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。     

干密度对加筋膨胀土强度与变形特性的影响

对双向土工格栅加筋膨胀土进行一系列不同压实密度下的无侧限压缩和固结不排水剪试验,研究了干密度对其强度与变形特性的影响。无侧限压缩试验表明,当小于最优含水率2%,干密度较大时,加筋对应力-应变特征的影响较大,加筋后峰值与残余强度及其分别对应应变提高的比例较大;干密度对加筋效果的影响趋势还与含水率有关。固结不排水剪试验表明,加筋后膨胀土峰值强度与硬化程度均得以提高,干密度对强度与变形特性影响程度也随含水率而异。     

考虑抗剪强度衰减特性的膨胀土边坡稳定性分析

针对传统膨胀土边坡稳定性分析中无法考虑膨胀土在降雨入渗过程中抗剪强度动态衰减的问题,本文开展了室内直剪试验,系统研究了干密度和含水量变化对膨胀土抗剪强度指标的影响;同时,以试验抗剪强度结果为参数,开展了基于强度折减法的膨胀土边坡稳定性分析,获得了抗剪强度动态衰减过程中边坡稳定性的变化规律。结果表明,含水量的增加和干密度降低会造成膨胀土黏聚力和内摩擦角的衰减,黏聚力衰减显著,内摩擦角衰减较少;膨胀土边坡稳定性主要受风化层土体含水量控制,随着膨胀土含水量的增加,膨胀土边坡逐渐由稳定状态演变为欠稳定状态;干密度对膨胀土边坡稳定性的影响则相对较小。     

干密度与含水率对重塑红黏土抗剪强度参数影响研究

为探究了解桂林重塑红黏土抗剪强度特性,利用三轴试验研究饱和及未饱和重塑红黏土的干密度、含水率对土体抗剪强度的影响。试验结果表明:相同最优含水率下的饱和重塑红黏土的黏聚力与干密度的二次多项式拟合曲线呈凹状,未饱和土的黏聚力与干密度的二次多项式拟合曲线呈凸状,两者黏聚力曲线在1.41 g ·cm-3附近两者差值最大;饱和重塑红黏土的内摩擦角与干密度的二次多项式拟合曲线呈凹状,未饱和土的内摩擦角与干密度的二次多项式拟合曲线呈凸状,两者在干密度为1.35 g ·cm-3附近差值最大;未饱和重塑红黏土的含水率对抗剪强度参数影响显著。     

基于均匀设计坡积土含水量与干密度对锚-土界面性能影响试验研究

为深入了解坡积土中锚杆锚-土界面剪切变形特性随土体含水量和干密度的变化规律,本文采用自主研制的基于微元法锚-土界面摩阻性能测试方法和装置,引入均匀试验设计原理设计试验方案,测得不同含水量和干密度下锚-土界面的剪应力-剪切变形全过程曲线,其形状符合三折线模型。基于试验结果,回归得到了锚-土界面峰值抗剪强度随土体含水量和干密度变化的经验关系式。同时,试验结果表明:（1）锚-土界面峰值抗剪强度随土体含水量增加而降低,且土体干密度越大其降低幅度越大;（2）峰值抗剪强度随土体干密度的减小而降低,且土体含水量越小,其降低的幅度越大。     

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。     

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。     

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。     

安哥拉Quelo砂抗剪强度特性试验研究

基于安哥拉Quelo（Muceque）砂原状土和重塑土的直剪试验,探讨了结构性、含水率、干密度对Quelo砂抗剪强度的影响。试验结果表明,结构性对Quelo砂的抗剪强度影响较为复杂,原状土与重塑土的抗剪力学指标具有明显差异;Quelo砂遇水软化特性显著,原状土和重塑土的黏聚力和内摩擦角随含水率的增大近似呈对数衰减;Quelo砂级配良好,压实后抗剪强度高,适宜用作回填材料,重塑土的黏聚力随干密度的增大近似呈线性增大,内摩擦角随干密度的增大分为稳定段和增大段,呈分段函数的特征。     

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。     

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。     

温度影响下膨胀土强度的试验研究

通过对河南平顶山膨胀土温度影响下的抗剪强度试验,揭示了膨胀土的强度随温度、含水量、干密度、压力等参数变化的规律。结果表明：相同压力作用下膨胀土强度随含水量不同有较显著的变化,随含水量增加而减小。但当含水量增加到一定程度,强度不再随压力而变化,即内摩擦角为0。当含水量较高时,温度影响显著,相同压力、含水量和干密度情况下,液相为全液体时,随温度的升高抗剪强度增大;当液相有部分结冰时,其规律与干密度的大小有关。含水量较小时,压力较小情况下,温度对抗剪强度影响不明显。     

干湿过程中花岗岩残积土抗拉强度变化研究

利用自制的土体直拉强度测试仪,研究了重塑花岗岩残积土在不同含水率下、增湿过程和干燥过程中抗拉强度的变化规律,并从胶结力和湿吸力的角度讨论了抗拉强度变化规律的微观机制。结果表明：不同含水率条件下抗拉强度随含水率增加呈现先增后减,峰值两侧呈较好的指数规律;增湿过程中抗拉强度随含水率增加呈先增后减趋势,峰值两侧为一次函数规律;干燥过程中抗拉强度随含水率降低出现指数增加阶段、平稳阶段和小幅降低阶段3个阶段,其抗拉强度峰值为不同含水率条件下抗拉强度的4倍。花岗岩残积土在不同含水率和增湿过程中的抗拉强度的变化主要受湿吸力控制,而干燥过程中抗拉强度变化的同时受湿吸力和胶结力的控制,且胶结力对抗拉强度的贡献超过70%。土体的干燥开裂过程对应干燥过程中抗拉强度变化的几个阶段,干燥时湿吸力是土体内部拉应力的来源,这说明湿吸力既是抗拉强度的贡献者,同时也是抗拉强度的破坏者。该研究结果从另一种角度解释了土体抗拉强度的形成来源及其变化的主控因素。     

连云港软黏土的不排水强度试验研究

对连云港软黏土不扰动样和重塑样进行三轴CU对比试验研究。结果表明,不扰动样的不排水强度包线是由以屈服压力为界的双折线组成,而重塑样的不排水强度包线可以用通过圆点的直线表示。屈服前阶段,不扰动样由于受结构性影响产生的抵抗作用,其不排水强度包线高于重塑样;屈服后阶段,不扰动样的不排水强度包线介于具有不同初始含水率的重塑样的包线之间。通过对比分析,发现不扰动样与重塑样的不排水强度包线存在差异的主要原因是由于试样的不同初始含水率引起的。不扰动样在屈服后阶段的含水率变化规律与不排水强度增长规律与重塑土相一致,采用Burland提出的孔隙指数Iv,可将不同初始含水率重塑样及屈服后阶段不扰动样的压缩性状较好地归一化。     

含水率对煤系土抗剪强度的影响

煤系土具有遇水软化的特点,强度随含水率的增加急剧下降。以分布在广州－梧州高速公路沿线的煤系土为研究对象,在分析其物理特性的基础上,通过常规直接剪切试验测定了不同含水状态煤系土试样的抗剪强度,分析了含水率对煤系土抗剪强度的影响,并提出了实际工程中处治煤系土的建议。研究结果表明：煤系土抗剪强度与起始含水率具有明显的相关关系,且起始含水率越大,抗剪强度越小。随着含水率的增大,煤系土黏聚力总体呈减小趋势,但变化趋势具有显著的阶段性。当含水率小于某一值时,煤系土黏聚力随含水率增大变化幅度较小;当含水率高于该值后,煤系土黏聚力随含水率增大急剧降低,凝聚力对数与含水率呈线性关系。含水率变化对煤系土内摩擦角的影响较小,但在含水率增大过程中,煤系土内摩擦角先增后减,具有明显的峰值。     

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。