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。     

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。     

非饱和橡胶粉土抗剪强度特性研究

为研究非饱和橡胶粉土的抗剪强度特性,对具有不同橡胶颗粒掺量、含水率的橡胶粉土开展了一系列直剪试验。基于颗粒接触状态理论,构建了橡胶粉土的细观接触模式,建立了基于不同橡胶掺量的橡胶粉土骨架孔隙比计算方法。试验结果表明：在低含水率下,橡胶粉土的抗剪强度随骨架孔隙比增大而减小,在高含水率下,橡胶粉土抗剪强度随骨架孔隙比增大而增大;基于橡胶粉土的土-水特征曲线,得到了基质吸力与含水率的对应关系,在低骨架孔隙比下,橡胶粉土的抗剪强度随着基质吸力的增大而增大,在高骨架孔隙比下,橡胶粉土的抗剪强度随着基质吸力的增大先降低后增大;基于骨架孔隙比及含水率对内摩擦角、黏聚力的影响提出了非饱和橡胶粉土的抗剪强度发展机制,并建立了抗剪强度预测公式。研究结果可为橡胶粉土的实际设计施工提供理论支撑。     

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。     

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。     

非饱和土抗剪强度随含水量变化的试验研究

在土力学中,非饱和土的抗剪强度一直是研究人员所关注的重点。土体的抗剪强度随含水量的不同变化明显。试验以云南某重塑土为研究对象,采用常规直接剪切试验为手段,对不同含水量土样的抗剪强度参数进行测定。试验结果表明,土样的抗剪强度不是单调地随含水量的增加而降低,而是呈现出有起有伏的抛物线状,对进一步认识土体强度随含水量变化规律有积极意义。     

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。     

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.     

非饱和土土-水特征曲线和结构强度理论

本文从非饮和土中微观孔隙中分离规律出发，考虑到土孔隙内收缩膜对非饱和土剪切强度的影响，推导出了非饱和土土水特征曲线方程和结构强度公式。这不仅揭示了两者的内在联系，而且使它们有了统一的理论基础。这些公式既与试验测量结果相符，又便于实际应用。     

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。