吸力、含水率和干密度对重塑非饱和土抗剪强度影响研究

进行了一系列控制吸力、含水率和干密度的直剪试验,研究了重塑非饱和土的抗剪强度特性。试验结果表明,在试验研究的吸力范围内,非饱和土的黏聚力随吸力线性增加,而内摩擦角随吸力的变化则很小。对于控制含水率的试验,非饱和土的黏聚力和内摩擦角均随含水率增加而线性减小,且黏聚力减小的幅度更明显。干密度对非饱和土的内摩擦角几乎没有影响,黏聚力随干密度呈指数增加。对控制吸力和含水率的试验结果进行了比较,提出的考虑含水率影响的抗剪强度公式可供实际工程参考。     

不同压实度和基质吸力的粉煤灰三轴试验研究

粉煤灰的非饱和抗剪强度是准确分析非饱和状态灰坝的稳定性所必需的,但目前对其研究积累较少。通过控制不同压实度、不同基质吸力、不同净围压对粉煤灰进行一系列非饱和土三轴试验,探讨压实度和基质吸力对粉煤灰应力?应变关系曲线和强度参数的影响。研究结果表明,基质吸力较低时粉煤灰的应力?应变曲线没有峰值,呈硬化型;基质吸力逐渐增大时应力?应变曲线有明显的峰值,呈软化型;压实度越大,非饱和粉煤灰试样的应力?应变曲线的软化特征越明显,总黏聚力和内摩擦角均越大;非饱和粉煤灰的总黏聚力随着基质吸力的增大而逐渐增大,增大速率逐渐变缓,最后趋于稳定;不同基质吸力粉煤灰试样的内摩擦角变化不大,并且都近似等于饱和试样的内摩擦角;随着基质吸力的增大,吸力内摩擦角对粉煤灰试样的抗剪强度的贡献越来越小。研究得出的非饱和粉煤灰的抗剪强度特性对灰坝的设计和稳定性分析具有理论意义和工程实用价值。     

利用常规直剪试验评价非饱和黄土抗剪强度

为了研究一种简化的方法评价非饱和黄土抗剪强度,本文利用常规直剪仪对非饱和重塑黄土进行固结快剪试验,Whatman s No.42型滤纸测试固结前和剪切后土样吸力,研究同一正应力下初始吸力和剪后吸力的变化趋势及机理,并用非饱和直剪测试结果对常规直剪和滤纸法测得的吸力与强度进行了效验。研究表明,土-水特征曲线的进气值和残余值对固结前和剪切后干密度和吸力的变化起控制作用,获得初始吸力与剪后吸力的变化关系。基于Vanapalli模型,提出了利用土样初始土-水特征曲线、有效黏聚力和有效内摩擦角预测非饱和黄土抗剪强度的公式,研究结果简化了非饱和土强度测试方法,节约了时间,为非饱和土抗剪强度理论在工程实践中推广应用提供新思路。     

基质吸力对巴东组软岩碎屑土夹层强度影响的试验研究

宜昌—巴东高速路部分路堑边坡因发育碎屑土夹层而稳定性变差,影响高速公路的建设与运营。水对巴东组软岩碎屑土夹层的强度与变形特性影响显著,而目前针对其非饱和强度特性开展的研究并不多。为探索基质吸力对碎屑土夹层强度的影响,利用GDS非饱和三轴仪开展其强度试验研究,得到碎屑土夹层的非饱和强度指标。结果表明基质吸力对巴东组软岩碎屑土夹层强度影响显著,碎屑土夹层的总黏聚力与峰值强度都随基质吸力的增大而呈非线性增长,内摩擦角φb则随基质吸力的增大先减小而后趋于稳定,且都小于有效内摩擦角φ'。研究表明基质吸力碎屑土夹层的强度特性影响较大。     

干湿循环下膨胀土基质吸力测定及其对抗剪强度影响试验研究

采用常规直剪仪对干湿循环作用下的非饱和膨胀土进行了不排水剪切试验,获得了不同含水率试样的总应力抗剪强度指标,可采用总黏聚力和总内摩擦角来反映土体的不排水抗剪性能;采用滤纸法测定了剪切完成后试样固定剪切面的基质吸力,结合直剪试验结果建立了全吸力范围内非饱和膨胀土的抗剪强度模型,通过试验对比验证了模型的合理性。干湿循环会显著降低膨胀土的不排水抗剪强度,其中对土体总黏聚力的削弱程度远大于对总内摩擦角的削弱程度。总应力抗剪强度指标与基质吸力的对数值近似为线性关系,土体抗剪强度随着基质吸力的增加而非线性增大,增大速率逐渐减小。试验结果表明,采用常规直剪仪和滤纸法开展干湿循环条件下非饱和膨胀土的抗剪强度研究是可行的。     

吸力内摩擦角的确定方法研究

吸力内摩擦角在非饱和土抗剪强度理论中是一个关键参数,因受设备、测试技术以及试验方法等的限制,对于其值的确定难度较大。详细地分析了土的基本物理力学性质、测试方法对吸力内摩擦角数值的影响,并通过定性分析和定量计算结合,认为干密度、含水率、内摩擦角、黏聚力与吸力内摩擦角之间存在着一定的非线性关系,因而借用人工智能--BP神经网络的方法构建了4:9:1的网络结构模型,实现了对吸力内摩擦角 的预测和计算。通过预测结果的分析可知,该模型模拟和预测的精度均较高,因此,该种方法可以应用到非饱和土吸力内摩擦角值的预测之中去。     

结构性对非饱和Q_3黄土强度和屈服特性的影响

为研究结构性对黄土强度特性和屈服应力及屈服吸力的影响,以兰州非饱和原状Q3黄土及其重塑土为研究对象,利用非饱和土四联直剪仪和改进型非饱和土三轴仪进行了一系列的非饱和土直剪和各向等压加载以及三轴收缩试验。试验结果表明:原状黄土及其重塑土的黏聚力和内摩擦角均随吸力的增加呈线性增长趋势,吸力越大,抗剪强度越高;Q3原状黄土具有较高的结构性,其抵抗外力破坏的能力较高,而重塑土土粒之间结构比较松散,因此,原状土的抗剪强度要高于重塑土,尤其在低吸力和高含水率情况下;定义了黏聚力结构参数cM和内摩擦角结构参数M?,得到了黏聚力耦合值*c和内摩擦角耦合值*?随吸力变化的拟合公式,为实际工程抗剪强度指标的选取提供另一种尝试;原状黄土的屈服应力和屈服吸力均大于重塑土,在p-s平面上原状黄土的弹性区要大于重塑土;两种土的屈服应力之差随着吸力的增大而线性增大,屈服吸力趋近于一常数,受净平均应力的影响较小;试样屈服前,原状黄土较强的结构性导致其变形要小于重塑土,试样屈服后,两者变形差别不大。试验结果为进一步建立结构性模型提供了试验基础,也为黄土地区工程建设提供了参数依据。     

杭州湾浅层储气砂土应力路径试验研究

利用GDS非饱和三轴试验系统开展了杭州湾储气砂土主动压缩、被动压缩、主动伸长与被动伸长等4种应力路径试验研究,以论证应力路径对非饱和砂土的变形性状与强度特性影响。结果表明,在卸荷应力路径被动压缩与被动伸长下非饱和砂土的应力-应变曲线呈明显的应变软化性状,而加荷应力路径主动压缩与主动伸长则分别表现为轻度应变软化及显著应变硬化变形特征;非饱和砂土的强度参数在卸荷与加荷应力路径中也存在差异,前者的有效凝聚力高于后者,而内摩擦角则相反;但其表观凝聚力与基质吸力关系在不同应力路径下均可用乘幂函数 有效描述,而试验参数a、b值不同,公式 可合理地用于表述非饱和砂土的强度特性。     

非饱和抗剪强度指标c、φ值与含水率w的关系

非饱和土力学已经确认了基质吸力与非饱和土的强度指标有关,而基质吸力与含水率有着密切的关系。通过理论和三轴剪切试验分析,探讨了非饱和残积土抗剪强度指标c、φ与含水率ω变化的一般规律;同时结合已经推出的土水特征曲线关系,探讨抗剪强度指标c、φ与基质吸力μ的变化的一般规律。结果表明:随着非饱和土含水率ω增加、基质吸力μ的减小,黏聚力c有减少的趋势,内摩擦角φ变化不大。通过线性回归分析,黏聚力与含水率成半对数线性关系,黏聚力与基质吸力成线性关系。现有的非饱和土实用公式精确性较差,非饱和土抗剪强度指标有待进一步的研究与完善。     

基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响

在自然界和工程实践中遇到的土大多数是非饱和土,研究吸力对非饱和土抗剪强度的作用,对于工程实践具有重要的意义。通过压力板仪和直剪仪组合试验,探讨了击实土抗剪强度和基质吸力的关系。试验结果表明：凝聚力在饱和度为40%-60%时最大,而内摩擦角则随饱和度增加而有所减少。进一步对比土-水特征曲线与抗剪强度的关系,并整合前人研究成果,指出了非饱和土中吸力对其抗剪强度影响的规律。对于无黏性土,在边界效应区不产生假凝聚力,且内摩擦角不变;在过渡区与非饱和残余区,假凝聚力和基质吸力的关系存在峰值且变化较大,内摩擦角则随吸力增加而增加。对于黏性土,残余体积含水率所对应的最小吸力可能是影响抗剪强度的界限值,小于此吸力值,φb可近似为常数。但在非饱和残余区,凝聚力将随土状态路径的不同而变化。对于重塑土,凝聚力降低;而对于原状土,则凝聚力可能不变或增加。     

非饱和原状黄土强度特性的试验研究

用新研制的非饱和土直剪仪,进行了4组16个控制吸力的非饱和土直剪试验,得到了原状黄土的抗剪强度曲线。分析和探讨了非饱和原状黄土的强度特性。研究表明,同吸力对应的抗剪强度线在 - 图中的位置明显不同,且呈直线式上升;在试验研究的吸力范围内,原状黄土的摩擦角随吸力的变化很小,而粘聚力呈随吸力线性增加。     

非饱和土库仑主动土压力统一解

基于非饱和土双应力状态变量抗剪强度统一解,合理考虑中间主应力效应,建立了非饱和土库仑主动土压力统一解,并对其进行可比性分析,将其计算结果与非饱和土朗肯主动土压力统一解进行对比,得出各因素的影响特性。研究结果表明,中间主应力和基质吸力对库仑主动土压力的影响显著,随统一强度理论参数和基质吸力的增加,库仑主动土压力不断减小直至为0,证明了考虑中间主应力可以充分发挥材料的自承载能力和强度潜能,具有可观的经济效益;库仑主动土压力随墙背倾角与填土倾角的增大而增大,随有效内摩擦角和基质吸力角的增大而减小,外摩擦角的影响不显著。非饱和土库仑主动土压力统一解具有更广泛的适用性,朗肯主动土压力统一解为其特例,其结果对边坡、基坑等工程的土压力确定和支挡结构设计有很好的借鉴作用。     

考虑基质吸力变化时非饱和土的一维本构模型

当地下水位上升或地面遇水浸润时,土的饱和度将因毛细作用而变化,以此使土体产生变形。其中由于含水量增加而使土的重度增大,从而引起压缩变形;同时含水量的增加而使基质吸力下降,从而引起土的回弹变形,因此最终变形取决于上述两种变形趋势的综合效应。根据广义Hook定律、Fredlund的双应力状态变量及Brooks和Corey关于基质吸力与饱和度之间的经验关系,建立了K0状态下非饱和土的一维本构模型。将这一模型与分层总和法相结合,可以计算基质吸力变化时土的竖向变形。通过研究发现,非饱和土的地面变形不仅取决于土的性质与土层的厚度,而且依赖于土中吸力变化前后的分布及应力状态等因素。所建议的一维本构模型可以用于非饱和土地基上基础的沉降估算。     

非饱和土边坡稳定分析方法探讨

在对非饱和土边坡进行稳定分析时,应该全面地考虑基质吸力对边坡稳定的贡献。首先,分别探讨了基于Fredlund非饱和土强度表达式和Bishop非饱和土有效应力强度公式将强度折减有限元法推广到非饱和土边坡稳定分析中的具体方法;然后,开发了可以考虑基质吸力两种处理方法的强度折减有限元计算程序;最后,给出了一个非饱和土边坡稳定分析的对比算例,说明了二者的不同特点。     

考虑基质吸力作用的土坡稳定性分析

非饱和土基质吸力的有效应力作用,使得土体的抗剪强度得以提高。基于Fredlund的非饱和土抗剪强度理论,在土坡极限平衡分析方法中,同时考虑分条的土条底面与条间的基质吸力分布对土体抗剪强度的贡献,进而构筑考虑基质吸力作用的土坡极限平衡分析方法。构筑基于极限平衡分析方法的目标函数,应用SLP优化方法寻求最危险滑动面。用具体计算实例说明这种分析思路可以评价土坡的稳定性评价的影响。     

Influence of matric suction on shear strength behavior of a residual clayey soil

In this paper, the shear strength with respect to the matric suction of unsaturated soils was studied. For this purpose, unsaturated triaxial testing procedures were applied to the undisturbed residual soil specimens. An apparatus for performing triaxial tests was designed and constructed. In the tests, matric suction was controlled by using the axis translation technique, and pore water volume changes were measured by means of a volume change transducer with 10⁻⁸ m³ sensitivity. The test results indicated that the matric suction contributes to the shear strength of unsaturated soil specimens, and this contribution called suction strength varies non-linearly with respect to the matric suction. The logarithmic model needing to know the air-entry value and the internal friction angle of a soil specimen for prediction of the suction strength were presented and compared with the test results. It was found that suction strength values predicted from the proposed model were in satisfactory agreement with the experimental results.     

基于可靠度方法的全基质吸力段土-水特征模型研究

土-水特征曲线是非饱和土入渗和流-固耦合分析的基础,目前该模型的研究成果由于试验方法和设备的局限,仅能够得到局部基质吸力段(低吸力或高吸力)的土-水特征曲线;而如何根据局部试验数据集推断与试验结果相吻合的全基质吸力段范围的土-水特征曲线是一个难题。对东南沿海广泛分布的原状残积土进行了不同基质吸力段的土-水特征试验。根据残积土低吸力段和高吸力段的试验数据,运用可靠度分析方法,从土壤孔隙微元破裂失稳的角度,建立了土壤全基质吸力段的土-水特征模型。根据UNSODA2.0数据库提取砂土、粉土、黏土等3种类型土样本(52个)的试验数据,讨论了模型参数意义和不同土类的模型适用性,进行了不同土-水特征模型的比较分析。对比验证研究表明,形状参数σ和中值比例参数μ使提出的模型具有很强的适应性,并且具有依据局部试验数据(低或高基质吸力段)快速获得全基质吸力段土壤土-水特征曲线的能力。与其它模型相比,模型计算过程适应性强,模型决定系数R2>0.98。研究结果对快速获取不同类型土壤的全基质吸力段土-水特征曲线具有参考价值。     

饱和度对风化花岗岩边坡土体抗剪特性的影响

强降雨易诱发风化花岗岩边坡浅层滑坡,其滑坡滑动面多位于具有较大孔隙尺寸的强风化带。通过对广西玉林与梧州交界处风化花岗岩边坡浅层滑坡的现场勘查和对不同层位的土体进行物理力学试验,研究了饱和度对湿热地区风化花岗岩双层土质边坡抗剪强度的影响,发现两个风化带土体都存在一个“最优饱和度”使抗剪强度达到峰值,但饱和度对抗剪强度指标的影响规律不同,即饱和度对黏聚力影响很大,对内摩擦角影响很小;花岗岩全风化带与强风化带土体性质差异明显,尤其表现在饱和度影响下抗剪强度特性方面,从基质吸力理论和颗粒间胶结作用角度分析所发现的现象,可以清楚地解释产生差异的机制,为风化花岗岩边坡的开挖和滑坡的防治提供理论基础。