非饱和土抗剪强度理论的研究进展

非饱和土的工程性质是20世纪90年代以来国际岩土工程界研究的热点,非饱和土的抗剪强度是非饱和土的重要工程性质之一,在参阅了中、外文相关资料的基础上,总结了非饱和土抗剪强度理论的研究成果,提出了非饱和土抗剪强度有待进一步研究的问题。     

非饱和土的有效应力与抗剪强度

从孔隙土的存在状态出发，探讨了吸力的两种不同作用效果与非饱和形态的关系，从理论上论证了Bishop公式的正确性澄清了多年来一个基本概念上的误解。用新的观点阐述了非饱和土中抗剪强度分布不均匀及浸水湿陷的原因；同时还对Fredlund和卢肇钧提出的抗剪强度理论及参数的测试方法进行了分析，提出了各种抗剪强度理论在理论上都是相同的，其区别仅在于确定由吸力产生的那部分有效应力时采用的参数和测试 方法不同。为今后非饱和土的抗剪强度研究从理论转向实用提供了理论基础。     

吸力对非饱和土抗剪强度的贡献

回顾了非饱和土抗剪强度理论，并进行了评价；系统地分析和总结了吸力对抗剪强度的贡献。     

非饱和土抗剪强度研究方法的探讨

介绍了目前岩土工程界提出的新的非饱和土抗剪强度公式,并用试验证实了非饱和土抗剪强度与含水量的指数函数或幂函数关系,为非饱和土体抗剪强度公式应用于工程实践提供了依据.     

非饱和土抗剪强度及土压力统一解

基于统一强度理论和非饱和土双应力状态变量抗剪强度,合理考虑中间主应力效应,建立了非饱和土双应力状态变量抗剪强度统一解,并与文献试验结果进行比较,验证了公式的正确性;进而考虑基质吸力的不同分布,得到非饱和土主动土压力和被动土压力统一解,克服了朗肯土压力的不足,并得出中间主应力和基质吸力对土压力的影响特性。研究结果表明,主动土压力随着统一强度理论参数和基质吸力的增大而不断减小,被动土压力则相反;当基质吸力沿深度线性减小时,主动土压力和被动土压力都不像基质吸力沿深度为常数时变化得那么快。该结果为非饱和土抗剪强度和土压力分析提供了理论依据,对工程设计有一定的参考价值。     

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。     

宽饱和度范围非饱和土抗剪强度指标的演化模型

非饱和土的抗剪强度指标随饱和度变化的规律错综复杂,为了用数学模型描述这些规律,对现有文献中非饱和土的黏聚力、内摩擦角、剪胀角随饱和度变化的规律进行分析。分析结果表明：（1）当土体饱和度降低,土体从毛细作用主导逐步过渡到吸附作用主导时,土体内摩擦角会增大,其变化规律存在一个转折点,可以定义为临界饱和度Src。当饱和度Sr大于临界饱和度Src时,内摩擦角可视为常数;当饱和度Sr小于临界饱和度Src时,内摩擦角随着饱和度的减小线性增加,传统扩展摩尔-库仑准则等模型不再适用。（2）黏聚力随饱和度的变化过程存在山峰效应,即黏聚力先随饱和度Sr的降低呈指数函数关系增加,当饱和度Sr达到非饱和土强度极值对应的饱和度Srv时达到最大,随后有所降低,这也是导致非饱和土强度存在山峰效应的主要原因。（3）剪胀角随饱和度的降低和垂直压力的降低而增大,可采用线性模型描述。基于以上规律,提出了一个宽饱和度范围内的非饱和抗剪强度演化模型。通过与文献中的试验数据及现有强度模型拟合结果进行对比发现,新模型在描述宽饱和度范围内的土体强度时具有更好的适用性。     

再论非饱和土的抗剪强度

通过不同吸力状态下的非饱和土抗剪强度试验,探讨了基质吸力对黏聚力和摩擦角的影响,提出在不同的基质吸力条件下黏聚力和摩擦角均可能是变化的。非饱和土的抗剪强度包络面在几何学上是直纹面的一种,该包络面可用改进的摩 尔-库仑破坏准则描述,并用试验验证了该公式的合理性。结合改进的摩尔-库仑抗剪强度公式和具体试验,提出了等效黏聚力-吸力曲线和等效摩擦角-吸力曲线在一定的区间内近似为直线,给出了确定等效黏聚力和等效摩擦角的具体方法,并用干土和饱和土两种极端状态对3种非饱和土抗剪强度理论进行了评估。改进的摩尔库仑破坏准则是一种更真实描述非饱和土破坏的强度准则。     

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-水特征曲线完全一致。基质吸力5kPa、60kPa、170kPa分别是这4个阶段的临界值。其中,当基质吸力60kPa时,非饱和重塑黄土抗剪强度出现峰值。非饱和黄土表观黏聚力随基质吸力变化特点与抗剪强度基本一致,但表观内摩擦角呈现阶段性增大趋势。表观黏聚力对基质吸力的敏感程度显著大于表观内摩擦角。非饱和重塑黄土抗剪强度变化特点显示其抗剪强度参数b值为一个非常量数值。     

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。     

基于平面应变试验的非饱和膨胀土强度分析

介绍了非饱和土强度理论的研究现状,总结了FREDLUND提出的吸力内摩擦角 的性质与规律研究,根据FREDLUND非饱和土强度理论和吸力内摩擦角 的计算方法,利用原状膨胀土的平面应变等应力比卸荷试验,分析得到土样破坏时应力状态下得到的吸力内摩擦角 > ,与FREDLUND提出的吸力内摩擦角 的变化规律不一致,分析认为,是由于卸荷试验过程导致微裂隙的张开,引起基质吸力的降低,有待于继续深入研究。     

非饱和土的抗剪强度与含水率关系的试验研究

研究非饱和土的抗剪强度及其随含水率的变化规律,对工程实践具有重要意义。在总结前人试验研究成果的基础上,以欠固结的第三系粉砂土为研究对象,对原状土和两种控制含水率方法的重塑土进行直剪试验,并与前人研究进行对比。研究结果表明,随着含水率的增加,土的抗剪强度降低,含水率对抗剪强度的影响主要是降低了土的黏聚力,对内摩擦角的影响较小。含水率与黏聚力之间的关系可以由两个直线段描述,第2直线段的斜率要大于第1直线段,当含水率增加到一定值时,土的黏聚力急剧下降。通过控制干密度,添加不同质量的水来改变土样含水率的重塑土方法,不仅改变了土样的含水率,还改变了土的压实度和颗粒结构,因此,土的抗剪强度的变化是含水率和压实度共同影响的结果,在分析试验结果时应该引起重视。     

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。