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。     

非饱和土的剪切强度

首先回顾了非饱和土剪切强度的研究现状,接着在控制吸力非饱和土三轴剪切试验的基础上提出了非饱和土剪切强度的双曲模型,它可预测不同吸力对强度的贡献———τｓ ,预测结果令人满意,具有很好的实用性。     

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。     

基于电阻率的非饱和土基质吸力预测

针对非饱和土吸力测量与计算的困难,提出了一种利用土的电阻率结构参数预测基质吸力的方法。通过滤纸法测试重塑膨胀土的基质吸力,分析了非饱和土的基质吸力与体积含水率的关系,即土-水特征曲线的变化规律。在测试非饱和土横向与竖向电阻率的基础上,探讨了非饱和土的电阻率与其体积含水率的关系,并进一步研究了土的电阻率结构性参数 、 和 随体积含水率的变化规律。发现基质吸力与电阻率结构参数 之间存在良好的抛物线关系,利用这种关系可以准确预测非饱和土的基质吸力。利用土的电阻率结构参数预测吸力,避免了吸力量测与计算的困难,简单实用。     

非饱和膨胀土的土-水特征曲线研究

在干旱和半干旱地区 ,土体中含水量的变化常会引发各种工程问题。研究表明 ,非饱和土的工程性质不仅取决于土的组成、结构和应力状态 ,还与土中的吸力密切相关。非饱和土的土 -水特征曲线表达了土体中含水量与吸力的关系 ,是非饱和土研究的重要内容之一。     

洛阳地区非饱和土强度试验研究

在改进的非饱和三轴仪上针对洛阳地区非饱和土开展强度试验研究,结果表明:粘聚力趋势角相对内摩擦角有更高的变化率、更大的变化范围,似粘聚力和随着饱和度的降低而快速增长。全面地考虑土中力学因素及土体结构影响的强度、变形理论研究是目前非饱和土土力学理论研究领域中的难点,对此用饱和度作控制变量建立了基于饱和度的非饱和土广义双变量强度理论,研究表明这一与以往理论建立思想有所不同的尝试对考虑土中力学因素、土体结构性的影响是有效的。     

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。     

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。     

剪切对非饱和土土-水特征曲线影响的探讨

用净平均应力和吸力等于常数、偏应力增大的三轴排水剪切试验，探讨了剪切对非饱和土水量变化的影响。试验结果表明，土-水特征曲线依赖于偏应力，改进了非饱和土中水量变化的本构关系，建立了含水量．吸力．净平均应力．偏应力形式的土．水特征曲线。     

非饱和土基质吸力对边坡稳定的影响

降雨及浸水往往引起天然土坡及人工土坡的滑坡,其中,土中基质吸力的消失是一个重要原因。通过试验和计算分析,揭示了基质吸力对边坡稳定所起的重要作用。非饱和土边坡稳定计算中的关键参数 的确定,尚有待于进一步研究。     

一维稳态入渗时非饱和土基质吸力分布

雨水的入渗和蒸发对土体的其质吸力分布有着重要的影响作用。利用水相连续性条件、广义Darcy定律及Gardner关于非饱和土导水系数和基质吸力的经验公式,建立并求解出非饱和土一维稳态渗流情况下基质吸力沿深度变化的关系表达式。根据所解得的解析解,详细分析了在单一土层情况下参数α、入渗强度q和qlks对基质吸力分布的影响。     

土-水特征曲线预测非饱和土的抗剪强度对比研究

目前,非饱和土的工程性质已成为岩土工程界研究的热点问题,而非饱和土的抗剪强度的研究对土的工程性质尤为重要。笔者总结了4种用土-水特征曲线预测非饱和土的抗剪强度的公式,用5个Bar的压力板仪测得了马家沟Ⅰ号滑坡体上土体的土-水特征曲线,并采用MATLAB软件,利用Van Genuchten模型对试验数据进行拟合;用国际先进的GDS非饱和反压剪切仪对控制基质吸力为50kPa和100kPa的非饱和土进行直剪试验,得到了相应的抗剪强度。用土-水特征曲线对非饱和土抗剪强度的4种预测值与试验结果进行对比分析,验证各预测公式的准确性,总结其优缺点。最后得出Fredlund预测公式的准确性最高,黄润秋预测公式最为简单易行。     

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。     

非饱和黄土强度参数的试验研究

非饱和土强度理论的研究是非饱和土力学的核心问题。目前公认的非饱和土强度理论是Bishop的单变量理论和Fredlund的双变量理论,二者都引入了基质吸力这一应力参数,只是前者将其归到有效应力中,后者作为独立变量。要得到这两个公式中相关参数需利用控制基质吸力的非饱和土三轴仪或直剪仪测定,控制基质吸力是通过同步增加气压和孔隙水压力保持吸力不变实现的,即所谓的轴平移技术,该项技术一直面临测试周期长的困难和合理性的质疑。鉴于此,本文采用不同含水率的常规三轴CU试验,测定了有效稳态强度参数,得出了吸应力和体积含水率的关系曲线,非饱和强度直接用吸应力函数表达,该强度公式回避了测定基质吸力的问题,便于在工程实际中推广。为了进一步和Bishop及Fredlund的强度公式进行对比,又用张力计测定了同一试样的水土特征曲线,获得了其强度参数。理论上,这3种强度理论对机理的解释不同,但在数学上可以互相转化。从工程应用的角度,基于吸应力的抗剪强度更便于工程应用。     

基质吸力对非饱和重塑黄土崩解性影响试验研究

取陕北地区马兰黄土制成一系列干密度相同而含水率不同的重塑对比试验土样。用体积压力板仪测得土样的土-水特征曲线。利用自制的崩解试验仪器对不同初始基质吸力土样进行试验,得出平均崩解速度与初始基质吸力的关系曲线。试验结果表明,干燥黄土比湿润黄土更易发生崩解破坏,非饱和重塑黄土的初始基质吸力与平均崩解速度存在对数关系。基质吸力对非饱和重塑黄土崩解性的影响主要表现为两个方面：①基质吸力越大,水在土中的渗透速度越快,水快速入渗可提高土体内部孔隙水压力,同时溶解黄土颗粒间胶结物,使土体软化;②水快速占据土体内部孔隙,使土体内部气体以气泡形式挤出形成对外的压力。     

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。     

全吸力范围非饱和持水函数和渗透性函数的预测模型

非饱和土的持水函数和渗透性函数是刻画其持水能力和水分运移的基本参数。由于物理机制不同,持水函数及渗透性函数在毛细阶段和吸附阶段的特征有显著差异。多数传统的持水和渗透性函数仅考虑了毛细阶段内,毛细水的持水和渗透特性,不能表征吸附阶段内吸附水的特征。为使传统函数模型在吸附阶段也适用,以传统VG持水函数和VG-M渗透性函数为基础,用修正参数C(ψ)修正VG持水函数,并以此确定非饱和土的残余值ψ_r,区分毛细水的毛细流动和吸附水的薄膜流动。基于薄膜流动的特点,提出参数Γ(ψ),改进了传统VG-M渗透性函数在吸附阶段内低估非饱和渗透系数这一问题,从而建立了全吸力范围的渗透性函数模型。最后用3组持水及渗透性试验结果验证修正模型的合理性,结果表明修正持水函数模型和渗透性函数模型的预测结果在吸附阶段较传统模型更符合实测结果。     

颗粒级配对非饱和粘性土基质吸力的影响规律

颗粒级配是影响非饱和粘性土基质吸力变化规律的主要因素之一。本文在室内实验基础上,根据颗粒级配与非饱和土土水特征曲线基本参数之间的定量关系,探讨了颗粒级配对非饱和土基本特性的影响程度。研究结果表明:颗粒级配对非饱和土残余含水量控制作用明显,后者与粘粒、粉粒含量线性正相关,与角砾含量和粗、细粒含量之比分别线性、非线性负相关;不同粒组中,粉粒含量对土体残余含水量的影响程度最大,角砾含量的影响程度较低。颗粒级配对非饱和土残余基质吸力的影响程度较弱,后者与粘粒含量以及粗、细粒含量之比具有一定的相关性。非饱和土含水量变化幅度以及基质吸力对含量变化的敏感性与颗粒级配相关性最弱。但是,粘粒、粉粒含量以及粗、细粒含量之比对这两个特征值可能具有一定的影响作用。     

非饱和土本构模型在预测地表沉降中的应用

地下水位降低将导致非饱和土体中净平均应力和基质吸力发生变化,从而引起土体体积变化。利用GDS非饱和土三轴仪,研究了重塑非饱和黏土在干燥过程中试样含水率变化和总体积变化。针对某一典型基坑,运用大型有限元软件ABAQUS模拟了井点降水而形成的二维饱和-非饱和稳态渗流。饱和土区域和非饱和土区域沉降变形有着本质的区别,基于试验和数值模拟结果,根据Fredlund非饱和土弹性体变本构模型和饱和土有效应力原理,分别估算了饱和土区和非饱和土区沉降变形量。结果表明,在总沉降量中非饱和土区的沉降量是不可忽略的。随着降水深度的增大,非饱和土区域沉降量在总沉降量中所占比例将逐渐增大。     

非饱和土失水过程轴向位移变化规律试验研究

随着地下空间的大力开发,基坑降水导致的地面沉降对周边建筑物稳定性及地下管道系统产生一定影响,开始引起国内外学者的关注。本文选择武汉地区典型粉土,采用土-水特征曲线压力板仪开展失水过程的土-水特征曲线试验,得到了非饱和土的土-水特征曲线;质量含水率、轴向位移随基质吸力的变化规律及误差修正;不同基质吸力作用下含水率和轴向位移随时间的变化规律。根据测定曲线,非饱和土含水率随基质吸力的增大而减小,达到残余含水率时不再变化;随着基质吸力的增加,土体失水收缩,轴向位移增大,达到残余含水率时不再变化;加压过程中不仅有轴向变形,还伴随有一定径向变形。除此,对仪器本身及试验过程中可能出现的误差进行了详细的分析,为压力板仪试验提供参考依据。