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。     

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。     

脱湿条件下黏性土吸力强度演化规律及其微观机理

含水率的增减变化是非饱和土强度改变的关键因素。开展室内脱湿条件下压试样的直剪试验结果表明,在土样脱湿条件下土体抗剪强度特性变化显著,低含水率下非饱和黏性土抗剪强度变化有明显峰值,展示应变软化特性,高含水率下展示应变强化特性。通过联系土–水特征关系(SWCC)及吸应力特征关系(SSCC)曲线建立的非饱和土抗剪强度模型,能够预测含水率变化下非饱和土的抗剪强度演化。基于实测数据开展的模型验证结果表明,所建模型利用测定的土–水特性和饱和土的抗剪强度参数,能够准确地确定脱湿过程中非饱和土的吸力强度,该模型的应用将极大地简化试验和节约测试时间。采用核磁共振(NMR)技术对脱湿过程中的剪切样开展了孔隙水分布的测试,从微观上解释了非饱和黏土抗剪强度随含水率改变的演化机理。     

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。     

基质吸力对非饱和重塑黄土抗剪强度的贡献

非饱和土抗剪强度随饱和度降低、基质吸力增大而提高.然而,不同类型非饱和土中,基质吸力对抗剪强度的贡献却显著不同.本文通过室内试验,探讨了基质吸力对非饱和重塑黄土抗剪强度贡献的基本特征.研究结果表明,非饱和重塑黄土抗剪强度随着基质吸力的增大,表现为非线性的和明显的4个阶段性增、降和逐渐稳定特征,且分段特征值与土-水特征曲...     

吸力路径对非饱和土力学性质的影响

基质吸力的存在使得土的工程性状变得十分复杂.非饱和土的力学性质,不仅受基质吸力及竖向荷载等应力状态的影响,吸力路径也起着不可忽视的作用.为了探讨不同吸力路径对非饱和土应力-应变关系和强度的影响,采用非饱和土直剪仪对不同吸力路径固结平衡的非饱和土样进行直剪试验,获得其固结量及应力-应变关系,得到了不同吸力路径对非饱和土抗剪强度的影响规律.试验结果表明:在相同的竖向荷载条件下,非饱和土的抗剪强度随着吸力的增加明显增大.在相同吸力及竖向荷载条件下,经历过较高吸力历史的试样固结量和前期剪切强度明显增大.     

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。     

考虑降雨影响的膨胀土边坡稳定性分析简化法

基于非饱和土一维降雨入渗模型,模拟了膨胀土边坡在降雨入渗条件下的水分运移特征。通过试验,研究了膨胀土抗剪强度随含水量变化的关系,提出了一种考虑降雨入渗影响的膨胀土边坡稳定性分析的简化方法。研究表明,随降雨历时的增加,边坡的安全系数逐渐变小,边坡最危险滑动面有向浅层发展的趋势。这种方法既能避免繁杂的基质吸力测量,同时能够考虑膨胀土的非饱和性,可以基本满足一般中小型工程设计的需要。      

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。     

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。     

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。     

非饱和土增湿变形的实用计算方法

非饱和土力学研究目前还未进入实用阶段,主要原因在于吸力量测困难。本文提出了用等效吸力代替真实吸力的试验方法。首先以常规静三轴试验得到的原状饱和土以及非饱和土的应力-应变曲线为基础,根据变形等效的原则确定与某一饱和度相当的围压即为等效吸力;然后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;再根据试验结果分析含水量对非饱和土强度的影响,建立了非饱和土的实用抗剪强度公式;最后按照邓肯-张模型的参数整理方法得到了不同饱和度非饱和土的模型参数,探索这些参数随饱和度的变化规律,建立了引入饱和度的非饱和黄土实用非线性模型,并进行了降雨入渗情况下非饱和土增湿变形的计算。结果表明,饱和度最大值为95%,等效吸力最大值为160 kPa,最大水平位移与竖向位移分别为0.6 cm和20.0 cm,均出现在浸水位置。计算结果合理地反映了非饱和土变形的分布趋势,验证了方法的合理性。     

基于状态曲面的非饱和土强度准则及其验证

考虑体变对非饱和土土-水状态的影响,将状态曲面函数引入传统的Vanapalli强度公式得到与孔隙比相关的抗剪强度准则,新准则使用饱和土的强度参数和两条不同孔隙比对应的土-水特征曲线。选择一种尾矿砂和高岭土的混合土料为研究对象,进行一系列的土-水特征曲线试验、吸力控制的等向压缩和三轴剪切试验。试验结果表明,新准则能更准确地预测非饱和土的强度,证明了传统强度预测的误差主要来源于忽略了体变导致的土-水状态变化,并提出在不同应力空间内精确地获得抗剪强度包线的方法,合理地解释了强度包线斜率在净应力-强度平面内随吸力增大、强度包线形状在吸力-强度平面内随净应力发生变化的特性。     

基于状态曲面的非饱和土强度准则及其验证

考虑体变对非饱和土土水状态的影响,将状态曲面函数引入传统的Vanapalli强度公式得到与孔隙比相关的抗剪强度准则,新准则使用饱和土的强度参数和两条不同孔隙比对应的土水特征曲线。选择一种尾矿砂和高岭土的混合土料为研究对象,进行一系列的土水特征曲线试验、吸力控制的等向压缩和三轴剪切试验。试验结果表明新准则能更准确地预测非饱和土的强度,证明了传统强度预测的误差主要来源于忽略了体变导致的土水状态变化,并提出在不同应力空间内精确地获得抗剪强度包线的方法,合理地解释强度包线斜率在净应力—强度平面内随吸力增大、强度包线形状在吸力—强度平面内随净应力发生变化的特性。     

基于状态曲面的非饱和土强度准则及其验证

考虑体变对非饱和土土水状态的影响,将状态曲面函数引入传统的Vanapalli强度公式得到与孔隙比相关的抗剪强度准则,新准则使用饱和土的强度参数和两条不同孔隙比对应的土水特征曲线。选择一种尾矿砂和高岭土的混合土料为研究对象,进行一系列的土水特征曲线试验、吸力控制的等向压缩和三轴剪切试验。试验结果表明新准则能更准确地预测非饱和土的强度,证明了传统强度预测的误差主要来源于忽略了体变导致的土水状态变化,并提出在不同应力空间内精确地获得抗剪强度包线的方法,合理地解释强度包线斜率在净应力—强度平面内随吸力增大、强度包线形状在吸力—强度平面内随净应力发生变化的特性。     

考虑饱和度的压实填土抗剪强度研究

压实填土一般为典型的非饱和土,广泛存在于各类工程中,其物理力学性质受填土含水状态的影响。因基质吸力测量困难,非饱和土强度理论难以在压实填土工程中应用。研究含水状态变化对压实土抗剪强度影响的大小,寻找一种简化实用的非饱和压实土抗剪强度确定方法。从非饱和土理论出发,对含水状态影响压实土抗剪强度的机制进行了分析,重新整理并分析了5种压实土的非饱和三轴试验结果,对一些压实土工程资料中的直剪试验强度指标进行了收集和整理。分析表明,基质吸力对压实填土抗剪强度的贡献占有相当大的比例;含水率变化对压实填土抗剪强度的影响是非常显著和不容忽视的。工程资料中压实土饱和度对数值与黏聚力指标有良好的线性相关关系,提出了一个考虑饱和度影响的压实填土抗剪强度简易计算方法。     

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。     

考虑毛细滞回效应的非饱和多孔介质渗流与变形耦合本构模型

在Wheeler本构模型框架的基础上,提出了一个水力与力学耦合的本构模型。该模型中的土-水特征曲线采用毛细滞回内变量模型,能够更好地描述水力历史变化下毛细滞回现象对非饱和多孔介质变形的影响,同时也可描述非饱和多孔介质变形对渗流的影响。非饱和土的强度不仅与吸力有关,而且受到饱和度的影响。相同的吸力下,土样经过吸湿和脱湿路径的饱和度不同,因此,非饱和土的强度也不同。此模型以体积含水率的塑性变化和体变的塑性变化为硬化参数,不仅能描述基质吸力对非饱和土的强化作用,而且考虑了饱和度对强度及变形的影响。试验结果与模型预测基本吻合,证明该模型能够模拟非饱和土的主要特性。为了简化,此模型是在各向同性荷载下推得的,有待于推广到一般的应力状态     

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。