吸力历史对非饱和弱膨胀土力学性质的影响EI北大核心CSCD

对经历较广吸力范围内不同吸力历史的非饱和弱膨胀土进行了一系列吸力控制的三轴剪切试验。关于最大吸力的施加,高吸力采用蒸汽平衡法;较低吸力采用轴平移技术。试验结果表明:在净应力和吸力相同条件下,经过湿化试样的应力-应变关系曲线升高、剪缩体变小;经过高吸力试样的应力-应变关系曲线也升高、剪缩体变小,随着经历过最大吸力的增加其应力比-应变关系、体变表现出的超固结土特性明显。其主要原因是前期试样受过较大的吸力,相当于受过较大前期固结压力,同时弱膨胀土失水收缩性明显,经过较大吸力后试样孔隙比明显减小,使试样剪切过程中表现出超固结黏土的特性。因此,讨论非饱和弱膨胀性土的应力-应变关系和强度时需考虑吸力历史引起的体积收缩影响。     

吸力历史对非饱和土力学性质的影响

现在被广泛公认的由Fredlund提出的非饱和土力学的双参数理论,即净应力和吸力为非饱和土的应力状态变量,不能直接考虑吸力历史及其饱和度对非饱和土的应力-应变关系和强度的影响。非饱和土三轴试验结果表明,即使净应力和吸力相同的条件下,经过干-湿循环试样与未经过干-湿循环试样的应力比-应变关系和强度是不相同的。在其他条件相同时,经历过干-湿循环的试样比未经过干-湿循环试样的应力比-应变关系要高、强度大和体变小。经过干-湿循环试样的饱和度低而强度高,主要是由于经过先期较高的吸力,相当于受过较大的前期有效压力,使试样成为超固结土。更多不同吸力历史的对比试验有待于进一步研究,以便为非饱和土的水力-力学特性耦合弹塑性本构模型定量地表示上述非饱和土的性质提供基础性试验数据。     

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.     

吸力历史对非饱和粉土动力变形特性的影响

以非饱和粉土为研究对象,利用吸力可控的动三轴仪对其进行动力变形试验,得到了在不同净围压和不同吸力路径下非饱和粉土试样的骨架曲线、动弹性模量和阻尼比,研究了先脱湿后吸湿的吸力历史对其动力变形特性的影响。结果表明,在同一净围压和吸力下,非饱和粉土试样经历过先脱湿后吸湿的骨架曲线和动弹性模量比仅经过脱湿的要高,而试样经历过先脱湿后吸湿的阻尼比比仅经过脱湿的要小;此外,随着非饱和粉土试样经历过最大吸力的增大,其骨架曲线和动弹性模量增大,而阻尼比减小。试验结果可用非饱和土的平均骨架应力和弯液面水的表面张力作用来解释,并用两项联合预测非饱和土试样的最大剪切模量。     

弱膨胀土的膨胀特性试验研究

目前测量土体膨胀力的主要方法有膨胀反压法、加压膨胀法、平衡加压法和恒体积法。基于测量膨胀力的恒体积法,利用TST-55型渗透仪、高精度压力传感器和数采系统改进了测量土体膨胀力的装置,并研究了膨胀土的膨胀特性。试验结果表明,土样初始含水率和干密度对土体的极限膨胀力都有显著的影响,并建立了极限膨胀力与两者之间的关系式;较低初始含水率时,不同干密度的土样在膨胀力达到峰值之后,都有不同幅度的降低,随着干密度的增大而降低的越多,并且发现极限膨胀力降低值与干密度之间在双对数坐标轴上存在线性关系;而在较高初始含水率时,不同干密度的土样在膨胀力达到峰值之后,会保持平稳趋势。极限膨胀力的对数与初始含水率之间具有很好的线性关系,土样吸水量的对数与初始含水率以及干密度均有着很好的线性关系。     

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。     

干密度对非饱和膨胀土水分迁移参数的影响

研究了非饱和膨胀土的两个水分迁移参数--水体积变化系数 和渗透系数kw,得出非饱和膨胀土的水分迁移参数 和kw并非恒值,是基质吸力的函数,而基质吸力与含水率密切相关。因此,其参数大小随含水率变化而变化。此外,还明显受到干密度的影响,随干密度的不同而变化。取得了考虑干密度和含水率的水体积变化系数 、渗透系数kw和基质吸力之间的非线性关系,为进一步研究非饱和膨胀土地基水分场变化提供基础资料。     

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。     

饱和度对非饱和土力学性质的影响

现在被广泛公认的由Fredlund提出的非饱和土力学的双参数理论,即净应力和吸力为非饱和土的应力状态量,不能直接考虑饱和度或含水率对非饱和土的应力-应变关系和强度的影响。在非饱和土三轴试验结果表明,即使在净应力和吸力路径相同的条件下,具有不同饱和度试样的应力-应变关系和强度也是不同的。其他条件相同时,试样饱和度越高,其应力比-应变关系曲线越高,强度越大。最新的水力-力学特性耦合的弹塑性本构模型可以定量地表示上述非饱和土的性质     

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。     

非饱和土粒间吸力研究的若干思考和进展

非饱和土粒间吸力是建立非饱和土有效应力原理和抗剪强度理论的基础前提,从各力的本质、概念、大小等不同角度出发,对目前非饱和土研究中常见的几种吸力进行了详细地对比和分析。基质吸力表示土壤吸水的趋势,强调的是土颗粒与水之间的相互作用,并非土颗粒间的相互作用,与有效应力概念的本质不符,是Bishop和Fredlund强度理论中分别存在着物理意义不明确参数x和φb的根本原因;广义吸力虽然考虑了结构吸力的作用,但仍将基质吸力作为有效应力的一部分,使原本“实用、简化”的目标更加复杂化;附加内压力将基质吸力以及表面张力的作用进行叠加,存在力作用大小上的重复,同时未考虑结构吸力的作用;张力吸力将表面张力沿两土颗粒连线方向的分量——张力吸力和基质吸力进行叠加,一是仍将基质吸力作为有效应力的一部分,二是同样未考虑结构吸力的作用;粒间吸力（湿吸力和结构吸力）考虑了因土体结构性引起的结构吸力作用,同时也考虑了气液界面上收缩膜的效应——湿吸力的作用,基于粒间吸力的非饱和土有效应力及强度理论不仅符合有效应力定义的本质,而且合理地解释了非饱和土中诸如收缩膜张力的方向性、土中应力概念的平均性、土体物理本质的唯一性、随含水率变化的连续性以及对不同类型土的适应性等众多现象。因此,从粒间吸力的角度出发来研究非饱和土的有效应力原理是正确、可行的。     

The role of pore water in the mechanical behavior of unsaturated soils

Deformation and failure of soils are governed by the stresses acting on the soil skeleton. The isotropic stress acting on the soil skeleton can be divided into two components. One is the stress component which is transmitted through the soil skeleton. This skeleton stress is influenced by the pore water (bulk water) in the soil. The other is the internal stress component which does not contribute to equilibrium with a given external force. The internal stress is induced by the capillary tension of meniscus water clinging to the contact point of soil particles and acts so as to connect the soil particles tightly. Therefore, in modeling the stress and strain relations for unsaturated soils, it is of much importance to quantitatively evaluate how the pore water exists in the soil. This paper discusses the role of pore water on the mechanical behaviour of the soil. In particular, the significance of the water retention curve is emphasized from a mechanical viewpoint. Essential features required in modeling of the constitutive relations for unsaturated soils are discussed and presented.     

不同干密度非饱和膨胀土的三轴试验研究

重塑非饱和膨胀土的结构特征是影响其强度和变形等性质的重要因素。在不同初始干密度下击实的试样具有不同的初始结构。吸力和净围压的作用使得试样结构产生变化,从而呈现出不同的剪切特征。进行了一系列的控制吸力的三轴试验,试验结果表明,吸力和净围压的增加使得试样的抗剪强度提高,剪胀性减小;初始干密度大的试样也有更高的强度,且呈现出明显的剪胀现象。     

非饱和土微观结构与粒间吸力的研究进展

吸力是非饱和土研究的重点也是其难点。重点在于自然界中诸多物理现象可以用吸力去解释,难点在于非饱和土吸力的量化测试技术现在还不成熟。非饱和土作为地球表层广泛存在的三相组合材料,其力学性质远远比饱和土复杂,归根结底在于土中水气界面形成的弯液面收缩膜,导致了土体孔隙产生吸力。非饱和土体的强度变形特征就是其内部吸力不断变化的宏观表现形式,其宏观物理力学性质与吸力之间存在一个桥梁——微观结构。对非饱和土微观结构和吸力理论、试验研究的整体把握是完善土力学的一个重要方法。开展对非饱和土液桥动态结构演化及吸力力链分布特性的研究,是全面了解非饱和土力学性能的重要基础之一,也是深入把握和量化非饱和土吸力的重要手段。     

一维稳态渗流时非饱和土中的基质吸力分布

首先对非饱和土中的土水势和干土吸水过程中土水势的变化进行了定性分析。然后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,建立了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,并利用差分方法对稳态入渗和稳态蒸发两种情况进行了求解。根据提出的方法,不仅可以方便地得到基质吸力沿深度的分布,而且可以求出水头和导水系数沿深度的变化。