低含水率非饱和土的有效应力及抗剪强度

在暂不考虑其它因素引起的基质吸力组成部分 ,而只考虑毛细水作用对基质吸力的贡献的基础上 ,引进了附加内压力概念 ,将基质吸力分解为毛细吸力和附加内压力两部分 ,进一步将低含水率非饱和土中的总有效应力区分为由基质吸力引起的有效应力及由重力和其它外力产生的有效应力两部分 ,基此推导出基质吸力与抗剪强度之间的关系 ,解释了非饱和土的抗剪强度随含水率降低、基质吸力增大而增大且相互依赖关系呈非线性等重要试验现象     

基质吸力对非饱和网纹红土抗剪强度影响研究

非饱和土中的基质吸力对土体的抗剪强度具有很大的影响,为了研究非饱和网纹红土基质吸力对抗剪强度的影响,采用滤纸法和直剪试验法分析非饱和网纹红土抗剪强度随基质吸力的变化规律。试验结果表明:黏聚力对基质吸力变化的敏感程度高于内摩擦角;随基质吸力的增大,黏聚力均呈现出先增大后减小的变化规律,最大提高幅度达200%;内摩擦角随基质吸力的增大而增大,增大幅度约为200%,而含水率的变化规律则相反。     

非饱和结构性黄土的强度特性试验研究

黄土既有非饱和性,又有结构性。首先在控制基质吸力的条件下进行了原状黄土与重塑黄土的非饱和直接剪切试验,分析了两种结构性状非饱和土的基质吸力对净应力强度指标、Fredlund抗剪强度公式中参数b、以及Bishop抗剪强度公式中参数的影响。表明两种土的黏聚力随基质吸力的增大而增大,b和均随基质吸力的增大而减小;在相同基质吸力条件下,原状黄土的黏聚力、b和均大于重塑黄土。其次,通过无侧限抗压试验,测试了不同含水率原状黄土、重塑黄土和饱和黄土的单轴抗压强度,得到了不同含水率下原状黄土和重塑黄土的构度值。最后,探讨了非饱和黄土的构度与基质吸力、净应力强度指标、参数b和之间的关系。得到非饱和黄土的b和值随构度分别有单调的变化规律;相同构度值条件下,原状黄土的b和值均大于重塑黄土的值,反映了两种非饱和土结构性状的差异。     

陇东地区非饱和原状黄土的三轴力学特性

为获得陇东地区非饱和原状黄土的变形和强度特性及相关参数,对不同基质吸力及不同净围压下的非饱和原状黄土进行了常含水率三轴剪切试验,研究常含水率下陇东地区非饱和原状黄土的变形特性、临界状态、强度参数及基质吸力变化特性。研究结果表明:不同基质吸力下,偏应力与体应变临界状态线均呈线性关系;p-q平面内的原状黄土强度包线可以归一为一条直线,且可近似用饱和土临界状态线表示;非饱和黄土的抗剪强度受基质吸力的影响,非饱和原状黄土的黏聚力随基质吸力的增大而增大,有效内摩擦角受基质吸力的影响较小,可近似为一常数;并对不同基质吸力下陇东地区非饱和原状黄土的弹性模量进行拟合。     

非饱和结构性黄土吸附强度的试验研究

 以甘肃永登非饱和结构性黄土为研究对象,通过等吸力三轴试验,研究非饱和黄土在控制吸力条件下的剪切性状,得到基质吸力随含水率及围压的变化规律和基质吸力与吸附强度之间的相互关系,并推导新的吸附强度公式,该公式可预测不同吸力对非饱和黄土抗剪强度的贡献。试验结果表明：非饱和黄土的基质吸力随含水率和围压的增大分别减小,但含水率的变化对基质吸力的改变起着主导作用,在低含水率情况下,基质吸力灵敏度较高,吸附强度随基质吸力的增大而增大,围压对吸附强度的影响较小。本研究为非饱和黄土抗剪强度应用于西部地区黄土工程实践提供了一种新的方法。     

黄土的非饱和特征参数与结构性的试验研究

黄土既有非饱和性,又有结构性。本文首先在控制基质吸力条件下进行了原状黄土和重塑黄土的非饱和直接剪切试验,分析了两种结构性状非饱和土的基质吸力对净应力强度指标,Fredlund抗剪强度公式中参数b,以及Bishop抗剪强度公式中参数χ的影响。表明两种土的黏聚力随基质吸力的增大而增大,b和χ均随基质吸力的增大而减小;在相同基质吸力条件下,原状黄土的黏聚力、b和χ均大于重塑黄土。其次,通过无侧限抗压强度试验,测试了不同含水量原状黄土、重塑黄土和饱和黄土的单轴抗压强度,得到了不同含水量下原状黄土和重塑黄土的构度值。最后,探讨了非饱和黄土的构度与基质吸力、净应力强度指标、参数b和χ之间的关系。     

主动平移模式下墙后非饱和砂土破坏模式及侧向土压力分布试验研究

在主动平移模式下，开展一系列不同墙面粗糙度和砂土含水率情况下刚性挡墙主动土压力室内模型试验，通过渗压计和土压力盒分别监测了基质吸力和土压力的变化，并基于DIC图像关联技术获取破裂面位置，进而分析了基质吸力和界面粗糙度对主动土压力和土体破裂面形状的影响。试验结果表明：随着含水率增加，砂土破裂面逐渐向外移，原因在于当砂土基质吸力大于其进气值时，吸应力随基质吸力的增大而减小，进而使土体抗剪强度降低；达到主动极限状态后，破裂面过墙踵，但比库仑破裂面要浅，二者差异随基质吸力减少而增小；墙土界面摩擦对滑动破裂面形状的影响很小。此外，主动土压力在墙体中上部区域，随着深度增加而近似呈线性增大，但在墙踵附近区域，松砂传递的摩阻力使土压力出现略有减小；实测主动土压力值始终小于库仑主动土压力值，其差值随着含水率的增大而增大；相比摩擦角的影响，吸应力对土压力作用更为明显。     

基于双剪统一强度理论的非饱和土库仑被动土压力统一解

基于双剪统一强度理论,考虑中间主应力和基质吸力等因素的影响,建立了非饱和土库仑被动土压力的统一解。将计算结果与非饱和土朗肯被动土压力统一解的计算结果进行比较,验证了该公式的正确性,并得到了中间主应力、基质吸力和有效内摩擦角等参数对非饱和土库仑被动土压力统一解的影响特性。研究结果表明:非饱和土库仑被动土压力统一解具有广泛的适用性,饱和土库仑被动土压力和非饱和土朗肯被动土压力均为其特例。中间主应力、基质吸力和有效内摩擦角对非饱和土库仑被动土压力的影响十分显著,并且非饱和土库仑被动土压力随双剪统一强度理论参数、基质吸力和有效内摩擦角的增大而增大。     

初始干密度对非饱和土变形及强度影响的试验研究

通过压力板仪测定并对比分析了不同初始干密度下粉质黏土的土水特征曲线;使用GDS非饱和土三轴仪,进行了不同初始干密度、不同基质吸力下非饱和粉质黏土的强度试验。结果表明:van Genuchten模型可以较好拟合不同初始干密度粉质黏土土水特征曲线;试样进气值与初始干密度呈正相关,持水能力和水稳定性随初始干密度的增大逐渐增大;相同初始干密度的非饱和粉质黏土强度随基质吸力的增大而增大,随着基质吸力的增大,基质吸力对试样抗剪强度的贡献值逐渐变小。不同初始干密度的试样体积变化均随着基质吸力的增大而减小,且初始干密度越大,不同基质吸力试样体变越接近一致。重塑非饱和粉质黏土的应力-应变关系可以用双曲线模型来描述,试样切线模量随基质吸力的增大而增大。     

饱和、非饱和有机质粉土抗剪强度的对比

通过对饱和–非饱和淤泥土的抗剪强度和土–水特征曲线SWCC测试,以及利用SWCC对非饱和淤泥土的抗剪强度预测,结果显示了饱和土的抗剪强度τsat小于非饱和土的抗剪强度τunsat,预测与实测的非饱和抗剪强度基本一致,并且非饱和抗剪强度随基质吸力ψ增加而增大,也反映了野外现场的物理条件和应力状态对细颗粒土的性质有重要影响。     

非饱和膨胀土抗剪强度的试验研究

膨胀土是一种特殊的非饱和土，经典的土力学理论在膨胀土问题中己显得无能为力。因此，用非饱和土力学理论来研究膨胀土问题在理论和实际两方面都具有重大意义。在非饱和土抗剪强度理论中，吸力的量测在工程实际中仍没有一种简单易行的方法。基于这种实际情况，试图通过其他间接的途径来代替吸力的量测，以确定非饱和土的吸附强度。对于膨胀土这种典型的非饱和土，膨胀力是其很重要的性质之一，它的大小受含水量的影响很大；另一方面，膨胀土的抗剪强度也随含水量的变化而不断地变化。进行了大量的膨胀力试验和抗剪强度试验，以确定膨胀土的膨胀力与吸附强度是否有一定的关系。通过对黑山土和梅山土的重塑试样试验得到的试验数据分析发现：膨胀力和含水量之间存在良好指数关系；粘聚力的对数和内摩擦角均随含水量的增大线性减小；非饱和膨胀土的吸附强度与膨胀力之间存在较好的线性关系，并在此基础上优化了非饱和膨胀土抗剪强度公式。     

非饱和含黏砂土强度、变形和水量变化特性研究

通过3种应力路径的三轴试验,即同时控制吸力和净围压的12个三轴排水剪切试验、控制净平均应力的3个三轴收缩试验和控制吸力的3个各向同性压缩试验.对非饱和含黏砂土的强度、变形、屈服和水量变化特性进行了研究,得出如下结论:相同干密度,相同净围压作用下,吸力越大试样的剪切强度越大,剪胀性越强,应力应变曲线逐渐由应变硬化型向应变...     

从变形、水量变化和强度三方面验证非饱和土的两个应力状态变量

为了验证非饱和土两个应力状态变量的合理性,对常规非饱和土三轴仪进行了改进,采用3个压力–体积控制器分别控制孔隙水压力、内室压力和外室压力,提高了量测体变和含水率的精度;用加荷器施加轴向荷载,可以方便地控制偏应力。在笔者前期用各向等压试验验证非饱和土的两个应力状态变量的基础上,使用改进的非饱和土三轴仪和重塑Q_3黄土做了两类验证试验:第一类是两组控制净围压、偏应力和吸力的固结不排水剪切试验,第二类是3组控制净围压和吸力的固结排水剪切试验。在第一类试验中,等值改变(增加或减少)总围压、孔隙水压力和孔隙气压力而保持净围压、吸力和偏应力本身不发生变化,发现试验过程中土样的体积变化和含水率变化均非常小,可以忽略不计。第二类试验的每一组包含两个控制净围压和吸力分别相同的固结排水剪切试验,其中一个试样在固结完成后直接进行排水剪切试验,另一个试样在固结完成后等值增加总围压、孔隙水压力和孔隙气压力而保持净围压和吸力本身不发生变化的条件下进行排水剪切试验,发现二者的抗剪强度、剪切过程中的体积变化、排水量和广义剪应变都分别十分接近,可以认为两两相等。研究结果从变形(包括体应变和剪应变)、水量变化和强度3个方面说明描述非饱和土的两个应力状态变量是合理的,进一步夯实了非饱和土力学的应力理论基础,为非饱和土的两个应力状态变量理论提供了牢靠的试验依据。     

重塑非饱和黄土的变形、强度、屈服和水量变化特性

共做了３种应力路径的三轴试验,即：控制吸力的各向同性压缩试验、控制净平均应力的三轴收缩试验和同时控制吸力与净室压力的三轴排水剪切试验。研究结果表明：应力路径对土的变形和水量变化有较大影响;土－水特征曲线依赖于净平均应力;与净法向应力相关的摩擦角在各种吸力下近似等于饱和土的有效摩擦角;剪切强度与吸力的关系是非线性的;三轴剪切条件下的水量变化指标接近常数;屈服净平均应力和屈服偏应力随吸力增大;在净平均应力不变的条件下屈服吸力是一常数但不一定等于土样在历史上曾受过的最大吸力。根据试验资料,提出了一个新的吸力增加屈服条件,并建议了一个确定三轴剪切条件下的屈服应力的新方法。     

黄土塬地区非饱和结构性黄土的强度特性研究

为了揭示黄土塬地区非饱和原状及重塑黄土的结构性强度特性的有关规律,完善非饱和土的非线性模型,获得关于黄土塬地区非饱和黄土的变形和强度特性及相关参数,以陇东Q3原状及重塑黄土为对象开展试验研究,对不同初始吸力及不同净围压下的非饱和黄土进行了三轴固结排水剪切试验,研究了黄土塬地区非饱和原状及重塑黄土的变形特性、临界状态、强度参数及吸力变化特性。研究结果表明:原状黄土的剪切破坏表现出明显的剪缩现象,重塑土试样的变形出现剪胀和应变软化现象,剪切变形会出现明显的剪切带现象;不同初始吸力下,原状土偏应力与体应变临界状态线均成线性关系,而非饱和重塑黄土体应变受干密度的影响较大,试验过程中,较大干密度的试样出现了先剪缩后剪胀的现象;非饱和黄土的抗剪强度受基质吸力的影响,非饱和原状黄土的黏聚力随吸力的增大而增大,有效内摩擦角受吸力影响较小,可近似为一常数,非饱和重塑黄土的强度受基质吸力和干密度的影响较大,但对内摩擦角的影响较小;试验得出黄土塬地区非饱和原状及重塑黄土的强度参数,且求得的原状土参数K比重塑土参数K受吸力的影响更大。     

干–湿循环过程中吸力与强度关系研究

针对膨胀土干–湿循环过程中的吸力变化和强度变化特征,开展试验研究。采用体积压力板仪实现脱湿和吸湿并制备不同吸力的试样,通过直剪试验测试不同吸力下的抗剪强度。试验成果显示:①土水特征曲线是不稳定的,它与土体含水率的变化路径有关;②在干湿循环过程中,相同的吸力具有不同的强度贡献。     

Liquefaction of Unsaturated Sand Considering the Pore Air Pressure and Volume Compressibility of the Soil Particle Skeleton

A series of cyclic triaxial tests of unsaturated soils was conducted to get a better understanding of the general liquefaction state of unsaturated soils. In the tests, cyclic shear strain was applied to fine clean sand with the same dry density but different initial suction states under the undrained condition. During cyclic shear, the volume change of the soil particle skeleton, the pore air pressure and the pore water pressure were measured continuously. Having used the effective stress defined by Bishop (Bishop et al., 1963), where the net stress and suction contribute to the effective stress, our test results showed that unsaturated sand specimens with quite a low degree of saturation lose their effective stress due to cyclic shear. At a zero effective stress state, unsaturated specimens behaved similarly to liquids in much the same way as saturated specimens. From experimental and theoretical considerations, the zero effective stress state (i.e., liquefaction) for unsaturated sand was found to have been established when both the pore air and water pressures build up to the point where it is equal to the initial total pressure. A volume change of pore air under the undrained condition, if a volume change of pore water is negligible, is equal to that of the soil particle skeleton. Therefore, it can be concluded that the liquefaction of unsaturated soil generally depends on the volume compressibility of the soil particle skeleton and the degree of saturation. On the other hand, according to the ideal gas equation of Boyle-Charles law, the volume change required to bring about a zero effective stress state can be calculated from the initial pore air pressure (usually the atmospheric pressure) and the final pore air pressure (the initial confining pressure). Therefore, the liquefaction of unsaturated soils also depends on the initial confining pressure. Based on this concept, the liquefaction potential of unsaturated soil can be evaluated by comparing the volume compressibility of the soil particle skeleton and the volume change of the pore air required to bring about a zero effective stress state.     

膨胀力在非饱和土强度理论中的作用

回顾了Ｂｉｓｈｏｐ和Ｆｒｅｄｌｕｎｄ提出的两种用吸力（ｕａ－ｕｗ）计算吸附强度的理论公式，提出了非饱和土抗剪强度是由以下三个部分组成：①真凝聚力ｃ；②外力产生的摩擦强度（σ－ｕａ）ｔｇφ；③吸力所产生的内摩擦强度（吸附强度）τｓ。并对三种理论公式及吸附强度计算式进行了总结对比，指出Ｂｉｓｈｏｐ和Ｆｒｅｄｌｕｎｄ公式因其吸力及参数均复杂难以测定，至今尚未能在工程实际中广泛应用，而本文公式因膨胀力ｐｓ和参数ｍ测定技术简便易行，可为非饱和土抗剪强度的研究工作提供一条新的探索与发展途径。