小浪底水库1#滑坡体非饱和土强度特性试验研究

在改进的非饱和土三轴仪上运用3级持续加荷固结排水试验法,对小浪底水库1#滑坡体非饱和土的强度特性进行了三轴试验,研究了目前在非饱和土的试验研究中极少关注的试样轴向变形过大（即剪破）和剪胀对非饱和土基质吸力、抗剪强度及各特征关系的影响。结果表明：高密实度试样通过升高负孔隙水压力数值这样的内部应力调整来抵消受剪时的剪胀趋势,这个过程将增大试样的基质吸力,并对试样强度有增强作用;剪胀对抗剪强度的影响类似于饱和土,总体上对之产生负影响;多级试验中试样的提前剪破将降低后续围压下试验测得的抗剪强度,并在最终计算中得到比真实值更大的黏聚力和更小的内摩擦角,剪破后的后续围压试验测得的抗剪强度接近残余抗剪强度。     

区分毛细和吸附作用的非饱和土抗剪强度模型

基于对非饱和土中孔隙水毛细和吸附作用的区分,得到了一种机制明确的非饱和土抗剪强度模型。首先,假定两种非饱和土的特殊状态,即只存在毛细作用的理想毛细状态和只存在吸附作用的理想吸附状态。分别给出了这两种理想状态的抗剪强度模型,其中毛细作用的影响可表示为考虑气化过程的有效饱和度和吸力的乘积,吸附作用的影响可初步简化表示为表观黏聚力的最大值。其次,利用二元介质模型,认为非饱和土中土-水作用是由这两种理想状态的不同权重组合而成。通过气化概率分布函数,表示了实际非饱和土中两种理想状态的参与比重,建立了适用于较广吸力变化范围的非饱和土抗剪强度模型。最后,通过与试验结果及当前流行的模型拟合结果的对比,验证了所建立的模型的合理性。研究表明,在考虑吸力对非饱和土力学性质的影响时,应该区分吸力的不同作用。     

压实度和基质吸力对土石混合填料强度变形特性的影响研究

针对土石混合料高填方工程分析计算参数和模型确定难题,采用非饱和土三轴仪进行了控制基质吸力和净围压的36个固结排水剪切试验,定量研究了压实度、基质吸力、配合比对非饱和重塑混合料强度变形特性的影响,建立了非饱和压实土抗剪强度、切线变形模量和切线体积模量修正算法表达式。试验结果表明:破坏应力、黏聚力随吸力的增加基本呈线性增长,吸力变化对有效内摩擦角影响不大;破坏应力与强度参数随压实系数的提高而增大;土石比为4:6的土样破坏应力和强度参数整体略高于2:8的土样,有效黏聚力随粉质黏土含量的增加而增大。配合比和压实系数相同的土样,净围压或吸力越大,试样强度越大,体变逐步由剪缩趋于剪胀;净围压和吸力相同的土样,在相同配合比时,压实系数越高,应变曲线逐渐由应变硬化型向理想弹塑型转变,低净围压下部分土样趋于应变软化型。修正后的非饱和土非线性增量本构关系符合大面积填方工程实际,可用于高填方地基变形计算和高填方边坡稳定性分析。     

不同类型黏土的强度特性及其预测

强度特性是非饱和土力学中基础性的研究内容。目前对广吸力范围内非饱和黏土强度的预测研究相对较少。本文首先基于文献中粉质黏土、Madrid黏土和南阳弱膨胀土的非饱和强度特性进行了对比与分析。将不同类型非饱和黏土的强度特性大致分为3种类型:（1）在某一吸力范围试样出现强度峰值,并随着吸力值的进一步增大而降低;（2）达到某一吸力值后其强度几乎维持不变,不受吸力值的影响;（3）其强度随着吸力值的增大而增大。此外,基于现有考虑吸附水膜和毛细水作用的方法拟合广吸力范围内不同类型土的土水特征曲线,并将土水特征曲线分离成吸附土水特征曲线和毛细土水特征曲线。在非饱和土的抗剪强度公式中,认为吸力引起的非饱和强度增强部分主要由毛细水作用决定的,故将非饱和抗剪强度公式中吸力引起非饱和增强项的有效应力系数（即饱和度或有效饱和度）用毛细水对应的饱和度替代。最后,利用修正后的非饱和抗剪强度公式对3种较广吸力范围内非饱和土的强度进行了预测。预测结果表明过渡区段内的强度预测效果较好,但高吸力段非饱和强度的预测还有待进一步研究。     

黄河大堤非饱和土的三轴试验研究

利用特制的非饱和土三轴仪器,模拟实际工程中土体的受力条件,对黄河大堤非饱和土在不同围压条件下的土水特性以及非饱和土的强度进行了试验研究。试验表明：非饱和土基质吸力随着土体周围压力的增大而减小,随着含水率的增大而减小;非饱和土的有效摩擦角 值受含水量的影响不大。但总凝聚力 受含水率的影响较大,含水率越小,基质吸力就越大,总凝聚力亦越大。根据试验结果,提出了非饱和土的抗剪强度的拟合模型,该模型参数易于确定,与实测结果：拟合误差较小,满足非饱和土的强度计算精度要求。     

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。     

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。     

土体抗拉张力学特性研究进展

在传统土力学的观念中,土体通常不主动作为抗拉材料使用,土的抗拉强度很小,因而土体的抗拉强度往往被忽略或几乎视为零,造成土体抗拉强度理论远落后于抗剪强度理论。实际上,土体的抗拉张力学特性在土体变形与破坏的过程中起着非常重要的作用。总结了土体抗拉张力学特性试验的发展过程及发展特点,介绍了土体抗拉张力学试验的最新进展,并结合非饱和土力学及其抗拉强度理论的研究热点,认为对非饱和土合理统一的"吸力"认识仍然是非饱和土抗拉张特性研究的关键。然后,从岩土破坏模式角度,总结了岩土拉剪耦合破坏规律的8类破坏模式,分析了土体在此研究领域的现状,最后阐明了土体尤其是非饱和土的抗拉张力学特性研究现状的5个特点,展望了土体抗拉张力学特性新的重要研究方向。     

低饱和度非饱和土的抗剪强度理论及其应用

从非饱和土的微观结构入手,提出并推导了土颗粒间毛细吸力引起的基质吸力与附加有效应力关系的近似解,并进一步得到了低饱和度非饱和土的抗剪强度公式。通过试验资料和理论分析验证了所推公式的合理性、正确性。最后分析了土颗粒半径差异、土体平均粒径大小对非饱和土强度的影响。     

南京下蜀土结构强度研究

利用常规三轴试验,研究了南京下蜀土结构强度及其影响因素。结果表明,下蜀土存在明显的结构性。当应变小于屈服应变时,土体的结构强度迅速的发挥;当应变大于屈服应变时,土体结构发生破坏,结构强度逐渐降低;最终当各个结构单元重新排列稳定时,土体结构完全被破坏。讨论了围压和含水量对结构强度的影响,结果表明南京下蜀土土体的结构强度和围压无关,和含水量有良好的幂函数关系。结构强度与非饱和土中吸附强度有一定的关系,可以用结构强度代替吸力,从而简化非饱和土抗剪强度公式。      

干湿循环对非饱和膨胀土抗剪强度影响的试验研究

膨胀土是一种气候敏感性土体,研究在干湿循环过程中膨胀土剪切强度的变化,对了解在自然界周期性蒸发和降雨作用下原位膨胀土体工程性质的变化以及由此导致的地质灾害发生过程具有重要意义。文中以重塑非饱和膨胀土为研究对象,模拟了3次干湿循环过程,对每次干燥路径中的试样进行了直剪试验,重点分析含水率、正压力及干湿循环次数对膨胀土剪切强度的影响,得到如下主要结果：（1）在干燥过程中,随着含水率的减小,试样的刚度、脆性、抗剪强度值（峰值剪切应力）、抗剪强度指标（黏聚力、内摩擦角）及抗剪强度损失（峰值强度与残余强度之差）均呈增加趋势;（2）正压力越高,试样的剪切强度和残余强度越大,而破坏后的峰值强度损失越小,破坏韧性增加;（3）在3次干燥过程中,试样的剪切强度及黏聚力呈先增加后减小的趋势,在第二次干燥过程中达到峰值,但内摩擦角受干湿循环的影响无明显规律;（4）试样经历多次干湿循环后,其剪切特性越来越类似于超固结土,脆性显著增加;（5）干燥过程和干湿循环对试样残余剪切强度的影响都不明显,残余剪切强度基本都在100 kPa附近变化;（6）非饱和膨胀土在干湿循环及干燥过程中剪切强度的变化除了与吸力有关外,还与其微观结构调整和裂隙发育状态密切相关,需要综合非饱和土力学和土质学理论对试验现象进行分析。     

吸力历史对非饱和粉土动力变形特性的影响

以非饱和粉土为研究对象,利用吸力可控的动三轴仪对其进行动力变形试验,得到了在不同净围压和不同吸力路径下非饱和粉土试样的骨架曲线、动弹性模量和阻尼比,研究了先脱湿后吸湿的吸力历史对其动力变形特性的影响。结果表明,在同一净围压和吸力下,非饱和粉土试样经历过先脱湿后吸湿的骨架曲线和动弹性模量比仅经过脱湿的要高,而试样经历过先脱湿后吸湿的阻尼比比仅经过脱湿的要小;此外,随着非饱和粉土试样经历过最大吸力的增大,其骨架曲线和动弹性模量增大,而阻尼比减小。试验结果可用非饱和土的平均骨架应力和弯液面水的表面张力作用来解释,并用两项联合预测非饱和土试样的最大剪切模量。     

高易溶盐非饱和伊犁原状黄土的临界状态特性

为探究伊犁地区高易溶盐含量黄土的临界状态特性,针对不同易溶盐含量的非饱和伊犁原状黄土,开展了控制吸力和净围压的三轴固结剪切试验。研究结果表明：在常吸力固结剪切条件下,非饱和伊犁原状黄土的强度随含盐量的增加存在峰值;含盐量一定,不同吸力非饱和土的q-p或e-p临界状态线均为平行直线,q- 临界状态线可归一为饱和土临界状态线表示的一条直线,其斜率随含盐量的增加呈幂函数降低;非饱和土e-p临界状态线的斜率 大于饱和土的斜率 ,两者均随含盐量的增加先减后增,相同有效净平均应力下非饱和土和饱和土的临界状态孔隙比之比 与气体饱和度1- 可以归一化;q-p平面上初始屈服曲线和后继屈服曲线均可近似假定为对称于 线的椭圆,吸力和应力对屈服曲线的硬化作用是等向的。     

Experimental Set-up for Determining Soil Water Retention Curves for Granular Soils During Drying

Abstract: Soil water retention curves (SWRCs) provide an important means of describing the response of unsaturated soils during drying / wetting processes in terms of variations of degree of saturation, water content or void ratio with suction. A key consideration in generating these curves is how to measure the suction. Frequently the filter paper technique is adopted, especially when high suctions are developed, e.g. with plastic clays. As each measurement takes at least a week with this technique, it can take months or years to generate a full SWRC in drying and wetting. Developments in laboratory tensiometers now allow matrix suctions up to about 1.5 MPa to be measured. With such a device it is possible to develop SWRCs for granular soils such as silts and clays in hours or days by continuous measurement. This paper describes an experimental set-up that was developed to measure changes in volume, water content and matrix suction during drying of three granular soils. Limitations of the apparatus and usefulness of the curves are discussed.     

真三轴条件下Q3原状黄土的力学特性

为了模拟实际工程中黄土在不排水条件下的破坏,在控制含水率不变条件下,利用非饱和土真三轴仪对不同初始吸力非饱和原状黄土进行了等向固结试验和不同中主应力参数b值的剪切试验,研究了非饱和原状黄土的力学特性。研究结果表明：真三轴等向压缩屈服应力随着初始吸力的增大而增大,吸力随着净平均应力的增大而减小,净平均应力对吸力的影响程度随着初始吸力的增大而增大。不同 值条件下,广义剪应力和净平均应力破坏状态线近似呈平行直线关系,广义剪应力和有效净平均球应力试验点可归一为饱和土的排水剪切破坏状态线;剪切破坏时吸力随着b值的增大基本呈线性增大趋势;孔隙比和净平均应力对数临界状态线近似呈线性平行关系,其斜率比饱和土大,且大于等向压缩屈服前的斜率;非饱和土孔隙比和有效净平均球应力对数临界状态线与饱和土的临界状态线近似呈线性平行关系;不同净围压条件下,不同 值非饱和土与饱和土的破坏状态孔隙比的比值与气体饱和度的试验点分布于1.0～1.2的直线带内,但同一净有效球应力条件下可以归一为一条非线性曲线。     

粉土基质吸力的新型量测装置与土-水特征研究

以非饱和土张力计原理为基础,制作了一种新型的基质吸力量测装置,并通过实测过程的不断总结与改进,得到了一种成本低廉、制作简单、操作便利、试验快速和结果可靠的非饱和土基质吸力量测装置,以此装置测定了不同体积含水率、不同压实度和干湿循环后粉土的基质吸力变化规律,得到了不同压实度粉土的土-水特征曲线,并通过Origin软件中的Boltzmann模型进行拟合对比分析,得到了与压实度相关的土-水特征曲线,比较了不同压实度粉土的含水率变化对基质吸力的不同影响特点。试验结果表明,干湿循环对粉土的基质吸力和强度有很大影响。     

Yielding of Silt at High Temperature and Suction Magnitudes

This study presents an evaluation of yielding mechanisms for unsaturated, compacted silt using drained triaxial compression tests with control of elevated temperatures and high suction magnitudes. After anisotropic compression, some compacted silt specimens were heated by approximately 40 °C before a suction of approximately 300 MPa was applied, while others were heated after suction application. A frictional response was observed for the specimens sheared under high suction magnitudes, in the form of a consistent increase in peak shear strength with increasing net confining stress. An effective stress analysis was used to evaluate the trends in the peak shear stress and the role of stress history for the different specimens. A single peak failure envelope was observed when the shear strength data was interpreted in terms of the mean effective stress. Changes in preconsolidation stress were estimated by identifying the intersections between a thermo-elasto-plastic yield function and the experimental peak shear strength values. Soil specimens heated before application of high suction values had lower peak shear strengths than reference specimens at high suction and ambient temperature. This behaviour is consistent with thermal softening trends observed in soils heated under low suction values. However, soil specimens heated after suction application had greater peak shear strengths than the reference specimens. This indicates heating under high suction results in hardening. The impact of suction on the preconsolidation stress was found to be better represented by a power law model at high suction magnitudes than other available models. The estimated preconsolidation stress values were used to evaluate the impacts of stress history on the thermal volume change response, which matched well with data from tests on saturated specimens.     

Seasonal effects on geophysical–geotechnical relationships and their implications for electrical resistivity tomography monitoring of slopes

Current assessments of slope stability rely on point sensors, the results of which are often difficult to interpret, have relatively high costs and do not provide large-area coverage. A new system is under development, based on integrated geophysical–geotechnical sensors to monitor groundwater conditions via electrical resistivity tomography. So that this system can provide end users with reliable information, it is essential that the relationships between resistivity, shear strength, suction and water content are fully resolved, particularly where soils undergo significant cycles of drying and wetting, with associated soil fabric changes. This paper presents a study to establish these relationships for a remoulded clay taken from a test site in Northumberland, UK. A rigorous testing programme has been undertaken, integrating the results of multi-scalar laboratory and field experiments, comparing two-point and four-point resistivity testing methods. Shear strength and water content were investigated using standard methods, whilst a soil water retention curve was derived using a WP4 dewpoint potentiometer. To simulate seasonal effects, drying and wetting cycles were imposed on prepared soil specimens. Results indicated an inverse power relationship between resistivity and water content with limited hysteresis between drying and wetting cycles. Soil resistivity at lower water contents was, however, observed to increase with ongoing seasonal cycling. Linear hysteretic relationships were established between undrained shear strength and water content, principally affected by two mechanisms: soil fabric deterioration and soil suction loss between drying and wetting events. These trends were supported by images obtained from scanning electron microscopy.