基于CD三轴试验的非饱和黄土吸应力强度参数确定

非饱和土强度参数的确定是其能够用于工程实际的关键。目前公认的非饱和土强度理论有Bishop的单变量理论、Fredlund的双变量理论以及Lu Ning的吸应力强度理论。其中吸应力强度理论基于吸应力特征曲线,可直接由常规三轴试验得出,回避了测定基质吸力的问题,便于在工程实际中推广。本文通过不同含水率的三轴CD试验,测得陕西泾阳原状Q₂（L₅）黄土的有效强度参数。结果表明,该黄土不同含水率的有效内摩擦角基本接近;有效黏聚力随含水率的增大呈指数递减,当含水率超过塑限时,黏聚力趋于定值。根据有效黏聚力和吸应力的关系,可以获得吸应力和含水率的关系,即吸应力特征曲线,并通过拟合得出吸应力函数,以及非饱和土强度表达式。     

吸力对弱膨胀土强度贡献的试验研究与预测分析

对部分应用土-水特征曲线来预测非饱和土抗剪强度的公式进行了归纳分析。应用压力板仪与非饱和三轴仪,测试了荆门原状弱膨胀土的土-水特征曲线和控制吸力的非饱和三轴抗剪强度参数,并将试验结果与各抗剪强度公式的预测值进行对比,分析了各强度公式的局限性。试验结果表明,非饱和原状膨胀土的净法向应力摩擦角随着吸力的不同而变化,根据双应力变量理论确定的吸力对强度的贡献与围压有关,不同围压下吸力对强度的贡献不同,表观凝聚力 与吸力间符合乘幂函数关系。     

基于一种新强度理论的非饱和土边坡稳定性分析

非饱和土强度及其边坡稳定性一直是工程界和理论界的一个重要课题。Bishop和Fredlund提出的抗剪强度公式虽被广泛接受,但应用工程仍存诸多不便。针对于此,作者提出了一种有效应力与土水特征曲线发展成的一种新的非饱和土强度公式。该公式不需多组的非饱和土剪切试验,便于工程应用。基于此强度公式,采用VB语言,结合Bishop法,编写了非饱和土边坡稳定性的计算程序,讨论了强度分层的影响,还分析了裂隙对非饱和土边坡稳定性的影响。研究结果表明,对于膨胀土边坡,强度的分层是合理的,也是必要的。     

非饱和粉煤灰抗剪强度试验研究

为避免基质吸力量测所带来的困难,通过寻找总应力抗剪强度指标与含水率w之间的关系,建立类似于饱和土的抗剪强度公式,对实际工程具有较强的应用价值。在制件过程中采取相应措施消除压实度和龄期等因素的干扰,确保试验结果能够真实反映含水率对抗剪强度的影响。在普通三轴仪上进行非饱和粉煤灰的抗剪强度试验,得到其总应力强度指标随含水率的变化规律。其中,非饱和粉煤灰的粘聚力c值随含水率的增加呈先增大后减小的二次抛物线变化,内摩擦角φ值随含水率的增加呈线性衰减。通过引入含水率,建立了非饱和粉煤灰总应力强度公式,公式中的含水率易于确定,抗剪强度计算简单,便于实际工程应用。     

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。     

土-水特征曲线预测非饱和土的抗剪强度对比研究

目前,非饱和土的工程性质已成为岩土工程界研究的热点问题,而非饱和土的抗剪强度的研究对土的工程性质尤为重要。笔者总结了4种用土-水特征曲线预测非饱和土的抗剪强度的公式,用5个Bar的压力板仪测得了马家沟Ⅰ号滑坡体上土体的土-水特征曲线,并采用MATLAB软件,利用Van Genuchten模型对试验数据进行拟合;用国际先进的GDS非饱和反压剪切仪对控制基质吸力为50kPa和100kPa的非饱和土进行直剪试验,得到了相应的抗剪强度。用土-水特征曲线对非饱和土抗剪强度的4种预测值与试验结果进行对比分析,验证各预测公式的准确性,总结其优缺点。最后得出Fredlund预测公式的准确性最高,黄润秋预测公式最为简单易行。     

重塑非饱和黏土的土-水特征曲线及其影响因素研究

采用常规压力板仪和GDS非饱和土三轴仪,详细研究了击实功、击实含水率、干密度、应力历史和试样应力状态5种因素对非饱和重塑黏土土-水特征曲线的影响。并采用Van Genuchten模型、Fredlund 3参数模型和Fredlund 4参数模型,通过最小二乘法对所测土-水特征曲线进行拟合。结果表明,这3种模型均可对土-水特征曲线进行较好的拟合。通过对这个5种不同影响因素的分析,发现不仅试样本身物理状态而且试样外部应力状态都对土-水特征曲线有重要的影响,即击实功越大、击实含水率越高、干密度越大、试样的应力历史越大、所受净平均应力越高,则试样的进气值越高,水越难从试样中排出。在较高的基质吸力范围内,各种因素对土-水特征曲线的影响作用有减小的趋势。通过Fredlund 3参数模型和Fredlund 4参数模型的残余含水率对比分析可知,残余含水率对模型的参数值影响不大,即假定残余含水率 为0是合理的。     

非稳定渗流条件下非饱和土边坡稳定分析

大量的滑坡灾害表明, 水的作用是影响边坡失稳的重要原因,合理地评价边坡的稳定性,需考虑边坡基质吸力场的变化与水的渗流作用。通过稳定与非稳定渗流条件下的非饱和土堤算例,探讨了Bishop和Fredlund非饱和土抗剪强度公式应用于强度折减有限元法的差异,并与极限平衡法的结果进行对比。结果表明,Bishop和Fredlund非饱和土抗剪强度公式的本质是相同的,而从非稳定渗流条件下的分析结果来看,强度折减有限元法分析的安全系数与极限平衡法分析临水坡和背水坡安全系数的最小值相当接近,强度折减有限元法更适合分析边坡的整体稳定性。此外,采用Bishop强度公式可以通过用饱和度代替基质吸力参数来体现基质吸力对强度的影响,在分析饱和度较高的非饱和土边坡稳定性时较为方便。     

某滑坡土体土-水特征曲线试验研究

利用能够控制基质吸力的4联式非饱和土直剪仪,对清江流域古树包滑坡滑带土体进行了不同固结应力条件下土-水特征试验,得出了土-水特征曲线并进行了函数拟合。结合土-水特征曲线拟合函数,经过数学推导确定了函数中各个参数的物理意义,建立了能够同时反映固结应力、基质吸力和含水率之间关系的函数表达式,弥补了其他方法不能考虑固结应力的缺陷,对补充和发展土-水特征曲线试验和理论具有重要意义。     

宽广吸力范围非饱和土剪切强度试验研究及其预测

以弱膨胀土为试验材料，开展了宽广吸力范围内非饱和土的持水和强度特性试验研究，并提出适用于宽广吸力范围的非饱和土强度模型。结果表明，在广吸力范围内，应力-应变曲线随吸力增加而增高，在低吸力范围呈现应变硬化，在高吸力范围呈现应变软化。低吸力范围，试样呈现剪缩变形；高吸力范围，试样在轴向应变2%处开始呈现剪胀趋势。此外，提出一种区分吸附水和毛细水的土-水特征曲线模型，并假设吸力引起的强度增强部分主要由毛细水决定。将有效应力系数用毛细水饱和度替代，并代入Bishop非饱和土强度公式，利用不同类型土剪切强度的实测数据和文献中剪切强度模型对比，表明该强度模型可以很好地描述宽广吸力范围内的非饱和土强度。     

非饱和压实黄土结构特性试验研究

对增（减）湿到相同含水率及相同干密度的不同结构性非饱和压实黄土进行土-水特征曲线试验和三轴剪切试验,研究制样含水率引起的结构变化对非饱和压实黄土基质吸力、应力-应变特征及结构性参数的影响。研究结果表明：制样含水率引起的结构性对非饱和压实黄土的土-水特征曲线有明显的影响,小于塑限时基质吸力随制样含水率的增大而增大,最优制样含水率时非饱和压实黄土具有均匀小孔隙的团粒凝聚结构使其吸力相对最大;应力-应变曲线在最优结构状态时位于坐标最上端,小于最优制样含水率时的结构弱化程度相对较低,其应力-应变曲线逐渐下移,大于最优制样含水率时土样的结构弱化程度较高,其应力-应变曲线位于最下端;定义的结构性参数m?r能够合理反映压实黄土的结构性,弥补了压实土工程中用最优含水率和最大干密度指标无法反映土结构性影响的不足;屈服结构性参数m?r0能够合理反映出不同制样含水率压实黄土的结构弱化程度,结构弱化程度还反映在三轴剪切破坏强度上。     

寒区高吸力非饱和土的破坏准则研究

针对北方寒旱区路基边坡时常因拉剪强度不足而发生浅层滑坡的现象,通过常规三轴试验探究了冻融和高吸力对非饱和土的强度特性影响。结果表明：随着冻融次数的增加,非饱和土的土-水特征曲线逐渐下移,抗拉强度与抗剪强度逐渐减小;随着基质吸力的增加,抗剪强度逐渐增大,抗拉强度逐渐降低。鉴于传统的抗拉抗剪联合公式不能很好地反映经冻融作用之后高吸力非饱和土抗拉区破坏包线的实际情况,通过引入“界值”概念,提出一种新的抗拉区绘制破坏包线的方法对传统公式进行修正,修正后的公式具有很好的适用性,可以为寒旱区非饱和土边坡稳定性计算提供可靠的理论依据。     

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。     

巴东组非饱和红土强度与变形特性试验研究

宜昌-巴东段高速公路修建中形成了大量的路堑边坡,上覆为巴东组红层残坡积红土。降雨条件下,土体强度急剧下降,导致大量路堑边坡失稳。目前针对巴东组残坡积红土强度与变形特性开展非饱和试验的研究较少,为探索基质吸力对红土强度的影响,对红土进行了土水特征曲线、三轴强度试验,采用GDS三轴系统对红土进行了饱和及非饱和剪切试验,非饱和三轴试验采用了常含水量试验方法。结果表明:基质吸力对巴东红土强度影响很大。土体强度随吸力增大而呈非线性增长; 而基质吸力随着含水量增大而减小,即巴东组非饱和红土强度特性随土体含水量增大而变差。最后拟合出巴东非饱和红土的经验抗剪强度公式。研究成果对该区域工程实践具有一定的参考意义。     

黄土坡滑坡滑带土非饱和力学特性试验研究

以三峡库区黄土坡滑坡临江I号崩滑体的滑带土为研究对象,研究基质吸力对非饱和滑带土的强度与变形等力学性质的影响。利用GDS非饱和反压直剪仪对滑带土进行了不同净法向应力和基质吸力组合下的直剪试验。试验结果表明:相同的基质吸力作用下,滑带土抗剪强度随着净法向应力的增大而增大。当滑带土试样中基质吸力较小时(50kPa),试样剪切过程中的应力-应变曲线,随着净法向应力的增大表现为应变硬化型。之后随着基质吸力的增加,当吸力大于净法向应力时,剪切应力-应变曲线表现为较明显的达到峰值后软化。反之,应力-应变曲线表现为应变硬化型。相同净法向应力下,抗剪强度随着吸力的增大而增大,剪切应力-应变曲线由低法向应力下的达到峰值后软化向高法向应力下的应变硬化转变。剪切过程的轴向位移表现为:当吸力大于净法向应力时,表现为剪胀; 反之,表现为剪缩。滑带土固结排水剪切条件下得到的黏聚力随着基质吸力呈线性增长关系。得到了滑带土的吸力摩擦角b为13.7,有效内摩擦角有较小增长,平均有效内摩擦角15.9。     

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.     

原状非饱和黄土的三轴试验研究

利用特制的非饱和土三轴仪器,对不同含水量条件下原状非饱和黄土的强度和土-水特征曲线进行了试验研究。试验结果表明：非饱和黄土的抗剪强度随着含水量的不同而不同,含水量越大,非饱和黄土的基质吸力就越小,抗剪强度亦越小。含水量趋于饱和时,非饱和黄土的抗剪强度值逐渐接近于饱和黄土的强度值。原状非饱和黄土的抗剪强度均高于饱和黄土的抗剪强度。非饱和黄土的内摩擦角受含水量的影响不大。凝聚力受含水量的影响很大,含水率越大,基质吸力越小,总凝聚力越小。根据实验结果,提出了非饱和土的抗剪强度模型,该模型易于确定,与实测基本吻合,误差较小,满足非饱和黄土的强度计算要求。     

Modelling of unsaturated ground behaviour influenced by vegetation transpiration

Vegetation contributes to weak soil stabilisation through reinforcement of the soil, dissipation of excess pore pressure and increasing the shear strength by induced matric suction. This paper describes the way vegetation influences soil matric suction, shrinkage and ground settlement in the vadose zone through transpiration. A mathematical model for the rate of root water uptake, including the root growth rate considering ground conditions, type of vegetation and climatic parameters, has been developed. A finite element approach is employed to solve the transient coupled flow-deformation equations. The finite element mesh is built using partially saturated soil elements capable of representing the salient aspects of unsaturated permeability and the soil water characteristic curve. The model formulation is based on the effective stress theory of unsaturated soils. Based on this proposed model, the distribution of the ground matric suction profile adjacent to the tree is numerically analysed. Current field measurements of soil matric suction and moisture content collected from Miram site located in Victoria State, Australia by the authors are compared with the numerical predictions. The results indicate that the proposed root water uptake model incorporated in the numerical analysis can be used for prediction of ground properties influenced by tree roots.