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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

压实黄土非饱和抗剪强度的试验研究

黄土是一种典型的非饱和土,抗剪强度是黄土的一个重要力学性质。为探究压实黄土的非饱和抗剪强度特征,利用GDS非饱和三轴仪对延安L₆压实黄土进行了一系列控制不同吸力和围压的固结排水剪切试验（CD试验）。对试验过程中压实黄土试样的饱和度、体积及土样中进出水量的变化情况进行了分析,并探讨了吸力和净围压对压实黄土应力-应变特性的影响规律。通过研究发现：试验黄土剪切过程中应力-应变曲线均为硬化型,应变呈现先剪缩后剪胀的变化趋势。基质吸力和净围压均对压实黄土的变形特性和强度特性有较大影响,同一基质吸力条件下,净围压越大,压实黄土试样强度越高,剪缩体变峰值越大,最终发生的剪胀量越小。净围压一定时,基质吸力越大,强度越大,剪胀也更明显。     

非饱和土库仑主动土压力统一解

基于非饱和土双应力状态变量抗剪强度统一解,合理考虑中间主应力效应,建立了非饱和土库仑主动土压力统一解,并对其进行可比性分析,将其计算结果与非饱和土朗肯主动土压力统一解进行对比,得出各因素的影响特性。研究结果表明,中间主应力和基质吸力对库仑主动土压力的影响显著,随统一强度理论参数和基质吸力的增加,库仑主动土压力不断减小直至为0,证明了考虑中间主应力可以充分发挥材料的自承载能力和强度潜能,具有可观的经济效益;库仑主动土压力随墙背倾角与填土倾角的增大而增大,随有效内摩擦角和基质吸力角的增大而减小,外摩擦角的影响不显著。非饱和土库仑主动土压力统一解具有更广泛的适用性,朗肯主动土压力统一解为其特例,其结果对边坡、基坑等工程的土压力确定和支挡结构设计有很好的借鉴作用。     

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。     

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。     

非饱和红粘土和膨胀土抗剪强度的比较研究

红粘土是对环境湿热变化敏感的塑性粘土,具有一般膨胀土吸水膨胀失水收缩的特性。与普通粘性土相比,红粘土与膨胀土的强度特性更为复杂。它既是土体抵抗剪切破坏能力的表征,也是计算路堑、渠道、路堤、土坝等斜坡稳定性以及支挡构筑物土压力的重要参数。通过试验研究讨论了红粘土与膨胀土的强度特性以及与一般粘性土的差别及其各种影响因素,并探讨了非饱和红粘土与膨胀土的抗剪强度指标与含水量之间的相关关系。试验结果表明,红粘土与一般膨胀土的吸水膨胀规律完全相同。其试验结果可为红粘土与膨胀土地区工程设计与建设提供参考依据。     

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。