（岩土工程专业论文）非饱和重塑膨胀土临界状态特性的试验研究.pdf

摘要 本文以国家自然科学基金课题“非饱和膨胀土的结构特征与结构强度研究”( 批准号：4 0 3 7 4 0 4 7 ) 为依托，应用非饱和土力学理论，通过对广西膨胀土排水剪切与不排水剪切以及控制吸力的固结试 验，研究了广西膨胀土临界状态的特性以及不同吸力下的土体在p 一占平面内的屈服特征，取得了 以下方面的成果： 1 通过三轴试验研究了非饱和土体的临界状态特点，分析了其临界状态的特征及其影响因素 以及状态参量在临界态下的变化情况，在此基础上拟合了临界状态方程，揭示了不同吸力 下的土体在p f 平面内的屈服特性。 2 应用非饱和土固结仪进行了控制吸力的固结试验，通过试验结果，揭示了吸力对于固结特 性的影响，在此基础上研究了不同饱和度下土体的固结特性。 3 分析了膨胀土变形中微观与宏观的相互作用，研究了不同饱和度下土体的屈服形态；结合 非饱和土弹塑性模型，通过试验确定了相关的模型参数，进一步研究参数的影响因素，在 此基础上通过模型参数绘制出的l c 屈服曲线与试验结果得到的曲线取得到了较好的吻合， 为进一步构建模型奠定了基础。 关键词：非饱和土；临界状态；三轴试验；固结试验；屈服特性；弹塑性模型 a b s t r a c t 啦t h e s i si sap a r to ft h ep r o j e c to f r e s e a r c ho fs t r u c t u r e sa n ds t r e n g t ho fu n s a t u r a t e de x p a n s i v e s o i l s s u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i m ( n o 4 0 3 7 4 0 4 7 1 as e r i e st e s t s i n c l u d i n gd r a i l l a g es h e a r , u b d r a i l l a g es h e a ra n ds u c t i o n - c o n t r o l l e dc o n s o l i d a t i o no f g u a n g x ie x p a n s i v es o i l s w e r ep e r f o r m e 正a n dt h ec r i t i c a ls t a t ec h a r a c t e r i s t i c so fo u a r 鞯ia n s a t u r a t e de x p a n s i v es o i l sw a ss t u d i e d b a s e do nt h ep r i n c i p l eo f u a s a t u r a t e ds o i lm e c h a n i c s 1 1 m a i nr e s u l t sa r eo b t a i n e da sf o l l o w s ： 1 1 1 塘c r i t i c a ls t a t ed 墒均c t e f i s t i c so f u n s a t u r a t e ds o i l sw a ss t u d i e db yt h et r i a l a x i a lt e s tr e s u l t s a n dt h e i n f e c t i o nf a c t o r so fc r i t i c a ls t a t eo fu n s a t u m t e ds o i l sw e r ea n a l y z e d b a s e do nt h ee x p e r i m e md a t a , t h ec r i t i c a ls t a t ee q u a t i o no f u n s a t o r a t e ds o i i si su s e dt oc a l c u l a t et h ec r i t i c a ls t a t ec u r v e s 2 an u m b e ro fs u c t i o n - c o n t r o l l e dc o n s o l a t i o nt e s tw e r ep e r f o r m e do nt h er e m o l d e do u a n g x ie x p a n s i v e s o i l s 1 1 l ei n f l u e n c eo fs u c t i o no nu n s a m m m ds o i i sb e h a v i o rw a si n v e s t i g a t e d t h ec o n s o l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sf o rd i f f e r e n td e g r e e so f s a t u r a t i o nw 啪s t u d i e da n dr e v e a l e dy i e l dc h a r a c t e r i s t i c si np - s p l a n eo f u n s a t u r a t e ds o i i sw h i c hw e c o n t r o h e db yd i f f e r e n ts u c t i o n 3 1 1 i n f l u e n c eo fm a c r o s m l e u a ta n dm i c r o s t r u c t u r et ot h ed e f o r m a t i o no fu n s a t u r a t e ds o i i sw a s s t u d i e d 1 1 l ee l a s o - p l a s t i cm o d e lw a su s e dt oa n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft m s a t u r a t e ds o i l s a n d m o d e lp a r a m e t e r sw e r ec a l c u l a t e db yt h ee x p e r i m e n td a t a 1 1 ”c a l c u l a t i o nr e s u l t so f l cg u r v e sa r ei n g o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a k e yw o r d s ：u n s a t u r a t e ds o i l ；c r i t i c a ls t a t e ；t r i a x i a lt e s t ；c o n s o l a t i o nt e s t ；y i e l dc h a r a c t e r i s t i c s ；e l a s o - p l a s t i e m o d e l 第一章绪论 1 1 非饱和土的基本特性 第一章绪论 在工程中遇到的土大多处于非饱和状态，湿陷性的黄土、膨胀土和人工填土一般均为非饱和土， 其工程性质十分复杂。 非饱和土在土骨架形成的孔隙中含有水和空气，它是四相系，即固相( 土颗粒) ，液相( 孔隙流 体一水) ，气相( 孔隙气体一空气) 和水、气的分界面。以气泡形式存在的少量空气会使孔隙中的流 体成为可压缩的物质，孔隙中空气的存在，是使非饱和土性质复杂化的主要原因。非饱和土的孔压 包括孔隙水压力和孔隙气压力两部分。孔隙气压力一般等于零，而孔隙水压力小于零( 低于大 气压) 。越过水气交界面存在压力差u s = u a - u w ，即为非饱和土的基质吸力，表示土的基质对于土中 水分的吸附作用，是非饱和土本质特征的力学反应，也是区别于饱和土力学的基本特征。 非饱和土相的复杂性使得其物理状态、有效应力原理、渗透性、应力应变关系、变形与固结、 抗剪强度、孔隙压力及其他有关方面都较饱和土要复杂的多，研究其力学特性、结构特性必然要考 虑到土中孔隙气、水的影响，因此必须利用非饱和土力学理论来研究非饱和土的工程性质。非饱和 土力学是现代土力学中的一个重要内容和研究方向，但由于土体本身的复杂性，对于非饱和土特性 的认识和研究仍处于探索阶段，研究成果与实际应用还有一段距离，因而对于非饱和土的研究具有 重要的现实意义和前瞻性。 1 2 非饱和土力学研究现状 自r i c h a r d s ( 1 9 3 1 ) 研究非饱和土中的渗流算起，非饱和土的研究已有7 0 余年的历史。国内外学 者在实验，理论和数值分析方面都做了大量的工作，积累了一定的经验，归纳如下： 1 2 1 气一水形态的划分 非饱和土与饱和土的根本区别在于孔隙中存在着气体以及气、水与土骨架三相之间的复杂界面 现象。可见气相的存在是导致非饱和土性质复杂的主要原因，因此气相以及水相的各种存在形态， 以及受力后气、水在土骨架中的运移规律，必将对力学性质产生重大的影响。气一水形态是研究非饱 和土力学性质的前提。g u l h a t i 最早将非饱和土分为三个阶段：高饱和度时空气以封闭气泡的形式存 在于孔隙水中，称之为封闭阶段；低饱和度时气体存在于土体内部的通道上，而水则以透镜体形式 包围颗粒的接触点，或以气一水弯液面形式包围颗粒接触点，故称为透镜体阶段；上两个阶段之间称 之为过渡阶段。 f r e d l u n dd g 1 l 以饱和度大小为依据，将非饱和土分为：具有连续气相的非饱和土，其饱和度通 常小于8 0 ；具有封闭气泡的非饱和土，其饱和度通常大于9 0 ；饱和度介于8 0 至9 0 之间时， 出现介于连续气相与封闭气泡之间的过渡状态。 俞培基，陈愈炯h 根据土的饱和度不同，将非饱和土划分为水封闭、双敞开和气封闭三个阶段。 并用气渗性实验、水渗透试验和击实实验求得三种状态分界饱和度的约值。 包承纲圳对压实非饱和土依其含水量的不同提出了气相的完全连通、部分连通、内部连通和完 东南大学硕士学位论文 全封闭四种气相状态，并以吸力试验、气渗性试验来验证上述划分的合理性，同时进行非饱和土的 孔压消散试验来解释气一水的运移规律。s k v a n a p a l l i 4 1 在分析土水特征曲线的基础上，将吸力与土 的抗剪强度联系起来也得到了类似的划分。 上世纪末到本世纪初，国内土力学界结合非饱和土的有效应力原理的讨论，对气一水形态和吸力 的本质问题进行研究。汤连生和王思敬p j 将非饱和土按其含水状态划分为悬挂状非饱和土、索状非 饱和土和弧立空气非饱和土三种形态。 1 2 2 土一水特征曲线 土一水特征曲线，是表示非饱和土的基质吸力与重量含水量、体积含水量、饱和度或有效饱和度 之间的关系曲线。土一水特征曲线对于研究非饱和土的物理力学性质至关重要，根据土一水特征曲线 可以分析吸力与饱和度的关系，确定非饱和土的强度。因此，对非饱和土的土一水特性研究，特别是 揭示士的持水特性的本质和建立土一水特征曲线方程，对了解非饱和土的工程性质有重要意义。 影响土一水特征曲线的因素主要有土的颗粒成分、孔隙结构、土体的收缩性、土的应力历史和温 度等。而其中土的颗粒成分和孔隙结构是基本因素，其它因素往往是通过影响这两个基本因素而起 作用的( 刘艳华等，2 0 0 1 ) ( 1 ) 土的颗粒成分，包括土颗粒的矿物成分以及孔隙中可溶盐成分。其影响反映在土体对水分 的亲和程度上，对于具有较强亲水性矿物组成的土体，它表现出的吸力也必然较大，反映在土一水 特征曲线上，则为残余含水量较大，曲线的斜率也变得平缓。 ( 2 ) 孔隙结构，包括孔隙大小，级配及其组成结构等，孔隙结构影响土一水作用面积和收缩膜 的形状，而后者决定吸力的大小。土体的孔隙尺寸小，进气值高，持水性强，则土一水特征曲线平缓。 孔隙结构通常和粒径、级配以及土骨架结构相关，一般说来粒径较小、级配良好的土体，其孔径较 小，土的进气值较大，持水能力强。 ( 3 ) 土体的收缩性，土体在干湿循环过程中所产生的收缩或膨胀必然会引起孔隙结构的变化， 进而影响土体的持水能力，改变土一水特征曲线的形状。 j s f f i - e y t s t o i c e s c u 等 6 1 研究砂土和膨胀土的混合物时，发现初始试样的含水量会影响土一水特征 曲线的形状。o b e r g - h o g s t a 7 j 通过比较三个地方土样的现场和室内实验发现：在饱和度斓同的条件 下，干密度p 撤高的土样，基质吸力蜥较大，即在相同的饱和度下，试样愈疏松，则含水量愈高，吸 力愈小；在干密度p d 丰日同的条件下，饱和度s 墩低的土样，基质吸力蜥较大。陈正汉恻通过对重塑非 饱和黄土的三轴收缩试验表明：不同的净平均应力对应着不同的土一水特征曲线。对于饱和度相同的 土，作用的净平均应力愈大，对应的吸力愈小。 f r e d l u n dd g p j 认为吸力与非饱和土湿密状态之间的关系是非饱和土力学特性研究的核心和联 系各力学特性研究的纽带，它表达了在荷载( 历史、水平、路径) 和湿化影响下密度和湿度变化与 吸力的变化之间客观存在的一种演化规律。 对非饱和土的水分特征曲线研究最初是土壤学和土壤物理学的课题。b r i g g s 认为：土的渗透势是 由于水膜表面张力所引起的，根据水的状态将其分为三类：吸附水，渗透水和重力水。b u c k i n g h a m 认为非饱和土的渗透势是水保持能力的反应，非饱和土中水的流动和保存是由渗透势所决定的，他 第一次给出了非饱和土的水分特征曲线，并认为水分特征曲线是渗透势和含水量之间的连续函数。 通过土一水特征曲线，可以研究非饱和土的各种土性特征。当土从饱和状态向非饱和状态转变时， 土颗粒、土中水和土中气的分布随着应力状态的改变而改变，各相间的关系呈现不同的形式，从而 影响非饱和土的工程特性，比如含水量、透水性和透气性、抗剪强度、体积变化等。f r e d l u n d ”】描 述了利用土一水特征曲线和饱和土的渗透系数来预测非饱和状态时的渗透系数。f r e d l u n d “1 、黄义h 日 以及徐永福【13 1 提出了用土一水特征曲线和饱和土的抗剪强度参数来计算非饱和状态下抗剪强度的方 法。f r e d l u n d 1 j 还利用土一水特征曲线确定体应变参数，从而计算土的体应变。 1 2 3 有效应力 2 第一章绪论 有效应力原理是土力学机理中的一个重要的组成部分。非饱和土中除了有土颗粒，水以外，还 有气的存在，这使得非饱和土性比饱和土性要复杂得多。为了使非饱和土的研究简单化，可以利用 饱和土的有效应力原理，推广到非饱和土，将非饱和土的问题转化为处理饱和土的方法来考虑，其 中使用最为广泛的是b i s h o p 1 4 】提出的有效应力公式： 盯= p 一“。) + z 0 。一，) ( 1 1 ) 其中盯是土的有效应力，蚝为孔隙气压，蜥为孔隙水压，z 是有效应力参数。对于饱和土x = l ；千 土z 卸；对于非饱和土，z 的值介于0 和1 之间。a i t c h i s o n 和d o n a l d ”1 以及j e r m i n g s ”也提出了相 似的表达式。b i s h o p 和d o n a l d t ”j 以及b i s h o p 和b l i g h t i “j 通过初步试验验证过上式的正确性。但是， j e n n i n g s 和b u r l a n d “5 j 对非饱和土的有效应力原理提出疑问，他们认为该原理不能解释湿化过程中土 体的坍塌现象。b u r l a n d 1 9 进一步指出，从微观角度来看，将( 口) 和( ) 放在同一个公式 中是不合理的。j i n n i n g s 和b u r l a n d ”j 通过压缩试验指出：当租粒土的饱和度高于2 0 ，粉土高于 4 0 0 0 - 5 0 ，粘土高于8 5 时上式才实用。c o l e m a n l 2 0 认为对于体变和强度问题，z 值是不同的。对 于z 值的确定，大部分研究都是考虑到z 与饱和度s 之间的关系，但由于z 值与土的结构性联系比 较紧密，所以在z 与体变参数( 如饱和度) 之间不存在唯一性，因此，b i s h o p 的有效应力方程( i - 1 ) 应用中最关键的是有效应力参数z 的正确理解与确定。 k h a l i l i 和k h a b b a z 1 通过试验认为z 和吸力比参数( 基质吸力和空气进气值比值) 存在着唯一 性，并通过对两种土样的试验数据拟合得到两者的关系为 z = i ( u o - u 也) _l 婶。一砧。 j 0 。一“，) 0 。一“，l ( 1 - 2 ) k h a l i l i 将b i s h o p 的有效应力原理带入强度公式，在假设吸力对和7 值无影响的条件下，得到 的有效应力参数为 z ：r 三二- 三- o k ( 1 3 ) z 2 瓦硼 “。3 k h a l i l i n 及k h a b b a z m h 采用的有效应力公式为： o t 4 = 口q a w 6 q a 一4 64(i-4) 它是对t e r z a g h i 饱和土有效应力公式的简单推广。将普通的应力状态分为水压力作用、吸力作用、 净主应力作用、偏应力作用状态四种形式，认为水压力和偏应力在土颗粒不可压缩的假设情况下， 对体积变形不起作用，根据叠加的原理得到口和，与b i s h o p 公式相比，可得z = c ，c ( c ；，c 分 别为吸力和有效应力的刚度系数) 。 陈正汉口”在假设土颗粒不可压缩的前提下，推导出了弹性情况下各向同性非饱和土中含有两种 不溶混流体时的有效应力表达式为 = 仃一簦。+ 万g n ( u o - 越w ) ( 1 5 ) 式中掣和j ? 分别代表孔隙率为开和册的多孔介质的体变模量，将表达式与b i s h o p 公式对比，可 得到x = i f k 。 刘奉银鲫通过对非饱和土荷载传递机理的分析。提出了分别对球应力p 和广义剪应力g 建立的 有效应力方程； p = ( p - u 。) 一以0 。一) 3 东南大学硕士学位论文 97=q-zq(u。一“。)(1-6) 式中，知，知为参数，通过求取( 毋毋) q 4 嘞曲线及( 1 “) 6 匐曲线后，计算得到。 w h e e l e r 等2 4 】将饱和度与应力应变特性结合起来研究非饱和土的变形特性，同时考虑非饱和土 中水头滞回与颗粒特性对于变形的影响，构建弹塑性模型，得到有效应力的表达式为： 吒= 0 8 一 + ( 1 一) 吒 屯 s = 珊= 疗也一) ( 1 7 ) 式中，刀为土体的孔隙率，j + 为修正后的吸力值。其有效应力参数z 由饱和度昌来替代。 1 2 4 临界状态 非饱和土的临界状态研究是近几年开展的研究课题根据抗剪强度，的定义：在理论上土体可 处于下列三种应力状态，即当剪破面上的剪应力f 一加+ ，j ( 1 - 1 6 ) a b ) 随j 变化的经 式中，t = x ( s 一) 朋( o ) 是一个常数；芦是一个控制a g ) 随吸力j 增长速率的参数。 吸力m 相当于屈服应力，假定屈服函数为 j = s o = 常数 硬化规律 非饱和土的硬化规律为： 5 ( 1 - 1 7 ) ( 1 1 8 ) 东南大学硕士学位论文 丽d p o ( o ) = 丽苦出? p o ( o ) a ( 0 ) 一七一 ：万d s o2 南专蟛j o + p ka ( s ) 一也 ( i - 1 9 ) ( 1 - 2 0 ) 式中，p 。为标准大气压力；a 0 ) 、t 分别为相应于吸力s 的压缩指数和回弹指数。 在p ，q ，s 三维空间内的屈服面 9 2 一m 2 ( p + p ，) ( p o p ) = o ( 1 - 2 1 ) 式中，p ，= k s ，k 为土的参数。 s j w h e e l e r 等叨通过压缩高岭土的控制吸力的三轴试验验证了所提出的非饱和土的弹塑性临 界状态的框架，修正了a l o n s o 模型，得到在临界状态下，比体积y 与平均净应力p 的对数星线性相 关。表示为： ，= n ( s ) - a ( s ) l n ( p p 。) ( 1 - 2 2 ) 其临界状态线的方程为： g = m ( s ) p + z ( s ) ( 1 - 2 3 ) y = r ( s ) - 妒, ( s ) l n ( p p = ) ( i - p a ) 式中m 0 ) ，( s ) ，r ( s ) ， ，( 占) 和y ( s ) 是随吸力变化的参量，p 为净平均压力，p 0 为标准大气压 力。 yj c u i 等9 2 1 通过控制渗透吸力的三轴试验研究非饱和土的变形特性，结合a l o n s o 的加载屈 服曲线模型，将屈服面在( g ，p ) 平面上投影得到椭圆屈服线的表达式为： ，= 6 2 ( p c o s 0 + q s i n 0 一力2 + 占2 ( - - p s i n 0 + q c o s 功2 一丑2 6 2 = 0 ( 1 - 2 5 ) 式中岛b 分别为椭圆面的长轴和短轴的值，c 和口确定椭圆面的位置和倾角。 其流动法则表示为： 竺：j l ( 1 2 6 )小 il - 2 j 出?r r 一，7 式中，7 = q p ，玑为钟蟛= 0 时的矿值，( 一1 z ) 是群d e ；和，7 关系线的斜率。 4 ) 广义吸力模型 沈珠江p 3 j 认为，一切增加抗滑阻力的因素都可以算做广义吸力。广义吸力主要由折减吸力和胶 结吸力组成。 广义吸力模型把应变分为两部分，一部分取决于有效应力的变化，另一部分因吸力的丧失而产 生，即 6 第一章绪论 a e = c l 掣 盯 + c 6 ( p e , ) a s t 【，】+ c j 占l s o - 式中， c k 为弹塑性柔度矩阵，可以利用饱和土的弹塑性模型确定；e 和巳分别为实际孔隙比和饱 和孔隙比；，为广义吸力；盯为广义有效应力，盯。p - - u 。+ ，。 非饱和土本构关系的研究中，对于弹塑性模型的研究是一个重点，a l o n s oe eg e r m a 等人的 工作最具有代表性。国内徐永福【“】采用椭圆一抛物线双屈服面作为边界条件，建立了膨胀土的弹塑 性本构模型；缪林昌p 针对膨胀土以饱和度代替吸力，把椭圆一抛物线模型进行推广，做了很好的工 作；卢再华和陈正汉 3 6 1 以非饱和土本构理论为基础，结合复合体损伤理论，建立了非饱和原状膨胀 土的弹塑性损伤本构模型。 1 2 6 非饱和土的固结 非饱和土的四相体系决定了非饱和土的压缩性和渗透性均比饱和土复杂了许多，因此建立固结 方程比较复杂，体现在( 1 ) 非饱和土中的气体具有很高的压缩性，在孔隙压力的作用下，气体的运 动形式呈现多样性( - - 部分排出土体，一部分可能溶于孔隙水，还可能以气泡的形式存在于土体的 孔隙中) ，因此土体存在着体积和密度的变化，建立严格的边界条件比较困难。( 2 ) 非饱和土涉及到 两种介质的渗透性，与含水量、吸力以及密度相关，不是单值函数，受土的结构的影响。( 3 ) 非饱 和土有效应力原理的正确性与适用性还需要更多的实践和检验。( 4 ) 非饱和土固结过程中气、水相 互作用。 b i o t ( 1 9 4 1 ) 对含有封闭气泡的非饱和土提出了一般性固结理论，建立了以有效应力( 口1 “) 和孔隙水压表达的本构方程，将应力与应变联系起来，一个方程建立了孔隙比与应力状态的关系： 一个方程建立了含水量与土的应力状态的关系。s c o t t ( 1 9 6 3 ) 将孔隙比与饱和度的变化引入到含有 气泡的非饱和土固结方程。 b l i g h t ( 1 9 6 1 ) 推导出干硬状非饱和土气相的固结方程；b a r d e n ( 1 9 6 5 ，1 9 7 4 ) 提出了压实非饱 和粘土的一维固结分析，用达西定律来描述气相和液相的流动；f r e d l u n d 和s a s a n ( 1 9 7 9 ) 提出用两 个偏微分方程，求解非饱和土固结过程中的孔隙气压力和孔隙水压力，认为液相和气相的渗透系数 都是土的基质吸力或某一体积、质量特性的函数，该方法通常称为两相流法。 杨代泉、沈珠江印j 以吸力状态函数代替孔隙中水的体变，分别考虑孔隙水压、气压的消耗，建 立孔隙状态和吸力状态方程来研究非饱和土的广义固结：陈正汉【3 ”将有效应力原理和c u r i e 对称原 理作为非饱和土中两个重要的本构原理建立了非饱和土的固结模型；c h a n g 和d u n c a n ( 1 9 8 3 ) 、孙 长龙”考虑孔隙流体为单一孔隙混合体，将非饱和土视为孔隙混合流体充满的饱和材料建立了相应 的固结方程。 非饱和土的固结研究已有六十多年的历史， 湿胀，湿化和干缩，模型参数测试困难等问题， 饱和理论显得尤为重要。 1 3 本文的主要工作 在固结理论上仍然存在着适用性差，未考虑土体的 因此深入非饱和土固结理论的研究，建立实用的非 非饱和土力学历经几十年的发展，取得了许多重大进展。但是关于研究方法与内容还没有得到 共识和定论，提出的许多概念和假设需要理论与试验方面的检验。而将理论转化为实践，为工程项 目所利用需要很长的一段路要走，因此现阶段非饱和土的基本特性和基本理论的研究与深入，积累 7 东南大学硕士学位论文 室内试验数据，模拟室外的现场条件，对于非饱和土力学的实用化道路的发展具有重要的意义。 土的临界特征对于土的力学特性研究具有重要的意义，对于非饱和土，由于其内在吸力的影响 使得土体的结构变化更为复杂。要分析非饱和土的工程性质，对于其应力应变特性的研究，应力路 径的分析就显得尤为重要。本文旨在通过对于非饱和土的应力应变的分析，研究其内在的变化特性， 考虑非饱和土本构模型参数的影响，确定模型参数，为进一步建立和完善非饱和土的本构模型，更 好地运用于工程实践打下基础。论文主要工作为以下几个方面： 1 通过非饱和土的三轴排水、不排水剪切试验来研究非饱和土临界状态的特点，分析其临界状 态的特性，影响因素，分析和拟合临界状态方程。 2 应用非饱和土固结仪进行非饱和土的压缩试验，研究非饱和土的压缩特性，确定 y = ( 0 一a ( s ) i n ( 异( j ) 匕) 中的参数( s ) ，a ( s ) ，分析l c 屈服曲线的特性，并结合试验数据 拟合l c 曲线，验证试验参数。 3 运用弹塑性理论分析广西膨胀土的变形特性，结合非饱和土的弹塑性模型对模型参数进行归 纳分析，并利用模型验证试验得到的l c 曲线。 8 第二章非饱和重塑土的临界状态研究 2 1 概述 第二章非饱和重塑膨胀土的临界状态研究 非饱和土是具有四相结构的复杂土体，而在工程中所遇到的土大多存在于地表水位线以上，处 于非饱和状态，因此对于非饱和土的力学特性与机理的研究是分析与设计边坡、堤防等建筑结构物 的基础。 b i s h o p 和m i g h t c “】通过研究表明，非饱和土中，总应力口，孔隙气压力以及孔隙水压力 可以表示成两个应力变量，分别为净主应力( 口1 b ) 和基质吸力( 1 “) ，m a t y 鹊和r a d h a k f i s h n a 4 1 】 认为非饱和土在等向或是一维加载的时候，其体变可以用孔隙比p 和含水量w ( 或饱和度) 来表示。 在单向加载的条件下，孔隙比p 和含水量表示为下面的形式 e = f ( a - - i i a ，。一u ，) ( 2 1 ) w=，b-ua，q一)(2-2) f r e n d l u n d 等m 2 】提出用两个独立应力变量，即为净主应力( 口- z b ) 和基质吸力( - l “) 描述非 饱和土的力学特性，通过试验研究提出了非饱和土强度f 可以表示为 f = c + ( 盯- - s ) t a n + ( 也一u ) t a n 6 ( 2 3 ) 式中c 痢矿7 分别为饱和土的有效粘聚力和内摩擦角，妒6 是与吸力相关的摩擦角。e s c a r i o 4 3 1 和g 龇 等1 研究表明妒6 随吸力增大呈现出减小的非线特性。尽管非饱和土强度的表达式各有不同，但都 可以写成以净主应力( d ) 和吸力( - l 如) 为参数的形式 f=，p一也，一)(2-4) 2 2 临界状态 对于饱和土而言，临界状态框架包含了屈服，硬化和临界物态，饱和土的临界状态模型包含三 个状态变量：净主应力p ，偏应力叮以及比体积y ，表示为 p = ( o x + 盯2 + o 3 ) 3 一i ( 2 5 ) g=(0icr3)(2-6) y=1+p(2-7) 式中c r 2 = c r 3 ，0 i 为大主应力，c r 3 为小主应力，u 为孔隙压力。在各向同性的条件下，初始 状态可以用在一口一y 空间上的各向同性的正常固结线来表示： 9 查壹查堂堡主兰垡丝苎 口= 0( 2 8 ) y=nalnp(2-9) 其中和名是土体的参数，当土体剪切后接近临界状态，在p 一g 一矿空间上的临界状态线表 示为： 口= 勿7( 2 1 0 ) y = r 一2 1 n p ( 2 1 1 ) 将这一概念延伸到非饱和土情况，可以通过两个独立的应力变量， ( 口1 b ) 和( - l “) ，来构建 非饱和土的胳界状态变量。a l o n s o 等0 5 1 提出的非饱和土临界状态框架模型包含了四个状态变量：净 主应力p ，偏应力口，吸力s 以及土的比体积l ，其中 ，、 p = 堕竺半d 一 ( 2 - 1 2 ) s 。u l u t 佗- 1 3 ) w h e e l 盯s i l 【i l m a 一辅1 提出用含水量w 作为第五个状态变量，并引入了比水体积( 土中的含 水量与土体的体积比) 的概念，定义如下 y ，= 1 + 只p = 1 + 缈e ( 2 1 4 ) 对于不同种类的非饱和土，其临界状态的刻画主要区别在于相关的状态变量参数以及参数获取 等进行相关的试验研究。 2 3 试验研究 目前控制吸力的三轴的剪切试验被广泛用于研究非饱和土的特性，本文通过非饱和土的三轴试 验，研究的土样为广西膨胀土，根据试验数据研究非饱和膨胀土的临界状态，得到临界状态方程， 为相关工程的深入研究提供必要依据 2 3 1 试样的制作和准备 研究的土样为广西膨胀土，其基本物理特性见下表 表2 1 ：广西膨胀士基本物理特性 土类土粒比重塑限液限塑性指数 自由膨胀率 l 广西膨胀土2 7 03 0 3 6 l | 4 3 1 14 5 o 研究的土样是在室内制备重塑膨胀土试样。干密度取1 4 2 9 e r a 3 ，试样的直径和高度分别为 3 9 1c 】m 和8 0 n ，初始含水量分别控制为2 3 3 ( 饱和度7 0 ) ，2 5 o ( 饱和度7 5 ) ，2 8 3 ( 饱和 度8 5 ) ，进行非饱和土的三轴试验，在剪切阶段采用排水和不排水剪。剪切速率为o 0 0 6 4 m m m i n 。 具体操作为： ( a ) 排水常数吸力剪切，在剪切试验中和保持不变( 即吸力不变) ( b ) 常数比水体积吸力增加剪切，在剪切试验中不排水，不断减少而吸力j 不断增加。 1 0 第二章非饱和重塑土的临界状态研究 2 3 2 试验结果分析 2 3 2 1 净围压对剪切特征的影响 图2 - l 给出了不同净围压下试样排水剪切的应力应变曲线关系曲线。从图中可以看出，剪切 试样发生破坏而达到的峰值是随着围压的增大而增加的，随着吸力的增加，强度也相应的增大。 在吸力与初始干密度都相同的情况下，高净围压下的曲线呈现出应变硬化型。即使轴向应变达到 了很大的值( 1 5 ) ，应力应变关系曲线依然没有达到峰值，在吸力相同时，剪应力随着净围压的 增大而增加，这说明净围压的增加提高了土的强度，这与饱和粘土的三轴压缩特性是一致的。 图2 - 2 给出了不同净围压下试样不排水剪切的应力应变关系曲线。与排水剪切试验结果进行 对比可以看出，由于不排水剪的孔隙水压的变化，使得剪切过程中的吸力不是一个定值，呈现出 增长趋势，使得同等条件下的试样的净主应力值要大于排水剪。在图2 - 3 的不同净围压下试样剪 切时的体积变化曲线中可以看出，同一试样在低围压作用下开始表现为剪缩，后期出现了剪涨现 象，土样的应力变形也呈现出明显的软化现象；而在高围压下，体积收缩明显，土样变形呈现硬 化趋势；而在低气压的条件下，土样软化趋势比较显著，随着气压的增加，当地达到2 0 0 k p a 的时 候，试样剪切体积收缩明显，在屈服之后体积变化曲线变得平缓。这种剪缩主要由于非饱和土样 中含有孔隙气体，在压力作用下体积收缩的结果，因而不同于饱和土。 2 3 2 2 饱和度对剪切特征的影响 图2 - 2 2 - 4 给出了不同饱和度下的试样不排水剪切的应力应变关系曲线。从图中可以看出， 随着饱和度的增加，在相同净围压下的试样的强度呈现出减少的趋势。试样的体变特征在低饱和 度低围压下表现出剪涨。应力应变呈现出软化的形态，随着饱和度和净围压的增加，体变呈现出 剪缩特点，并在试样剪切屈服后，体变曲线趋于平缓。 不同饱和度下应力应变曲线特征表明：非饱和土体中由于吸力存在使得土体稳定的结构力增 强，具体表现为在抵抗外力作用，土体的强度增加，外力的作用使得土体产生破坏时，结构力必 然损失，从而使得强度明显下降而出现了土体软化的现象，而随着饱和度提高，土体吸水后，吸 力下降，土体在外力作用下出现破坏，其相应的强度下降没有在低饱和度下明显，所以不会出现 明显的软化现象。 饱和样在不排水剪切过程中，由于土体内的孔隙都被水所充满，在假定土颗粒与水均不可被 压缩的条件下，是不产生体变的。从图2 - 2 2 - 4 中看出，非饱和土在不排水剪切过程中均产生了 体应变，这是由于土体内孔隙中存有空气，在剪切过程中，气体被压缩，引起了体积变化，这有 别于饱和土。 试样剪切完毕后，其孔隙比表示为： e ，：堕 式中。为剪切后的孔隙比，y ，是剪切后的孔隙体积，i v 。为土体颗粒的体积 ( 2 1 5 ) 根据方程( 2 1 6 ) 代入唧和m ，的值可计算得到试样剪切后的饱和度易 sief=wfgl(2-16) 式中e 为土的比重，为剪切后的含水量 根据三轴试验的数据，选取相同的围压和控制气压下( 净围压2 0 0 k p a ，控制气压2 0 0 k p a ) ， l l 东南大学硕士学位论文 不同饱和度下的试样剪切后数据来分析饱和度与体变之间的关系。具体数据见表2 - 2 表2 - 2 剪切后试样参数表 初始饱和度( )初始孔隙比剪切后试样的饱和度剪切后试样吉水量剪切后试样的孔隙比 ( )( ) 7 00 9 0 17 4 42 3 3o 8 4 5 7 50 9 0 l8 2 22 50 8 2 1 8 50 9 0 1 9 4 42 8 30 7 9 9 从表2 - 2 看出，剪切后由于试样内孔隙的收缩，试样的饱和度增大，而孔隙比变小，随着饱和 度的增大，孔隙比减小的幅度也在增加，试样体积收缩的趋势也越明显，这与前面所得到的结论相 吻合。这一现象说明在进行非饱和土的研究中需要考虑饱和度的变化情况。 根据库伦方程得到的各个饱和度下的强度指标：粘聚力c 与内摩擦角咖列于表2 - 3 表2 - 3 不同饱和度下非饱和土试样不排水三轴试验数据 控制气压，最大主应力差，k p a 饱和度k l a净围压 净围压净围压c , k l no 。度 1 0 0 i 【p a2 0 0 i a3 0 d k p a 5 05 7 1 8 16 9 5 9 98 3 4 6 01 1 9 8 2 6 7 01 2 05 6 7 0 37 4 9 9 28 7 4 2 0 1 2 2 4 92 6 2 0 05 4 8 0 77 0 3 7 09 0 3 2 s1 3 1 3 52 6 5 03 5 0 2 04 1 2 2 25 5 1 9 98 9 0 l2 2 7 51 2 03 5 0 7 84 3 8 6 l5 1 7 2 79 7 2 s 2 3 2 0 03 6 2 4 54 6 0 8 65 6 2 4 3 1 0 3 1 7 2 4 5 03 0 5 8 54 5 9 6 0j 9 1 1 75 0 4 l2 5 8 5 1 2 02 s 4 8 44 6 4 1 26 0 0 6 25 8 3 72 4 2 0 02 7 5 1 34 3 8 7 36 0 4 ”4 1 4 42 6 从表2 - 3 可以看出饱和度( 含水量) 对于非饱和土的粘聚力口值影响较大，随饱和度的增大，粘 聚力c 不断减小；同一饱和度内，不同控制气压下的粘聚力c 值随着控制气压增大表现出明显的增 涨的趋势，但饱和度8 5 ，控制气压2 0 0 k p a 下的试样计算得到的粘聚力c 值明显偏小，出现了一些 波动，这可能是由于试样在固结阶段的时间不够充分，导致土内气压和水压分布不均匀，在剪切时 提前出现破坏所致；而内摩擦角咖受饱和度的影响并不明显。 第二章非饱和重塑土的临界状态研究 6 0 0 5 0 0 脚 生4 0 0 藿3 0 0 警 2 0 0 1 0 0 0 o24681 01 21 41 6 轴向应变咯 a 辞。褂晕锹娶堆 东南大学硕士学位论文 7 0 0 6 0 0 皇5 0 0 曩4 0 0 墨3 0 0 2 0 0 1 0 0 o o 2 46 81 01 21 4 1 6 轴向应变。， 矗= 1 2 0 k p a 1 4 誉矿糌甚锹娶蛞 第二章非饱和重塑土的临界状态研究 7 0 0 6 0 0 5 0 0 生4 0 0 餐3 0 0 蓬2 0 0 1 0 0 o o 2 4 681 01 21 41 6 轴向应变气， s = 2 0 0 k p a 图2 1 不同净围压下试样的剪切特征( 户0 = 1 4 2 9 c m 3 ，排水剪切，饱和度7 0 ) 乎，槲晕锹鼷堆 东南大学硕士学位论文 o24681 01 21 41 6 轴向应变b l u 。= 5 0 k p a u a = 5 0 k p a 著|啪瑚啪垂；枷喜枷姗。 芒gbr毽毕 t t n n q l l z 母p料晕锹娶堆 第二章非饱和重塑土的临界状态研究 罡 鼍 口 r 崔 蓬 _ 2 一1 一1 毋 口 塾o 锹o 释 堆1 1 2 024681 01 21 41 6 轴向应变e 。， u a = 1 2 0 k p a j h 一- 一o - 1 1 = 1 0 0 k p a - - 0 - - o 飞0 q 啦a - - a - - o - - u = 3 0 0 k p a , 8 一 7 ，- 。 一 。磊向澍 一一。一。8 1 7 喜|啪瑚啪舌枷蚕；啪姗。 东南大学硕士学位论文 024681 01 21 41 6 轴向应变c d ， 姒2 468i 01 21 4 弋 。 - - e - - o - - u = 2 0 0 k p a 、 u 。- - - 2 0 0 k p a 图2 - 2 不同净围压下试样的剪切特征( 乒0 = 1 4 2 # c m 3 ，不排水剪切，饱和度7 0 ) 1 8 咖喜|跏瑚啪舌堇枷季；枷枷。 主_fr邋罩 毋p静晕愀娶摭 第二章非饱和重塑土的临界状态研究 一1 o 葶 子1 糌 基2 锹 鬟s 4 024681 01 21 4 1 6 轴向应变8 。， 681 01 21 41 一一0 1 l ：】o ( ) k p a 、一- 一 1 1 = 1n r f p a、 一1 初缵 、一一 一o - 1 1 = 3 n n k 一 u 口= 5 0 k p a 1 9 咖 藿； 枷 喜； 啪 姗 。 芒】ibr璎睾 东南大学硕士学位论文 6 0 0 5 0 0 4 0 0 毒3 0 0 墨2 0 0 1 0 0 0 一l 0 葶 一1 糌 基2 制 垂s 4 024681 01 21 41 6 轴向应变e a ， u , , f f i l 2 0 k p a 八 第二章非饱和重塑土的临界状态研究 6 0 0 5 0 0 4 0 0 子3 0 0 采 墨2 0 0 1 0 0 0 冰 口1 槲 基2 制 鐾s 4 o24681 01 21 41 6 轴向应变6 。， 。心、，! 芝：6 、u 一一 t7 ”1 1 。w ， 一一。飞= 1 鲫池、。 一一。飞卑o o k p a u , , - - - 2 0 0 k p a 图2 - 3 不同净围压下试样的剪切特征( p , r = 1 4 2 # c m 3 ，不排水剪切，饱和度7 5 ) 2 1 东南大学硕士学位论文 6 0 0 5 0 0 芒4 0 0 曩3 0 0 翅 鹰2 0 0 1 0 0 o 02 4 681 01 21 41 6 轴向应变o 一1 0 _ o 5 o 0 誉 一0 5 塾1 o 锹1 5 聚 蛙2 0 2 5 3 0 i ii 一： 二= 二：墨淤沁弋 u a = 5 0 k p a 第二章非饱和重塑土的临界状态研究 6 0 0 5 0 0 芒4