在实际工程中分布更为广泛,其工程特性更为复杂,但其强度理论尚不十分完善。在非饱和土力学中,应力理论和强度理论是非饱和土力学变形与稳定性分析理论及计算方法的重要基础。非饱和土力学的研究水平目前还未进入实用阶段,主要原因在于吸力量测的困难。鉴于此,提出了用等效吸力代替真实吸力的试验方法并进行了验证。以常规静三轴试验得到的原状饱和黄土以及非饱和黄土的应力-应变曲线为基础,根据变形等效的原则确定某一饱和度相当的围压即为等效吸力。建立饱和度与等效吸力之间的非线性关系,并验证了该数学公式的正确性。为非饱和土理论应用于工程实践提供了一种新的实用方法。并根据试验结果分析含水量对非饱和土变形模量的影响,建立非饱和土的变形模量公式。     

非饱和土强度公式的比较研究

 非饱和土力学的基本理论已经确认了基质吸力的存在有利于非饱和土的强度提高,但是对于强度提高的机制到目前为止没有统一的结论,非饱和土强度理论中存在着单应力状态变量公式和双应力状态变量公式2种基本的理论表达式,并在此基础上产生了许多实用的强度公式。通过珞珈山土样的土–水特征曲线试验和非饱和三轴剪切试验对非饱和土强度公式进行比较研究。结果表明,珞珈山土样的进气值和残余含水量分别为237.7 kPa和4%;珞珈山土样非饱和强度在低吸力范围内,与吸力基本成线性增长关系,验证了非饱和土双变量强度公式的适用性;珞珈山土样的非饱和抗剪强度参数约为20.7°;现有的非饱和土实用公式精确性较差,非饱和土抗剪强度理论的应用有待进一步的研究与完善。     

非饱和土有效应力的大气张力公式与新概念土力学

海南学者蒙理明,在《建材世界》期刊共发表10篇论文,初步建立"非饱和土有效应力的大气张力公式与新概念土力学"的构架。其要点有:应该用有效应力的概念代替经典有效应力原理,即有效应力是土体中提供抗剪强度的点的集合所对应的应力;非饱和土有五相;自由水和孔隙气具有等效压缩刚度(等效压缩模量和等效压缩系数);有效应力的实质是自由水和孔隙气没有抗剪能力;大气张力抗拉强度,揭示了非饱和土的"吸力"之谜;大气张力库仑抗剪强度,展示了经典凝聚力的全貌;应该用绝对压强论述土力学。其公式有:非饱和土有效应力的大气张力公式;大气张力系列的饱和度系数和自由水通道率、有效自重应力、地基承载力、郎肯土压力、库伦土压力、土坡稳定、地基压缩变形和渗流固结等。     

非饱和土力学特性及本构模型

地表土几乎全是非饱和土，特别是在干旱和半干旱地区，用饱和土力学理论和实验手段不能正确解释和处理非饱和土工程问题。首先介绍用低吸力和高吸力分别描述土的非饱和程度；简单回顾饱和土力学理论之后介绍现在比较认可的非饱和土力学理论；介绍低吸力下非饱和土持水和力学性质的测试方法，重点说明因使用陶土板而需要注意事项与对策以及非饱和土三轴仪的体积测量方法；用吸力控制压缩试验、三轴试验和真三轴试验的实测结果说明非饱和土的典型力学性质；根据试验结果分析持水曲线的直接影响因素和持水与力学性质的耦合特性，用弹塑性方法建立非饱和土持水和力学特性耦合的本构模型，并用吸力控制或量测的等向压缩和三轴试验结果验证；开发高吸力范围内吸力控制三轴试验方法，用该方法获得广吸力范围内4种典型土的应力应变关系，并用其中两种广吸力范围内强度数据对各种非饱和土强度计算公式的适用性进行分析。     

双孔隙结构重塑非饱和膨胀土的抗剪强度特性

针对具有双孔隙结构（即集聚体间和集聚体内孔隙）及双峰持水曲线的内乡膨胀土压实样,进行了一系列宽广吸力范围内非饱和土三轴剪切试验及峰值强度演化规律的研究。试验结果表明：在净应力相同的条件下,中低吸力下的应力应变关系为应变硬化,伴随明显的剪缩变形;高吸力下为峰值后软化,在经历了1%～3%的体积收缩变形之后开始出现剪胀。试样的脆性随吸力的增加而增长,在中低吸力下呈桶形或中心鼓形的延性破坏模式,在高吸力下发生应变局部化现象,伴随着明显的剪切带出现。此外,脆性增加了峰后软化的幅度,表现为峰值偏应力与残余破坏状态之间的差值增大。基于区分毛细和吸附作用的双峰持水曲线（SWRC）模型,针对内乡膨胀土与其它具有双孔隙结构及双峰SWRC的土体在毛细吸应力空间进行了峰值强度分析,将吸力从孔隙应力尺度乘以毛细饱和度变为骨架应力尺度时,其呈现的强度包络线为双折线特征。理论分析表明,低吸力范围内,双孔隙结构非饱和土的抗剪强度由饱和强度与毛细吸应力贡献;高吸力范围内,抗剪强度应由饱和强度、毛细吸应力与胶结作用提供。     

基于饱和土总应力强度指标的非饱和土强度 理论及其应用

 实际工程中求解和测定吸力比较困难,特别在不排水条件下,吸力并非常量,从而难以确定。而饱和度相对容易确定,选择饱和度代替吸力,建立关于饱和度的非饱和土的抗剪强度公式有着重要的实用价值。提出不排水(等含水量)条件下的基于饱和土总应力强度指标的抗剪强度公式,克服了以往相关模型只适合于较小范围的缺陷,能够实现从非饱和土状态到饱和状态的平稳过渡,同时更能反映土体的工程特性;结合非饱和土的土水特征曲线试验及常含水量三轴剪切试验成果,确定适用于云南红黏土的相关拟合参数;将所得抗剪强度公式应用于地基承载力分析中,得到地基承载力随饱和度的减少接近线性增加的结论。     

用土力学的新概念揭开非饱和土力学之谜

该文用土力学的新概念解答了有效应力、吸力、经典凝聚力、抗剪强度、土的压缩变形及固结等等问题。在抗剪极限状态,颗粒接触点、结合水膜和表面张力收缩膜的对应项是有效应力。在绝对压强下,再没有负的土中自由水压力之说。非饱和土的吸力有4项,包括颗粒摩擦或咬合、结合水膜、表面张力收缩膜、水气不抵大气压强抗拉强度。经典凝聚力等价于初始抗剪强度,有2项,包括真凝聚力和初始摩擦抗剪强度。天然非饱和土的抗剪强度有4项,包括膜、水气不抵大气压强自重应力、土自重应力、附加重力的抗剪强度贡献。应该用总应力模式分析土的压缩变形及固结,非饱和土的本构关系应该是总应力、水分与总应变的关系。     

非饱和原状黄土增湿条件下力学特性试验研究

利用FSY30型应变控制式非饱和土三轴仪采用常含水率试验,研究陕西泾阳县某边坡原状黄土在不同含水率(无偏应力条件下增湿)、不同固结围压下的强度和变形特性,求得Fredlund双应力状态变量抗剪强度公式中b?值并利用含水率建立了工程中实用的抗剪强度公式;再将天然原状土在不同偏应力水平下增湿饱和后继续剪切,观察其力学特性。两种增湿条件下试验结果表明:该地区黄土应力应变曲线关系呈剪切硬化型;含水率与初始基质吸力呈双曲线关系,剪切过程中基质吸力无明显变化,抗剪强度指标黏聚力随着含水率的增大显著降低而内摩擦角所受影响较小;有偏应力条件下试样浸水饱和后破坏强度显著降低,但对应力应变关系影响较小,增湿时偏应力水平越低,土样饱和后的稳定偏应力值越小。     

全吸力范围内不同干密度膨胀土的强度特性

干密度和饱和度是影响非饱和膨胀土强度和变形特性的重要因素。为研究干密度和饱和度对非饱和膨胀土抗剪强度的影响,以南阳膨胀土为试验材料,对不同饱和度和干密度的南阳膨胀土的压实样进行直剪试验,得到了不同干密度及饱和度下的抗剪强度;利用滤纸法试验测得了南阳膨胀土在不同初始干密度下的土水特征曲线,并利用Fredlund-Xing方程进行全吸力范围内的拟合。通过土-水特征曲线将饱和度换算成吸力,得到了不同密度和吸力下南阳膨胀土的抗剪强度。结果表明:低吸力范围内非饱和膨胀土的强度随吸力的增大而增大;而高吸力时随着吸力的增大,土的强度变化趋势与干密度和应力大小有关,竖向压力较大和干密度较小时,强度随吸力增大而增大。     

低应力及拉应力条件下非饱和土强度及剪胀特性

利用宽广含水率变化范围内非饱和压实土低应力下的直剪试验和抗拉强度试验,研究非饱和土的强度及剪胀特性。试验结果表明:含水率低于塑限时,非饱和土剪切时出现应变软化型破坏和剪胀性;宽广含水率变化范围内,非饱和土峰值剪切强度、最小剪胀率及单轴抗拉强度均随着含水率的增加先增加后减小,变化趋势相同。基于试验结果,首先,对非饱和土拉应力区的Mohr-Coulomb强度包线进行修正。其次,验证修正的Bishop非饱和土抗剪强度模型预测性较差,并分析这种模型广为流行的原因。最后,得到吸力对非饱和土峰值抗剪强度的贡献来源于吸力引起的颗粒间的拉应力和剪胀作用两方面,其中吸力应区分毛细和吸附作用,并可用单轴抗拉强度近似表征拉应力的大小。     

从粒间吸力特性再认识非饱和土抗剪强度理论

首先对非饱和土中吸力进行了综合分类并对各类吸力的性状进行了系统阐述 ,认为非饱和土中土颗粒间的总吸力由本征结构吸力、可变结构吸力、有效基质吸力、湿吸力和牵引力组成。基于各吸力的特性和Mohr -Coulomb强度准则 ,从理论上直接给出了非饱和土的总吸力与抗剪强度间的关系 ,这不仅从形式上统一了Bishop和Fredlund的强度公式 ,而且在内容上明确了其中各状态变量的物理意义。文中分析了非饱和土抗剪强度的组成及其影响因素。对Donald在非饱和土试验中发现的砂性土抗剪强度与基质吸力间呈山坡形的曲线关系及Gan、Escario、Fredlund等的粘性土抗剪强度和基质吸力 (含水量 )间呈非线性正比关系 ,以及对同一非饱和土因具不同初始孔隙比而具不相同的抗剪强度现象给出了令人满意的理论解释。广义抗剪强度公式客观地反映了非饱和土的强度特性     

非饱和膨胀土总强度指标随饱和度变化规律

建立在有效应力基础上的非饱和土强度理论公式参数测试复杂、不便于工程应用,而包含吸附强度的总强度指标也能反映非饱和土的强度特性且易于获取。为此,以土水特征曲线为理论依据,采用抽气饱和、风干脱水法控制试样的饱和状态,用常规直剪仪对不同状态下的宁明膨胀土进行固结快剪试验,得到其总强度指标随含水量、饱和度的增大而衰减的变化规律。其中,黏聚力、内摩擦角的对数和含水量之间以及内摩擦角与饱和度之间成线性关系;黏聚力随饱和度的变化可用二次抛物线描述。对该规律的普遍性还用廖世文、卢肇钧同类试验结果的分析来加以检验。此外,针对膨胀土路堑边坡滑坍的特点,对如何将非饱和膨胀土总强度指标用于边坡稳定性分析进行探讨,研究结果可为工程应用提供参考。     

Shear strength of interfaces between unsaturated soils and composite geotextile with polyester yarn reinforcement

Composite geotextiles with polyester yarn reinforcement have been commonly used in combination with unsaturated soils. Both unsaturated and saturated shear strength of the interfaces were investigated between a composite geotextile and three major types of materials: silty sand (SM), low-plasticity silt (ML) and high-plasticity clay (CH) in a direct shear box. The interfaces were formed using two methods (A and B) to reflect the wide range of possible contact conditions in practice. Method A involved statically compacting the soil directly on top of the composite geotextile, while for Method B, the soil was statically compacted in a separate mold and later brought into contact with the composite geotextile. Type B interfaces required a larger displacement to mobilize the shear strength than Type A interfaces. The ultimate failure envelopes of SM and ML soils were similar to those of their interface shearing. Notably, the failure envelopes for the clay-geotextile interface of both types were higher than that of clay alone. The unsaturated soil-only shearing had a higher peak strength and tended to dilate more than saturated soil-only shearing, while unsaturated soil-interface shearing appeared to be more contractant than saturated interface shearing. The strength variations with suction for all tested soils and interface shearing were clearly non-linear. A new model that takes account of the condition of soil-geotextile contact intimacy is proposed for predicting the variation of interface strength with suction, based on the variation of the soil's apparent cohesion with suction and the geotextile-water retention curve.     

上海软土的非饱和三轴强度

由于吸力的影响,非饱和土的力学性状与饱和土有着很大的差异,饱和土的有关强度理论无法简单地运用于解决非饱和土问题。本文通过室内吸力控制的非饱和土三轴剪切试验,研究上海地区软土的强度特征。结果表明:上海软土(④层灰色淤泥质粘土)非饱和强度在低吸力范围内,与吸力基本呈线性增长关系,验证了非饱和土的双变量强度理论的适用性;上海地区第④层灰色淤泥质粘土的非饱和土抗剪强度参数?b约为10.6°。随着非饱和土问题的研究的逐步深入,非饱和土强度理论在上海地区软土地层中的应用,还有待进一步研究和完善。     

非饱和土强度理论在高填方路基稳定分析中的应用

现有高填方路基的稳定性问题的分析均采用传统的饱和土强度理论,并没有考虑路基土体内由于地下水位下降等原因产生非饱和土层的情况,非饱和土中基质吸力对路基土体抗剪强度进而对其整体稳定性状产生的影响。采用非饱和土的强度理论推导了高填方路基整体稳定分析方法。     

非饱和土的性状及膨胀土边坡稳定问题

主要叙述非饱和膨胀土及其边坡稳定研究方面的新进展。首先讨论了非饱和土研究中与土坡稳定性有关的若干重要特性,指出非饱和土的气 水形态问题是非饱和土研究的一个基本问题。并提出随含水率由小变大,非饱和土存在四种气 水形态,不同气 水形态的土具有不尽相同的性状。然后,对非饱和土的吸力和土水特征曲线以及不同气 水形态下的强度作了讨论,并对非饱和土的本构关系作了简要的介绍。接着以南水北调中线膨胀土渠道工程为背景,以吸力问题为中心,对非饱和膨胀土边坡滑动的各种内在的和外界的因素进行了分析,尤其对新近研究的降雨入渗和裂隙影响的研究进行了定量的分析,改变了以往对这方面只进行定性研究的情况。在此基础上对边坡失稳的机理和考虑裂隙及雨水入渗的稳定分析方法进行了研究。     

膨胀力在非饱和土强度理论中的作用

回顾了Ｂｉｓｈｏｐ和Ｆｒｅｄｌｕｎｄ提出的两种用吸力（ｕａ－ｕｗ）计算吸附强度的理论公式，提出了非饱和土抗剪强度是由以下三个部分组成：①真凝聚力ｃ；②外力产生的摩擦强度（σ－ｕａ）ｔｇφ；③吸力所产生的内摩擦强度（吸附强度）τｓ。并对三种理论公式及吸附强度计算式进行了总结对比，指出Ｂｉｓｈｏｐ和Ｆｒｅｄｌｕｎｄ公式因其吸力及参数均复杂难以测定，至今尚未能在工程实际中广泛应用，而本文公式因膨胀力ｐｓ和参数ｍ测定技术简便易行，可为非饱和土抗剪强度的研究工作提供一条新的探索与发展途径。     

基于非饱和土理论的简化强度判断公式研究

非饱和土的抗剪强度理论研究已有近40年的历史,目前研究者提出了多种抗剪强度公式。但是这些公式大多都将基质吸力作为单独一个变量考虑,而实际工程中基质吸力的测试是非常困难的。笔者在研究分析前人提出的抗剪强度公式基础上,进一步归纳出基于区域性土水特征曲线数据库的＂无基质吸力项＂的非饱和土强度判断公式。