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.     

吸力历史对非饱和弱膨胀土力学性质的影响

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。     

宽广吸力范围非饱和土剪切强度试验研究及其预测

以弱膨胀土为试验材料，开展了宽广吸力范围内非饱和土的持水和强度特性试验研究，并提出适用于宽广吸力范围的非饱和土强度模型。结果表明，在广吸力范围内，应力-应变曲线随吸力增加而增高，在低吸力范围呈现应变硬化，在高吸力范围呈现应变软化。低吸力范围，试样呈现剪缩变形；高吸力范围，试样在轴向应变2%处开始呈现剪胀趋势。此外，提出一种区分吸附水和毛细水的土-水特征曲线模型，并假设吸力引起的强度增强部分主要由毛细水决定。将有效应力系数用毛细水饱和度替代，并代入Bishop非饱和土强度公式，利用不同类型土剪切强度的实测数据和文献中剪切强度模型对比，表明该强度模型可以很好地描述宽广吸力范围内的非饱和土强度。     

压实度和基质吸力对土石混合填料强度变形特性的影响研究

针对土石混合料高填方工程分析计算参数和模型确定难题,采用非饱和土三轴仪进行了控制基质吸力和净围压的36个固结排水剪切试验,定量研究了压实度、基质吸力、配合比对非饱和重塑混合料强度变形特性的影响,建立了非饱和压实土抗剪强度、切线变形模量和切线体积模量修正算法表达式。试验结果表明:破坏应力、黏聚力随吸力的增加基本呈线性增长,吸力变化对有效内摩擦角影响不大;破坏应力与强度参数随压实系数的提高而增大;土石比为4:6的土样破坏应力和强度参数整体略高于2:8的土样,有效黏聚力随粉质黏土含量的增加而增大。配合比和压实系数相同的土样,净围压或吸力越大,试样强度越大,体变逐步由剪缩趋于剪胀;净围压和吸力相同的土样,在相同配合比时,压实系数越高,应变曲线逐渐由应变硬化型向理想弹塑型转变,低净围压下部分土样趋于应变软化型。修正后的非饱和土非线性增量本构关系符合大面积填方工程实际,可用于高填方地基变形计算和高填方边坡稳定性分析。     

不同压实度和基质吸力的粉煤灰三轴试验研究

粉煤灰的非饱和抗剪强度是准确分析非饱和状态灰坝的稳定性所必需的,但目前对其研究积累较少。通过控制不同压实度、不同基质吸力、不同净围压对粉煤灰进行一系列非饱和土三轴试验,探讨压实度和基质吸力对粉煤灰应力?应变关系曲线和强度参数的影响。研究结果表明,基质吸力较低时粉煤灰的应力?应变曲线没有峰值,呈硬化型;基质吸力逐渐增大时应力?应变曲线有明显的峰值,呈软化型;压实度越大,非饱和粉煤灰试样的应力?应变曲线的软化特征越明显,总黏聚力和内摩擦角均越大;非饱和粉煤灰的总黏聚力随着基质吸力的增大而逐渐增大,增大速率逐渐变缓,最后趋于稳定;不同基质吸力粉煤灰试样的内摩擦角变化不大,并且都近似等于饱和试样的内摩擦角;随着基质吸力的增大,吸力内摩擦角对粉煤灰试样的抗剪强度的贡献越来越小。研究得出的非饱和粉煤灰的抗剪强度特性对灰坝的设计和稳定性分析具有理论意义和工程实用价值。     

黄土坡滑坡滑带土非饱和力学特性试验研究

以三峡库区黄土坡滑坡临江I号崩滑体的滑带土为研究对象,研究基质吸力对非饱和滑带土的强度与变形等力学性质的影响。利用GDS非饱和反压直剪仪对滑带土进行了不同净法向应力和基质吸力组合下的直剪试验。试验结果表明:相同的基质吸力作用下,滑带土抗剪强度随着净法向应力的增大而增大。当滑带土试样中基质吸力较小时(50kPa),试样剪切过程中的应力-应变曲线,随着净法向应力的增大表现为应变硬化型。之后随着基质吸力的增加,当吸力大于净法向应力时,剪切应力-应变曲线表现为较明显的达到峰值后软化。反之,应力-应变曲线表现为应变硬化型。相同净法向应力下,抗剪强度随着吸力的增大而增大,剪切应力-应变曲线由低法向应力下的达到峰值后软化向高法向应力下的应变硬化转变。剪切过程的轴向位移表现为:当吸力大于净法向应力时,表现为剪胀; 反之,表现为剪缩。滑带土固结排水剪切条件下得到的黏聚力随着基质吸力呈线性增长关系。得到了滑带土的吸力摩擦角b为13.7,有效内摩擦角有较小增长,平均有效内摩擦角15.9。     

巴东组软岩非饱和碎屑土夹层的长期强度

巴东组软岩碎屑土夹层的非饱和蠕变特性明显、强度时间效应显著,研究其长期强度对含碎屑土夹层软岩路堑边坡稳定性分析有所帮助。为研究非饱和碎屑土夹层的长期强度问题,首先利用GDS非饱和三轴仪开展碎屑土夹层的非饱和强度、蠕变试验,得到其不同基质吸力下的应力-应变曲线、应变-时间曲线,分析基质吸力对其强度与蠕变特性的影响; 其次基于碎屑土夹层的蠕变曲线,利用等时曲线法确定其不同基质吸力下的长期强度。结果表明碎屑土夹层的长期强度较瞬时强度大幅降低,强度产生折损,损失率在34%~62%之间。碎屑土夹层的基质吸力越小,其长期强度越小,强度损失率越大。即巴东组软岩碎屑土夹层的饱和度越高,其强度越小,在荷载长期作用下的强度损失越大,且强度损失率增加的幅度随饱和度的增高而不断增大。     

非饱和土弹塑性模型参数的试验确定及有限元法

简要介绍广泛应用的非饱和土Alonso模型的原理与发展,并通过3组共7个试样的非饱和土三轴试验,得到模型的11个参数。在饱和土Cam本构关系的基础上,推导出一个基于非饱和土Alonso模型的应力-应变增量方程的计算公式,该方程与饱和土的本构方程形式相同。编制了能够考虑净应力和吸力二者对土体硬化规律影响的有限元程序,从而为非饱和土弹塑性计算提供一条途径,便于进一步应用于实际工程。     

Effect of degree of saturation on mechanical behaviour of unsaturated soils and its elastoplastic simulation

The two stress-state variable approach has been widely used in interpreting unsaturated soil behaviour. However this approach cannot take into account the effect of degree of saturation or water contents on the stress–strain behaviour and strength of unsaturated soils. The triaxial test results presented in this paper show that even if the same path of net stress and suction is followed, the stress–strain relation and strength are different due to different degrees of saturation. When other conditions are the same, the higher the degree of saturation for the soil sample is, the higher the stress ratio corresponding to a given axial strain will be. This effect can be modeled by using an elasto-plastic constitutive model coupling hydraulic and mechanical behaviour of unsaturated soils. Comparisons between the predicted and measured results are presented, which demonstrate that the model can quantitatively simulate the influence of the degree of saturation on stress–strain behaviour and strength of unsaturated soils.     

考虑毛细滞回效应的非饱和多孔介质渗流与变形耦合本构模型

在Wheeler本构模型框架的基础上,提出了一个水力与力学耦合的本构模型。该模型中的土-水特征曲线采用毛细滞回内变量模型,能够更好地描述水力历史变化下毛细滞回现象对非饱和多孔介质变形的影响,同时也可描述非饱和多孔介质变形对渗流的影响。非饱和土的强度不仅与吸力有关,而且受到饱和度的影响。相同的吸力下,土样经过吸湿和脱湿路径的饱和度不同,因此,非饱和土的强度也不同。此模型以体积含水率的塑性变化和体变的塑性变化为硬化参数,不仅能描述基质吸力对非饱和土的强化作用,而且考虑了饱和度对强度及变形的影响。试验结果与模型预测基本吻合,证明该模型能够模拟非饱和土的主要特性。为了简化,此模型是在各向同性荷载下推得的,有待于推广到一般的应力状态     

干湿路径影响粉土小应变剪切模量的试验研究

天然土尤其是地表浅层土常处于非饱和状态,其小应变剪切模量是预测地基变形及土工结构物动力反应的一个重要参数。通过对非饱和压实粉土三轴样进行弯曲元试验,研究了吸力和干湿路径对其小应变剪切模量的影响。试验结果表明,非饱和压实粉土样的小应变剪切模量各向异性忽略不计;小应变剪切模量G0(vh)、G0(hh)和G0(hv)均随吸力增大而非线性增大;同一吸力下不同干湿路径上的土样,饱和度不同,其小应变剪切模量随饱和度升高而减小,主要原因是土的平均骨架应力和土中毛细水的作用。根据试验结果对非饱和土小应变剪切模量的半经验公式进行了改进,同时考虑了吸力与饱和度的作用。     

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...     

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。     

非饱和土的本构模型研究

引用平均土骨架应力的概念,研究推导出非饱和土的刚度参数随吸力变化而变化的关系式,进而推导得到用平均土骨架应力表述的非饱和土LC屈服面函数以及硬化规律。从土力学原理推导,得到土样由于在净应力和吸力作用下产生体积变形引起土样饱和度变化的关系式。由平均土骨架应力推广,得到三轴应力状态的椭圆屈服函数,这一非饱和土本构模型的优点在于考虑了应力作用后土样饱和度的变化,通过对已有试验数据的初步验证,表明提出的非饱和土本构模型的合理性和适用性。     

Application of Hysteretic Trends in the Preconsolidation Stress of Unsaturated Soils

This paper involves an evaluation of a relationship describing the evolution in yield stress of unsaturated soils during hydraulic hysteresis, and an application of this relationship in an elasto-plastic framework to predict the compression curves of unsaturated soils under drained (free outflow of air and water with constant suction) or undrained (constant water content with no outflow of water and varying suction) conditions. The yield stress was quantified as the apparent mean effective preconsolidation stress obtained from compression tests reported in the literature on specimens that had experienced different hydraulic paths. It was observed that the preconsolidation stress does not follow a hysteretic path when plotted as a function of matric suction, but does when plotted as a function of the degree of saturation. Accordingly, an existing logarithmic relationship between the preconsolidation stress and matric suction normalized by the air entry suction was found to match the experimental preconsolidation stress results. This same relationship was also able to satisfactorily predict the trends in preconsolidation stress with degree of saturation by substituting the hysteretic soil–water retention curve (SWRC) into the place of the matric suction. The relationship between preconsolidation stress and suction was combined with an elasto-plastic framework to predict the compression curves of soils during drained compression, while the wetting-path relationship between preconsolidation stress and degree of saturation was combined with the framework to predict the compression curves of soils during undrained (constant water content) compression. A good match was obtained with experimental data from the literature, indicating the relevance of considering the hysteretic SWRC and preconsolidation relationships when simulating the behavior of unsaturated soils following different hydro-mechanical paths.     

Coupled modelling of hydro‐mechanical behaviour of unsaturated compacted expansive soils

The Barcelona basic model cannot predict the mechanical behaviour of unsaturated expansive soils, whereas the Barcelona expansive model (BExM) can only predict the stress–strain behaviour of unsaturated expansive soils without the water‐retention behaviour being incorporated. Moreover, the micro‐parameters and the coupling function between micro‐structural and macro‐structural strains in the BExM are difficult to determine. Experimental data show that the compression curves for non‐expansive soils under constant suctions are shifted towards higher void ratios with increasing suction, whereas the opposite is true for expansive soils. According to the observed water‐retention behaviour of unsaturated expansive soils, the air‐entry value increases with density, and the relationship between the degree of saturation and void ratio is linear at constant suction. According to the above observation, an elastoplastic constitutive model is developed for predicting the hydraulic and mechanical behaviour of unsaturated expansive soils, based on the existing hydro‐mechanical model for non‐expansive unsaturated soil. The model takes into consideration the effect of degree of saturation on the mechanical behaviour and that of void ratio on the water‐retention behaviour. The concept of equivalent void ratio curve is introduced to distinguish the plastic potential curve from the yield curve. The model predictions are compared with the test results of an unsaturated expansive soil, including swelling tests under constant net stress, isotropic compression tests and triaxial shear tests under constant suction. The comparison indicates that the model offers great potential for quantitatively predicting the hydraulic and mechanical behaviour of unsaturated expansive soils. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.