（岩土工程专业论文）合肥非饱和膨胀土干湿循环强度特性试验研究.pdf

摘要 摘要 本文以国家自然科学基金课题“非饱和膨胀士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，运用非饱和士力学理论，通过对合肥膨胀土干湿循控制，进行三轴排水剪切试验，研究膨 胀土周期胀缩变形特性变化规律，以及p s 平面内的l c 屈服曲线移动轨迹和方程参数选定，取得 了以下方面的成果： 1 通过非饱和膨胀土干湿循环试验，强度的变化规律与裂缝的发展过程密切相关，第1 次和2 次循环之间裂缝发生了明显的变化，可以看到两次循环的剪切强度也发生了急剧的衰减， 随着干湿循环的继续，裂缝均匀、规则，剪切强度也逐渐趋向于平衡。 2 非饱和膨胀土周期胀缩变形的干湿循环试验表明，土体强度特性的变化主要发生在0 - 2 次循 环之间，4 5 次循环是平稳阶段。这是一个共性，而与膨胀土的特性和所处区域无关。 3 干湿循环非饱和膨胀土三轴试验中，吸力对凝聚力的影响比较明显，而对摩擦角的影响很 以、。 4 在干湿循环非饱和膨胀土三轴试验中，土样的体积变形大小与吸力具有一定的相关性。 墨通过对弹塑性模型l c 屈服曲线移动轨迹的研究，确定l c 屈服方程p o ：= ( 粤) 枷h l 撕h l p p 中参数a ( o ) 、a ( j ) 、k 的影响因素和变化规律，得到a ( s ) 受吸力和干湿循环次数等因素 影响，而参数k 受其影响较小。 关键词：非饱和膨胀土；干湿循环；三轴试验；压缩试验；胀缩变形特性；弹塑性模型： l c 屈服曲线 a b s t r a c t a b s t r a c t n i st 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 sf e a t u r e sa n ds t r e n g t ho fu n s a t u r a t e d e x p a n s i v es o i l s s u p p o r t e db yn s f c ( n o 4 0 3 7 4 0 4 7 ) a s e r i e st e s t si n c l u d i n gw e t t i n ga n dd r y i n g 。t r i a x i a l d r a i n e ds h e a r , a 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 fh e f e ie x p a n s i v es o i l sa t ep e r f o r m e d a n dt h e c y c l i cs w e l t i n g - s h r i n k a g eb e h a v i o ro fe x p a n s i v es o i l sa n dt h em o v i n gt r a c k s 、e q u a t i o np a r a m e t e r so f t h e l cy i e l dc u r v e si nt h ep - sp l a n ea t es t u d i e db a s e do nm c 曲n c i p l eo fu n s a t u r a t e ds o i lm e c h a n i c s 1 1 l em a i n r e s u i t sa r eo b t a i n e da sf o l l o w s ： 1 t h ev 撕a t i u nf e a t u r e so fs o i l ss t r e n g t ha t et i e du pw i t ht h ec r a c kd e v e l o p i n gs t a t eb yt h ew e t t i n ga n d d r y i n gt e s t so fu n s a t u r a t e de x p a n s i v es o i l s t h ec r a c k sa r co b v i o u s l yc l l a n g e db e t w e e nt h ef i r s ta n d t h es e c o n dd r y i n g - w e t t i n gc y c l e s a n dt h es h e a rs t r e n g t hi sa l s oq u i c k l yr e d u c e di nt h et w op h a s e s w i n lt h ec y c l i cw e t t i n ga n dd r y i n gt e s t sc o n t i n u e d 。t h ec r a c k sw e r es y m m e t r i c a la n dr e g u l a r a n dt h e s h e a rs t r e n g t hb e c a m es t e a d ye i t h e r 2 t h ec y c l i cw e t t i n ga n dd r y i n gt e s t so fh e f e iu n s a t u r a t e de x p a n s i v es o i l sh a di n d i c a t e dt h a tt h e c h a n g e so fs t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c sw e r em o s t l yh a p p e n e db e t w e e nt h ez e r oa n dt h es e c o n dc y c l e s ，t h e f o u r t ha n dt h e 例恤sc y c l e sw e r ee q u i l i b r i u ms t a t e s n i sc h a r a c t e r i s t i cw a so r d i n a r y , a n dh a dn o t e l a t i o nw 汕t h es o i l sc h a x a o e d s t i ca n dd i s t r i c t 3 i nt h ew e t t i n ga n dd r y i n gt d a x i a lt e s t so fu n s a t u r a t e de x p a n s i v es o i l s 。t h es u c t i o np r e s s u r ei n f l u e n c e t oc o h e s i o ni so b v i o u s ，b u tt of r i c t i o na n g l ei so b u t e 4 t h ev o l u m e t r i cd e f o r m a t i o no ft h es o i l si si nc o n t a c tw i t ht h es u c t i o np t e 豁u t ei nt h ew e t t i n ga n d d r y i n gt r i a x i a lt e s t s 5 t h ep a r a m e t e r s ：a ( 0 ) 、a ( s ) 、ki nt h el c ，洲删m ：参2c 秒m 舢”卅搬 c a l c u l a t e db yt e a r c h i n gt h em o t i v et r a c k so fl cy i e l dc u i n e s a n dt h ep a r a m e t e ra ( s ) i s i n f l u e n c e db ys u c t i o np t e s s w ea n dd r y i n g - w e t t i n gc y c l e s ，b u tt h ep a r a m e t e rki sn o ti n f l u e n c e db y t h o s ef a c t o r s t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so ft h ee l a s o - p l a s t i cm o d e la l ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ey i e l d d l a r 觚恤_ r i s t k so f h e f c ie x p a n s i v es o i l s k e yw o r d s ：u n s a t u r a t e de x p a n s i v es o i l ；w e t t i n ga n dd r y i n g t e s t ；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 ； s w e l l i n g s h r i n k a g ec 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 cm o d e l ；l cy i e l dc u r v e s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特，i i l j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：盈虹盛导师签名： 第一章绪论 1 1 非饱和土的基本特性 第一章绪论 非饱和土主要是四相系，即固相( 土颗粒) ，液相( 孔隙流体一水) ，气相( 孔隙气体一空气) 和收缩膜( 水、气的分界面) 。空气的存在，即使很少量，也会使土成为非饱和土。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，土中连续的气相，使得孔隙气压力和孔隙水压力出现 显著的差别。非饱和土孔隙气压力一般等于零，而孔隙水压力为负值( 低于大气压) ，两者之 间存在的压力差= ，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士要复杂的多，研究其力学特性、结构特性必然要考 虑到十中孔隙气、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 非饱和土的力学理论包括渗流理论、强度理论、本构理论和固结理论，白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 渗流理论 非饱和渗流的问题实际上可以分为两个方面，一个是在降雨、蒸发等外部水分条件变化下，有 多少水进入了土体( 或从土中出来) ；另一个是进入土体的水分会在土体中怎样的运动，分布。在非 饱和渗流的计算中我们一般把前者考虑为边界条件，把后者考虑为瞬态渗流场的问题进行求解。 基于r i c h a r d s l l l 的非饱和渗流方程，各种数值解法非常繁多。1 9 7 3 年n e u m a n l 2 1 提出了把饱和和 非饱和状态进行统一考虑，连续求解的数值解法，在非饱和渗流计算方面得到了学术界的认可，后 来的学者大多都围绕这一方法展开了研究工作。 饱和- ；i i e 饱和状态下土中的水分运动满足连续方程，则有： 些：- v 4 ( 1 一1 ) 西 将上式代入达西定律。得到r i c h a r d s ( 1 9 3 1 ) 的非饱和渗透方程式： 警一c 誓+ 誓+ 誓， z ， 在一维降雨入渗问题中，x 方向和y 方向导数为o ，则： 警= 一旦o z 他 - ：业o z 蝴 ( 1 _ 3 ) 东南大学硕七学位论文 式中非饱和渗透系数k 是体积含水率0 的函数，上式中有体积含水率8 和压力水头l f ，两个变量，以 单一变量作为标准方程是必要的。 i 【l u 把( 1 9 5 2 ) 以单一变量0 推导了扩散型的方程1 3 1 ： 警一扣警， c - 4 ， 式中d ( o = 露 ) 等，z ) ( 彤为水分扩散系数当土壤运到饱和对，土壤的体积含水率疗基 本上等于空隙率n ，此值变化很小，a l f ，a p 值无限大。因此。l ( 1 u t e 的方程对饱和渗流方程的应用 有一定的局限性。 n e u m a n ( 1 9 7 3 ) 1 2 1 提出了饱和与非饱和耦合计算的数学模型，假设体积含水率0 用土的空隙率 n 和饱和度& ( o = s ，= 1 ) 表示， o = n s ( i - 5 ) 把( 5 ) 式代入( 3 ) ，方程式中以压力水头l f ，一个变量推导， 妄c t 警心，= 嚣警= 骂笋警= 瓯专机d 如s ，、b 西y c 假设水是不可压缩的，这样空隙率随水头的变化为恒定值，上式可如下表示： 妄( ：警般户( 嘶) + 啦) 警 ( 1 - 7 ) 在这里= d n l d l f 是储留系数，“吵) = d o d l g 是比水分容量。当s w = i 时，c ( i g ) = o ，式( 7 ) 成为针对饱和渗流的基本方程式。w 是判断饱和与非饱和状态的参数，w = 0 时计算非饱和渗流， w = i 时计算饱和渗流。因此使用此式可对饱和一非饱和渗流周时进行解析。 1 2 2 强度理论 非饱和土的强度特性比一般粘性土复杂的多，既有一般粘性士的共性，又有区别于一般粘性土 的独特性质，它不仅与土的结构、应力路径，密度和士的矿物组成有关，还与土的含水量密切有关。 目前在强度理论中最具代表性的是b i s h o p 抗剪强度公式： 0 = c i + ( 仃一球。) 增妒十z ( “。一“，) 培矿 ( 1 8 ) 式中u a 为孔隙气压力，“。为孔隙水压力，系数z 为有效应力系数。它的物理意义是单位面积 上水压力作用面积，其数值取决于土的类别、饱和度、干湿循环以及加载和吸力路径，对于饱和土 z = l ，干土z = o ，通常情况下o ( z 1 。 b i s h o p 随后提出了几种z 值与饱和度之间的关系，这些关系是经验性的，对于不同的土有不 同的结果，当描述吸力对抗剪强度的影响和吸力对体积变化的影响时，修正系数z 的取值引起了广 泛的质疑，并且从理论上无法得以合理的解释。m o r g e n s t e m 指出：应力状态变量应该是独立的，仅 当形成土的本构关系时才与土的特性参数相结合 f r e d l u n d l 4 1 提出了双变量理论，即净正应力p - - u 。) 和基质吸力q 。- - u 。) ，得到的强度表达式 2 苎二苎竺堡 为： f ，= c 7 + p 一。k 妒+ “。一“。k g 缈6 ( 1 9 ) 式中妒是随基质吸力变化的内摩擦角，引入了一个参数培矿作为吸力m 。一“。) 作用的内摩擦系 数，初期曾假设f g 矿对于一种土样为常数，但在1 9 8 8g a n 的研究结果表明：船矿对于一个固定 的土样也并非常数。是与吸力有关的变数，当土样接近饱和时，吸力很小，增矿的数值接近于饱和 土的内摩擦系数；但当土样的饱和度降低，吸力增大时，喀矿的数值逐渐减少 卢肇钧等。”( 1 9 9 2 ，1 9 9 7 ) 通过试验对非饱和土的膨胀力与吸力及含水量、非饱和膨胀土的 膨胀力与抗剪强度的关系进行了研究，得到了用膨胀力表示的非饱和土的抗剪强度： f ，= c ，+ ( 仃一“。) f g 妒+ 唧，l 苫妒7 ( 1 1 0 ) 其中p ，是非饱和膨胀土的膨胀力，m 是由试验确定的膨胀力的有效系数。 缪林昌和殷宗泽( 1 9 9 9 ) 通过南阳膨胀土抗剪强度的试验研究，总结出非饱和土抗剪强度 的双曲线模型公式： f ，“+ o - u a 妇矿+ 嘉广 ( 1 小) 口- i - “。 p m 其中p 。为大气压力 r o h m 和v i l a r ( 1 9 9 5 ) 、沈珠江。7 ( 1 9 9 6 ) 给出了非饱和土抗剪强度的双曲线型公式： f ，“+ o r - - 4 0 k 妒去叫 ( 1 - 1 2 ) 其中，“，基质吸力，d 为实验常数。 总之，强度特性研究是膨胀士研究中所必不可少的，多数研究主要是通过室内试验和现场原位 试验研究膨胀土的强度与含水量之间的关系( 卢再华1 8 j 王国强9 1 等) ；徐永福用改装的可测吸力 的三轴仪，研究了非饱和膨胀土的结构性强度与含水量和吸力的相关公式；易顺民”1 通过研究裂缝 分维，对裂隙与强度的关系进行了综合评价。基于强度问题在工程建设中的重要地位，此方面的研 究虽多但仍显不足。 1 2 3 本构理论 非饱和土本构模型的研究已有3 0 多年的历史，f r e d l u n d ，k a r u b e ，c o l e m a n ，b l i g h t ，a l o n s o ， 杨代泉，沈珠江等人都做了大量的工作。现已形成的模型有非线性模型、损伤力学模型、弹塑性模 型、广义吸力模型等。 1 非线性模型 对于非饱和土，杨代泉o “i 提出下列非线形本构模型： s l = 【c 】l 孑 + o 仃，l i l + q s l j l c ，a s s l c ，s ( 1 1 3 ) 3 东南大学硕七学位论文 陈正汉、f r e d l u n d ”“等也提出r 一种非线形模型： 对土骨架： 嵋= 警( 叫。毛) - 鲁( 吒叫。) 毛+ 击( u a - - u w ) 瓯 孔腻缱。= 等导+ 型, h fa 埘 f 1 式中：勺、分别为总应变张量和总应力张量；气代表土中水的变化； 磊是k r o n e c k e r 记号，( - u ：0 ) 是净总应力张量； 、，分别为孔隙气压力和孔隙水压力；e 、u 分别代表土的压缩模量和泊松比； e 是与基质吸力相关的土的体积模量； k 。、h 。分别是与净平均应力和基质吸力相关的水的体积模量 2 弹塑性模型 ( 1 ) k a m b e f ”i 模型 k a r u b e 用三轴压缩仪研究非饱和高岭土的性状， 本构模型。其破坏线方程为： q ，= m t 【p + ，( s ) 1 ( 1 - 1 4 ) ( 1 - 1 5 ) 运用临界状态土力学概念建立了非饱和粘土的 ( 1 - 1 6 ) ( 2 ) a l o n s o l “i 模弹塑性型 a l o n s o 等( 1 9 9 0 ) 根据饱和土临界状态的概念，针对非膨胀性土和弱膨胀性土在广义应力空间 内提出了一个统一的弹塑性本构模型，包括： 应力屈服面一l c ( l o a d i n g - c o l l a p s e ) 屈服曲线 l c 曲线即加载湿陷屈服线，是屈服应力p 和吸力s 的关系曲线。通过上面的三轴试验结果， 控制不同吸力确定相对应的屈服应力p ，把屈服点绘在p s 平面上，并通过这些屈服点画一条屈服线 l c ，如图i - l ( 徐永福m 1 ，吸力越高，屈服应力越大) 。【c 屈服曲线与p 轴的交点就是饱和土的屈 服应力，也是l c 屈服曲线的下限。因而饱和土的弹塑性模型可以看成是非饱和土的弹塑性模型在 吸力等于零时的特例和边界条件i 图1 i 加载湿陷屈线( l c ) 和吸力增加屈服( s 1 ) 4 第一章绪论 蚴酰半= 阿川寸1 ( 1 一1 7 ) 式中，p o ( s ) 为吸力s 下的土体的屈服应力值，三轴试验中p o ( s ) = 盯。一“。，为轴向净应力； p 。是参考压应力，一般取1 0 0k p a ； 菇为饱和条件下的先期固结应力，通过固结试验p l o g p 曲线确定； a ( o ) 为土样饱和情况下对应于应力的压缩指致，通过饱和土的压缩试验v l n p 曲线确定， 如图卜2 ； k 、七j 分别为对应于土样在o 吸力和吸力s 作用下的回弹指数5 1 ，k 可以通过e i n p 曲线 确定。文献4 啪。”。中指出，在l c 屈服方程中两者的数值在同一数量级上，屯可以等 同于k ，也可以通过测定屈服吸力试验确定： l ( s 1 是吸力s 情况下的对应于应力的压缩指数，通过非饱和土( 吸力为s ) 的压缩试验v i n p 曲线确定；如图卜2 。 v n ( 0 ) n ( s ) p cp 彳p o i n ii ：二。 i 、 i i 、 i i 、：弋 ： 弋 弋 图l - 2 饱和与非饱和土的压缩曲线 a l o n s o 模型中非饱和土的比体积( 或称比容) ，= l + e ) 随应力p o ( s ) 的变化关系式： v ：( j ) 一a ( j ) 咄旦掣) p n ( s ) 是对应吸力s 和参考应力p 。的比体积，图中v 为比体积； 5 ( 卜1 8 ) 东南犬学硕士学位论文 p o ( s ) 是与吸力s 对应的净应力值。 a ( s ) 随吸力s 变化的经验公式为： a ( s ) = a ( o ) ( 卜r ) e 廿+ r ( 1 1 9 ) 式中，= a ( s 一) ，a ( o ) 是一个常数：芦是一个控制2 ( j ) 髓吸力s 增长的速率的参数。 或者a ( s ) = 6 + d i n s i 式中，b 、d 为常数参量，d 为斜率，且d 0 ，s 为吸力值。显然，压缩指数a ( s ) 随吸力s 的增 加而减少 根据图卜3 屈服吸力把土体的变形划分了两个区域当s s o 时，土体处于弹性区域；反之， 土体处于弹塑性区域。假定等应力情况的吸方屈服条件为： 。 s=so=常数(i-21) 式( 2 1 ) 代表的是s i 屈服曲线( s u c t i o n i n c r e a s e ) v s 0 i ns = 力力条件n 0 图i - 3 屈服吸力的定义 硬化规律 非饱和土的硬化规律为： 鬻= 赤叫 m z z 击= 赤，群 m z 。， 式中，儿，为标准大气压力；a ( s ) 、分别为相应于吸力s 的压缩指数和回弹指数 ( d 在p ，q s 三维空间内的屈服面 第一章绪论 q 2 一m2 ( p + p ，) ( p o p ) = 0 式中，口= 去厄i 再万丽而 ，p = ；( q + 吒+ ) 一心； 、，二 j p s = k s ，k 为一常数 ( i - 2 4 ) 另外，g e n s 和a l o n s o i i s l 在a l o n s o 模型的基础上，提出了一个膨胀土弹塑性概念模型。即g - a 模型。此模型认为，微观结构的变形l c 屈服曲线是移动的。( p + s ) 值减小时，微观结构发生膨胀， 引起宏观体积的塑性膨胀，l c 左移；相应地，( p + s ) 值增大时，l c 屈服曲线右移。 在国内，徐永福“训( 1 9 9 7 ) 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m ( 1 9 9 9 ) 通过引入饱和度，把椭圆一抛物线模型进行推广，建立了非饱和膨胀 土的弹塑性模型。卢再华等7 ( 2 0 0 1 ) 针对g - a 模型计算两个层次变形的复杂性，对g - a 模型加以 简化和改进，使其更便于应用，并且通过三轴试验研究了原状膨胀土的变形强度特征，建议采用四 屈服面的非饱和膨胀土弹塑性模型描述原状膨胀土的胀缩干湿特性和剪胀剪缩特性。 3 损伤力学模型 为了描述高孔隙比的结构性粘七和黄土的剪缩软化特性，沈珠江1 2 i 提出了非饱和土的损伤力学 本构模型。模型假定原状土是线弹性的，完全损伤以后的土是扰动土，土的变形过程是从原状土向 扰动土转化，任意时刻的应力应变关系写为： p ) = ( 1 一动【d l 仁 + 叮【d 】j 叠 ( 卜2 5 ) 4 广义吸力模型 沈珠江1 7 钒为，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 s = 【c 】。 a 仃 + c b ( e 一巳) ，【，】+ c ，a s - s a ， ( 1 2 6 ) 式中，【c 乙为弹塑性柔度矩阵，可以利用饱和土的弹塑性模型确定；p 和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，仃= p 一。+ ，。 1 2 4 固结理论 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 方程的比较复杂，体现在( i ) 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( 一部分排出士体，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 饱和士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。 7 东南大学颐十学位论文 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同结理论，建立了以两个以有效应力 p h 。) 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 r 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同结方程。 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 和粘士的一维固结分折用达两定律来描述气相和液相的流动：f r e d | u n d 和h a s a n ( 1 9 7 9 ) 提出用两 个偏微分方程。求解非饱土固结过程中扎隙压力和孔隙水压力，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、质景特性的函数，该方法通常称为两相流法。 杨代泉、沈珠江( 1 9 9 1 ) 以吸力状态函数代替孔隙水体变本构方程，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( 1 9 9 3 ) 将有效应力原 理和c u r i e 对称原理作为非饱和士的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 ) 、孙长龙和殷宗泽等( 1 9 9 8 ) 考虑孔隙流体为孔隙混合体，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同结方程。 非饱和土的同结研究已有六十多年的历史，在固结理论上仍然存在着适用性差，未考虑土体的 湿胀、湿化和干缩，模型参数测试困难等问题，因此深入非饱和土固结理论的研究，建立实用的非 饱和理论显得尤为重要。 1 3 非饱和膨胀土的胀缩变形理论 1 3 1 膨胀土的基本特性 膨胀土是一种对环境湿度变化敏感，由强亲水性矿物蒙脱石和伊利石等组成，具有多裂隙性、 强胀缩性和强度衰减性的高蝮性牯士。在自然状态下，膨胀士多呈现黄、褐，灰白等颜色，呈硬塑 或坚硬状态1 2 2 。全世界已发现有膨胀士分布的国家和地区大约有4 0 多个，遍及六大洲( 南极洲除外) 其中，尤以亚洲、非洲、美洲的分布最普遍、面积最广。中国是世界上膨胀土分布最广的国家之一， 也是膨胀土地质成因类型最复杂的国家之一，中国的膨胀土及其工程问题具有显著的特点：o 分布 广：先后已有2 0 多个省区发现膨胀土，其中安徽、广西、云南、四川、河南、湖北等地最为突出； o 类型多：各种成因类型的膨胀土如沉积型、残积型、岩溶侵蚀型等在我国都有分布：o 性质复杂： 膨胀土工程问题不仅与土的成嗣、年代和演化历史有关，而且还与气候、环境、工程以及膨胀土性 质密切相关。膨胀土的这些不良t 程地质特性都给中国各类基础工程建设造成严重危害，合肥市的 大部分地区都存在低强度，高胀缩特性的膨胀土。随着季节性含水量的变化引起土体变形，从而对 上部建筑结构、路面等造成严重的破坏“ 膨胀土是性质特殊的非饱和土，在干燥的状态下，它具有很高的强度，而在遇水以后体积迅速 膨胀，强度明显降低。膨胀土的强度变动特性是与土的四相状态紧密联系的，更确切的说，是由于 颗粒骨架中孔隙水一孔隙气界面上的表面张力一基质吸力的变化所引起的。土的含水量与基质吸力 的关系，用土水特征曲线描述。但是。人们已经认识到，在膨胀土的基质吸力与含水率之间的关系 不是唯一的，亦即。对于同样土质和孔隙比的膨胀土，其土水特征曲线不是曜一的。箕原因是影响 基质吸力的因素除了含水率( 饱和度) 之外，还与含水率的变化路径有密切的关系。换言之，膨胀土当 前的含水率是从饱和度较高的状态脱湿而得，还是从较干燥的状态吸湿而致，或者是经过多次的干 湿循环而得，对于土的基质吸力是有影响的。 目前对膨胀_ 十的研究主要集中在微观结构、渗透性、强度和变形等方面阱i ，总的来说，在岩土 力学和工程地质学领域，膨胀土的研究获得了巨大的进展，但仍有许多理论和工程问题尚需继续深 入研究。 8 第一章绪论 1 3 2 季节性干湿循环效应对膨胀土的作用分析 许多膨胀士分椎地区的气候存在着较明显的干湿循环特征。如我国长江中下游地区梅雨季节 气候湿润，降雨集中，地下水位普遍升高；而秋冬季节降雨最较少，地下水位下降。这种干湿循环效 应对膨胀土体的强度特性有较大影响。土体抗剪强度随干缩湿胀循环效应不断变化的原因，可从两 个方面分析： ( i )干旱季节的气候作用 干旱季节时。膨胀土在大气风化营力和干燥气候的作用下，土中含水量降低土体收缩使土体原 始结构受到不同程度的破坏。一方面是原生隐微裂隙张开、扩大和加深另一方面是造成部分裂隙 连通。发展形成长大裂隙( 缝) 。从而破坏了土体的完整性和均一性，为表水下渗与土中水分蒸发提供 了良好通道与此同时，也削弱了土粒间的联结力，造成膨胀土体纵、横向裂隙杂乱无章分布，导 致结构破坏，土体抗剪强度降低。 ( 2 ) 湿润季节的气候作用 膨胀士的粘土矿物主要是蒙脱石、伊利石等膨胀士粘粒矿物，具有很强的亲水性。当大气降雨 或地表径流沿裂隙渗入土体时，一方面造成土粒间的结合水膜变厚，产生晶格膨胀使细裂隙闭合并 随之软化；另一方面，当水充满较宽的裂缝时，可产生静水压力与动水压力。即楔入压力。将裂缝 推开使土向边坡挤出，在膨胀士一水体系的物理化学一力学效应作用下，土体粘聚力急剧降低，强 度衰减。导致边坡浅表层稳定性降低。正是因为气候的季节性循环和多年周期性变化，造成边坡土 体的干缩湿胀循环，致使其强度呈现明显的下降趋势和变动性，最终导致膨胀士边坡的变形破坏。 目前对于非饱和膨胀士干湿循环胀缩变形理论还处于起始阶段，众多的学者1 2 5 - 3 1 仪仪是通过改 进的固结仪研究膨胀土干湿循环引起的轴向应变规律及膨胀势、膨胀力的变化，对干湿循环后土体 的强度的变化还缺乏研究，特别是干湿循环模型理论尚有许多问题继续解决。 1 4 本文的主要工作 非饱和土力学经过几十年的发展已经取得了大量成果，然而关于非饱和土的研究方法和研究内 容，迄今为止还远没有形成共识和定论，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性质和基 本理论的研究与深入，积累室内试验数据，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。 室内的干湿循环试验对于土的力学特征和工程现场的边坡稳定研究具有重要的意义，许多膨胀 土分布地区的气候存在着较明显的干湿循环特征，如我国在长江中下游地区，梅雨季节气候湿润， 降雨集中，地下水位普遍升高；而秋冬季节降雨量较少，地下水位下降，这种干湿循环效应对膨胀 土体的强度特性有较大影响。因此，本文旨在通过大量的室内干湿循环试验来模拟现场条件，研究 非饱和膨胀士的强度变化规律：以及通过已构建的a l o n s o 模型，研究干湿循环后l c 屈服曲线形态变 化及其影响参数变化，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。 论文的主要工作包括以下几个方面： l - 经干湿循环后观察和分析土体裂缝的发展状况，土颗粒单元的微观结构变化、孔隙大小、分布和 颗粒形状、定向分布和联结特征等微结构信息，研究干湿循环对含水量变化的影响。 2 通过干湿循环后非饱和十的三轴试验，研究同一干密度、含水量下合肥膨胀士的强度变化特性及 规律，以及不同吸力和应力状态下对剪切强度、体积变化的影响，分析干湿循环对土体特性参数 的影响。 9 东南大学硕十学位论文 3 研究干湿循环后l c 屈服曲线形态变化规律，以及通过非饱和土的压缩试验研究屈服方程 p o = ( 粤) o h i 撕h 的数学表达式中的参数变化规律 p cp 1 0 第二章干湿循环试验的机理分析及试验方案制定 第二章干湿循环试验的机理分析及试验方案制定 2 1 概述 膨胀土是一种对环境湿度变化敏感，由强亲水性矿物蒙脱石和伊利石等组成，具有多裂隙性、 强胀缩性和强度衰减性的高埋性粘土。在自然状态下，膨胀士多呈现硬塑或坚硬状态和黄、褐、灰 白等颜色。其中膨胀与收缩的可逆性是其重要属性，外部荷载和含水量的变化则是两个主要的外在 因素。 膨胀土是道路工程、工业与民用建筑工程、环境岩士工程中经常遇到的一类区域性土，国内外 已研究多年。以前的研究多集中于对膨胀土的基本物理化学性质、变形特性及治理等方面且仅针对 一次胀缩而已。但在许多膨胀士分布地区，其气候特征存在较明显的干湿循环，如我国长江中下游 地区，梅雨季节气候湿润，降雨集中，地下水位普遍升高，而秋冬季节降雨量较少，地下水位下降。 这种干湿循环对膨胀土的胀缩特性有较大影响，导致许多土木工程的破坏1 。 因此，研究膨胀土体在季节性干湿循环条件下的抗剪强度变化，对膨胀土变形的周期性的稳定 性进行准确的预测预报，无论在理论上还是工程应用上，都具有重要的意义。 2 2 非饱和膨胀土胀缩变形机理分析 2 2 1 膨胀土的结构 膨胀十结构构造在宏观结构上，由集聚体和孔隙组成。其中集聚体之间的结构特征是决定膨胀 土的物理力学性质的主要因素j ，蜂窝状和骨架状结构类型的膨胀土不具膨胀性，而基质状、紊流 状、层流等6 种结构膨胀士均有膨胀性。膨胀十的孔隙孔径和分布可由压汞试验测定呈双峰型分 布p “，如图2 i 所示。其中较大孔隙存在于集聚体之间，或集聚体与单粒之间的空隙，一般是um 级，由水和空气充填，使土体处于非饱和状态。而较小孔隙则是集聚体内部，在粘土片之间的微小 空隙，一般是n m 级，由水饱和。 ， 。 e v 删 嘲 雀 * 孔径r , # n 图2 1 膨胀土孔隙分布特征 东南大学硕士学位沦文 2 2 2 膨胀土的变形机理分析 在膨胀士干湿循环的变形过程中，影响膨胀十胀缩变形的因素是不完全相同的。土体胀缩变形 的体积一质最关系变化如图2 2 所示由于非饱和土样的饱和度s r 、孔隙比c 、含水量w 是可以试验控制 的，在胀缩变形的任何阶段就可以通过上图中的公式计算出土样的各个基本参数。 1 w= 2 e = 3 s t = n w ( 1 0 0 ) m 5 v v v s v w ( 1 0 0 ) v v v 4 s p e = w g s 图2 - 2a ) 正常土体的体积一质量三相图 f 一v v o d s v 0 j d s 鬣鬣 s h r f n k a g e 图2 - 2b ) 土样干湿循环的体积一质量三相图 咖p = 告 6 p d = 孚 h 7 】p d d 一 1 + w 吲p d = 寺 吲等= 等+ 等 n 叩喾= 等 “，a v v 。v2 瓦z s e 膨胀士的膨胀变形是结合水溶剂膜楔入作用的结果，而结合水溶剂膜楔入作用与颗粒大小、排 列，矿物成分、水溶液成分和外部环境有关。对于膨胀七的循环膨胀试验来说，颗粒的矿物成分， 水溶液成分和外部环境是不变的。因此，只有颗粒大小及其排列是决定循环膨胀特性的主要因素。 在某级荷载作用下，当土体干燥时，水分蒸发，含水量减少，吸力增加根据b i s h o p 的非饱 和土有效应力原理，颗粒问有效应力增加，土体中集聚体受到压缩集聚体内孔隙减小。部分微集 聚体集聚成较大的集聚体1 3 “，于是集聚体之间的孔隙转变为较大集聚体内孔隙。与宏观结构相互耦 合后产生变形，这种变形称为微一宏观结构的耦合收缩变形；另一方面，基质吸力的增加还加强了 颗粒之间的连接，这样产生的弹塑性变形，类同于低颦性非饱和士的弹塑性变形。反之，在膨胀土 浸水过程中。土体吸力减小，集聚体的有效应力相应减小，于是在微观结构层次上就会发生膨胀变 形，体现在：集聚体【叫弹使集聚体内孔隙增大：集聚体内粘土片比表能大，吸引水分子进入；粘土 片所带正电性，互相产生电斥力等等。当这些因素产生的作用力大于集聚体的有效应力约束时，微 观上集聚体膨胀，集聚体内孔隙增大，部分颗粒崩解，形成次一级的微集聚体oj ，集聚体内的孔隙 转变为集聚体间的孔隙，这种由微观结构的变形引起宏观结构的变形，称为微一宏观的耦合膨胀变 形。另外，吸力的减小引起了土体骨架刚度相应减小，如果此时膨胀十颗粒闻孔隙较大，就会产生 湿陷变形，例如南昆铁路膨胀十路堤在施工时因干燥的膨胀土块不易压实，在施工后在车辆荷载作 用下路堤遇水发生了显著的下沉作用j ，导致路基病害。 第二章干湿循环试验的机理分析及试验方案制定 2 3 干湿循环试验方案的制定依据 2 3 1 胀缩特性指标与土样初始条件的已有结论 ( 1 ) 膨胀力与初始含水量和初始干密度的关系 膨胀土浸水膨胀，如果这种膨胀变形受到限制则必然产生膨胀力。膨胀力是指膨胀士体在吸水 膨胀时所产生的内应力。在试验过程中用原状膨胀土或击实膨胀土，在浸水的同时采用加荷平衡法， 以测定试样至膨胀稳定时单位面积所承受的最大压力，又称为膨胀压力。可用下式表示： 见= 1 0 k w a ( 2 - 1 ) 式中，以一膨胀力，k p a ；w 一总平衡荷载；a 一试样面积；k 一固结仪杠杆比；1 0 - 单位换算系 数。 卢肇钧m 1 在研究非饱和土膨胀力与吸力的关系中认为膨胀力是吸力的反作用力。研究膨胀土的 膨胀力对深入研究膨胀土的变形和强度都是很有价值的，然而影响膨胀士的膨胀力因素很多，诸如 膨胀土的矿物成分、结构、孔隙比、含水量、密度、应力历史等都对膨胀力产生影响。膨胀士在侧 限条件下浸水膨胀时，膨胀力在开始的1 2 h 内由小增大，而且变化非常显著，此后增加逐渐变缓， 并在几个小时后趋向稳定膨胀力达到最大值，以2 h 内变形不超过0 0 1 r a m 作为结束试验标准。膨胀 力与初始含水量、初始干密度均呈线性相关，并且随着初始含水量的增加而减小，随初始干密度的 增加而增大”j 。 ( 2 ) 膨胀率与初始含水量和初始干密度的关系 膨胀率是指一定体积的膨胀土，在一定条件下与水相互作用，其体积增量与初始体积之比。根 据试验条件和试验方法的不同，又分为体膨胀量、线膨胀最、自由膨胀率和有荷膨胀率4 个指标。 为了模拟土体承受一定荷载所产生的实际膨胀变形置，通常采用有荷膨胀鼍指标。有荷膨胀量是指 原状或击实试样在侧限和上部有一定荷载的条件下，吸水膨胀稳定后沿垂直方向的高度增量与初始 荷载压密后试件的高度之比。可用下式表示： 矗= a h h o 1 0 0 ( 2 - 2 ) 式中a 日是土样膨胀后的高度变化；日f ，是膨胀前土样的高度。 膨胀率a h 与初始含水量w 呈负的线性相关，即初始含水晕越低。膨胀率越大，反之，初始 含水景越高，膨胀率越小。对于同一种膨胀土含水量越低。其具有的膨胀潜势越大，在有充分水源 供给的情况下，产生较大的膨胀力，进而对外部压力进行抵抗，减小了压力对水进入土样的抑制作 用。 膨胀率与初始千密度呈正的线性相关，即随干密度的增大而增大，随干密度的减小而减小。对 于同一种膨胀土，土的干密度反映了土的密实程度。同时也反映了土中粘士矿物颗粒或集聚体的数 量，尤其是具有显著吸水膨胀特性的粘粒的含量。根据上面所说的膨胀土胀缩变形的物理机制可以 得出，土的干密度越大，需要“喝水”的土样中个体颗粒或集聚体也就越多，汲取的水量也就越多， 结合水膜的总厚度也就越厚，相应的膨胀性也就越大。由膨胀力试验得知，干密度大的土样，膨胀 力越大，减小了压力对水进入土体的抑制作用，使得土体产生膨胀变形。 东南大学硕士学位论文 2 3 2 干湿循环轴向变形规律 d i f 和b l u e m e l y r l 在改进的固结仪中进行干湿循环试验，通过量测试样的轴向应变和含水景确 定土体的胀缩变形情况。试验结果如图2 - 3 ，结果表明。在干湿循环试验的初始l 一2 次循环中膨胀 土