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。     

干湿循环路径下弱膨胀土峰值及残余强度演化研究

膨胀土具有胀缩性、多裂隙性和超固结性,在自然条件下极易受到降雨和蒸发的干湿循环效应,土的抗剪强度会随着时间的延续而衰减,造成边坡失稳。以荆门弱膨胀土为研究对象,对经历不同干湿循环次数的荆门弱膨胀土开展环剪试验,并探讨分析其峰值强度和残余强度的变化规律。试验结果表明,试样的抗剪强度与法向压力的大小有关,无论是峰值强度还是残余强度均随着法向压力的增大而增大,同时法向压力越大,试样达到残余强度时所需要的剪切位移也会越小;随着干湿循环次数的增加,膨胀土的峰值强度明显衰减,残余强度虽略有变化但并不明显,可近似认为稳定;经历3次干湿循环后膨胀土的峰值黏聚力和残余黏聚力指标已经近乎一致,峰值内摩擦角和残余内摩擦角之间始终保持在2o左右的差异,基本不受循环次数的影响。     

基于有限元软件自定义本构模型的膨胀土边坡降雨入渗分析

降雨条件下,边坡土体吸水软化造成抗剪强度降低是引发边坡失稳的重要因素之一。雨水在边坡土体中的入渗过程是动态变化的,土体含水率（饱和度）也会随之发生持续变化,因此,研究土体抗剪强度在动态环境下的变化规律,对实时评价降雨工况下土体边坡的稳定性具有重要意义。文章以贵州省尖山营地区的膨胀土为研究对象,基于非饱和土强度理论,结合室内剪切试验数据分析了膨胀土的抗剪强度指标与土体含水率的关系,提出了以含水率为变量的抗剪强度公式;基于ABAQUS有限元软件平台的二次开发技术编写了USDFLD子程序,结合室内试验得出的土体抗剪强度变化规律,分析了降雨条件下土体含水率变化引起的强度衰减与土体重度变化对膨胀土边坡稳定性的影响。结果表明:随膨胀土含水率增加,土中颗粒吸水膨胀,颗粒间距缩小,矿物颗粒间的黏结作用逐渐增大,直至集合体空隙充水,吸力减小,黏结作用迅速减弱;膨胀土的抗剪强度总体呈递减趋势,其中,黏聚力先增后减,内摩擦角递减。应用ABAQUS有限元软件的二次开发技术可实现土体参数随含水率的动态变化而变化,为降雨条件下非饱和土边坡的有限元分析提供了一种新的技术手段。     

黏粒含量对磁县段膨胀土抗剪强度影响的试验研究

利用电动应变控制式直剪仪及直剪/残余剪切试验仪对南水北调磁县段不同黏粒含量的原状膨胀土进行快剪、饱和快剪、饱和固结快剪和反复直剪试验,研究黏粒含量对其抗剪强度的影响。研究表明:饱和后试样的抗剪强度明显降低,固结后强度提高,且饱和作用对黏粒含量较大的中膨胀土强度的削弱作用更为显著,固结作用对黏粒含量较小的弱膨胀土强度的治愈作用更显著; 随黏粒含量的增大,黏聚力逐渐减小,内摩擦角则先减后增,其临界值在32%左右; 峰值强度后的抗剪强度降低幅度随黏粒含量的增加而增大; 土体的峰值强度f随黏粒含量则先减后增,变化趋势比较平缓; 残余强度r随黏粒含量增加逐渐减小,成指数关系; 残余强度内摩擦角r与黏粒含量成对数关系,黏聚力cr则比较离散。     

膨胀土强度干湿循环试验研究

通过南宁地区原状膨胀土干湿循环试验,探讨了膨胀土抗剪强度与含水率、循环次数、循环幅度等循环控制参数的关系。研究结果表明：膨胀土抗剪强度随干湿循环次数增加而衰减,最终趋于稳定,强度稳定值与稳定时所需循环次数均随含水率变化幅度的增加而减小。在此基础上,利用压汞试验测定了膨胀土干湿循环过程中的孔径分布,发现干湿循环对土的粒间联结产生不可逆的削弱,使得土体形成更大的孔隙空间,在高含水率时主要表现为集聚体间孔体积增加,在低含水率时集聚体内孔体积增加,从而降低土的抗剪强度。     

干湿循环作用对岩溶区红黏土剪切强度的影响

以桂林雁山红黏土为研究对象,对经历不同干湿循环次数后的试样进行快剪试验,得到其剪切强度,研究自然状态下反复的降雨和干旱气候对土体强度的影响。试验结果表明,经历多次干湿循环后饱和状态下红黏土样无明显峰值,为应变硬化;干燥状态下土样出现明显峰值,为应变软化,且其曲线前部还出现"平台"状,随着干湿循环次数的增多,饱和状态下和干燥状态下的黏聚力均逐渐降低,而两者的内摩擦角则均呈现整体逐渐增大的趋势,干燥状态下土样的抗剪强度参数均较饱和状态下的土样大,黏聚力和内摩擦角的变化幅度都十分显著。为进一步研究干湿循环对土样抗剪强度及剪切强度参数的影响,量测了干湿循环过程中试样的体积变化情况后发现,随着循环次数的增多,试样体积先不断地减小,然后基本保持不变。     

压实膨胀土非饱和抗剪强度的湿度与密度效应

为获得压实膨胀土在湿度与密度变化范围内的抗剪强度全貌,采用非饱和直剪试验测定38种湿度与密度组合状态下荆门弱膨胀土的抗剪强度,获得了湿度从风干到饱和、密度在孔隙比0.539~1.089范围内的抗剪强度的分布规律。结果表明,(1)剪切过程中试样大多呈应变软化,仅在低密度与高湿度组合下产生应变强化。高密度与低湿度组合下易出现"应力跌落"。相同密度下,随湿度增大,土体塑性变形能力增强。相同湿度下,随密度降低,土体塑性变形能力增强;(2)非饱和抗剪强度与总黏聚力均随湿度增加先增大后减小而呈现出显著的"山峰效应";(3)非饱和抗剪强度、总黏聚力、总内摩擦角均随密度减小而显著降低,呈现出显著的"密度效应"。     

固化轻质土在干湿循环及大变形条件下力学特性研究

为了研究在多变自然气候环境影响下新型土工材料——固化轻质土的力学特性,以自行研制的固化轻质土为研究对象,通过控制含水率变化模拟干湿循环作用,研究不同密度固化轻质土强度随干湿循环次数变化的规律。利用GCTS环剪仪对不同密度的固化轻质土分别进行单级剪切、多级剪切和预剪切3种不同形式的环剪试验,分析固化轻质土抗剪强度指标c,φ值以及残余强度在不同剪切方式下的变化规律。结果表明:在干湿循环作用下,固化轻质土的抗剪强度在剪切初期明显下降,随后趋于稳定,土体密度越大,龄期越长,衰减趋势越小。对固化轻质土孔隙率测试表明,土孔隙率随着干湿循环次数的增加呈现出先增大后趋于平缓的变化趋势,从内部机理上解释了强度的变化规律。在大变形条件下,多级剪切形式下土体残余抗剪强度最大,预剪切次之,单级剪切最小。同种剪切方式下固化轻质土的残余抗剪强度与密度和法向应力成正比。     

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。     

裂缝对膨胀土抗剪强度指标影响的试验研究

基于室内直剪试验,测定了膨胀土经历干湿循环后的抗剪强度指标。试验基本反映了膨胀土在干湿循环过程中裂缝的开展现象,揭示了正是由于裂缝的开展使膨胀土强度降低。结果表明,无论是黏聚力还是内摩擦角随裂缝的开展,都会产生一定程度的衰减,相比之下,裂缝对黏聚力的影响更加突出,对其取值也应更为谨慎。膨胀土的抗剪强度随裂缝的开展而衰减的规律符合双曲线模式,提出反映膨胀土抗剪强度随干湿循环次数增加,实际上是随裂缝的开展,而降低规律的经验公式。工程实际中膨胀土的抗剪强度反映的是包含各种裂隙的土体复合强度,因此在设计中,强度参数的取用应以考虑裂隙作用的土体强度为基本依据。所建议的方法可以使今后研究膨胀土裂隙的发生、发展对抗剪强度的影响变得相对简单,具有可操作性。     

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。     

冻融循环下初始含水率对非饱和膨胀土剪切特性试验

为探究冻融循环条件下初始含水率对膨胀土偏应力-应变关系和剪切特性的影响,本文对不同初始含水率的非饱和膨胀土进行了不固结不排水三轴剪切试验。结果表明：1）非饱和膨胀土的偏应力-应变曲线的形式随含水率增大由应变软化逐渐转变为应变硬化,偏应力峰值随含水率增大而降低;2）非饱和膨胀土的抗剪强度随初始含水率的增加呈线性下降趋势;3）非饱和膨胀土在第1次冻融循环后偏应力及抗剪强度大幅度下降,在3~7次冻融循环后达到稳定。初始含水率是影响非饱和膨胀土力学性质的主要原因。     

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。     

基于工程包边法的膨胀土抗剪强度干湿循环效应试验研究

根据包边法施工中填芯重塑膨胀土和包边石灰改性膨胀土的实际工程状态,设计了反映其运营状态的干湿循环过程,对6次干湿循环前、后膨胀土的强度特性进行了较为系统地试验研究。结果表明,在压实度为90%~96%时,干湿循环前重塑膨胀土和石灰改性膨胀土慢剪强度及强度参数均随干密度单调增加,而干湿循环后其黏聚力c随干密度单调增加,干密度对内摩擦角φ的影响则明显变小;重塑膨胀土和石灰改性膨胀土干湿循环后的残余强度受干密度制约性不大,但干湿循环前、后重塑膨胀土和石灰改性膨胀土的残余强度参数存在差异,且干湿循环幅度对膨胀土强度参数也有一定的影响;在分析干湿循环前、后反复剪切试验结果及膨胀土边坡长期破坏机制的基础上,认为对于膨胀土路堤,在进行强度参数选取时宜适当考虑干湿循环及其幅度对于残余强度参数的影响;利用石灰改性膨胀土包边处理填筑膨胀土路基较为适宜。     

冻融循环对砼护坡界面抗剪强度影响试验研究

以混凝土铰接块+土工布+黏土护坡结构室内模型为研究对象, 分别讨论不同含水量及冻融循环次数下接触面间抗剪强度指标的变化规律. 分别测定常温下护坡结构含水量在15.7%~28%之间的黏聚力(C)和内摩擦角(φ)值, 含水量为18%以及饱和状态下经过10次冻融循环的C值和φ值, 采用多元回归法进行分析. 结果表明: 含水量对护坡结构的抗剪强度指标弱化十分明显, 斜面摩擦试验中黏聚力和内摩擦角均随含水量增加而降低; 含水量与内摩擦角呈线性相关关系, 与黏聚力呈乘幂关系. 冻融循环过程水分迁移导致砼护坡界面水分增大, 界面抗剪强度指标弱化. 随冻融循环次数的增加砼铰接块护坡界面的抗剪强度减小, 对于非饱和黏性土, 在5次冻融循环时减小幅度较大, 但10次冻融循环时减小幅度较小并基本趋于稳定; 而对于饱和黏性土, 其抗剪强度指标随冻融循环次数的增加减小幅度并不明显.     

Modelling of shear stiffness of unsaturated fine grained soils at very small strains

The shear modulus at very small strains (less than 0.001%) is an important parameter in the design of geotechnical structures subjected to static and cyclic loadings. Although numerous soil models are available for predicting shear modulus of saturated and dry soils, only a few ones can predict shear stiffness at very small strains of unsaturated soils correctly. In this study, a few unsaturated soil models are evaluated critically and compared with a newly developed model. This newly proposed model is verified by using measured shear modulus at very small strains for three different low plasticity fine grained soils available in the literature. It is found that this new model can predict shear modulus at very small strain resulting from an increase and a decrease in mean net stress at constant matric suction for low plasticity fine grained soils. Moreover, this model is able to give a reasonably good prediction on shear stiffness at very small strain during wetting of a collapsible unsaturated soil. In addition, the newly proposed model is illustrated to capture a consistent trend with experimental data of shear stiffness at very small strain for non-collapsible soils obtained during drying–wetting cycles. This evaluation revealed that the newly proposed model has better predictive capabilities than some earlier formulations of the same simplicity. In addition, the proposed model with fewer parameters has similar predictive capability as compared with a more complex model.     

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。