（岩土工程专业论文）非饱和原状黄土的固结特性及试验方法研究.pdf

摘要 固结试验是研究土体一维变形的测试方法。它是测定土体在压力作用下的压缩特 性，所得的各项指标用以判断土的压缩性和计算土工构筑物与地基的沉降。 本文应用长安大学研制的侧限式连续加载与分级加载固结、应力松弛及渗透仪进 行了非饱和原状黄土的k 。固结试验，分别为标准蚝固结试验( 即分级加载k 。固结试 验) 和等应变连续加载心固结试验两种。分别研究了应变与时间、应变与轴向应力、 孔隙比与轴向应力的变化规律，还分析了非饱和原状黄土的割线模量，认为轴向应力 与应变呈良好的双曲线关系、静止侧压力系数与时间呈良好的双曲线关系。本文还通 过对西安地铁二号线原状q 3 黄土的麟固结试验，得到非饱和原状黄土静止侧压力系 数的一个大致范围。并且还对这两种心固结试验进行了各项指标的对比分析。根据对 比分析发现连续加载试验的加载方式更符合实际工况，还可以得到与标准固结试验相 同的试验资料，并且所用时间将比标准固结试验所需时间大大减少，可以更好的应用 到工程实际当中去。 关键词：非饱和原状黄土、标准k 。固结试验、等应变连续加载k 。固结试验 a b s t r a c t c o n s o l i d a t i o nt e s ti st h em e t h o dt os t u d yo no n e d i m e n s i o n a ld e f o r m a t i o no fs o i l t h e i n d e x e so ft h ec o n s o l i d a t i o nt e s tc a nb eu s e dt od e t e r m i n et h es o i lc o m p r e s s i o na n d c a l c u l a t et h es e t t l e m e n to ff o u n d a t i o n i nt h i sp a p e r ，k - z e r oc o n s o l i d a t i o no ft h eu n s a t u r a t e du n d i s t u r b e dl o e s si ss t u d i e d u s i n gk - z e r oc o n s o l i d a t i o na p p a r a t u s ，w h i c hi st h ec o n f m e dg r a d i n gl o a d i n gc o n s o l i d a t i o n , t h ec o n t i n u o u sl o a d i n gc o n s o l i d a t i o n , s t r e s sr e l a x a t i o na n di n f i l t r a t i o n b yc h a n g a n u n i v e r s i t y t h e r ea r e s t a n d a r dk - z e r oc o n s o l i d a t i o nt e s t ( t h eg r a d i n gl o a dk z e r o c o n s o l i d a t i o nt e s t ) a n du n i f o r ms t r a i nk - z e r oc o n s o l i d a t i o nt e s t t h e b e h a v i o r so f u n s a t u r a t e d u n d i s t u r b e dl o e s sa r es t u d i e do nt h eb a s eo fk - z e r oc o n s o l i d a t i o nt e s t ，s u c ha s t h es t r a i na n dt i m e ，t h ea x i a ls t r a i na n ds t r e s s ，t h ev o i dr a t i oa n da x i a ls t r e s s ，a n dt h es e c a n t m o d u l u s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na x i a ls t r a i na n ds t r e s sc a nb ed e s c r i b e dw i t hh y p e r b o l i c c u r v e ，a n dt h a to fk o tc u l n e t h ev a l u eo fk z e r oi sp r o p o s e do nt h eb a s eo ft h e c o n s o l i d a t i o nt e s tf r o mx i a nm e t r ol i n e2 t h ec o m p r i s eo ft h ei n d e x e so ft w ok - z e r o c o n s o l i d a t i o nt e s t ，s h o wt h a tt h ec o n t i n u o u sl o a d i n gk - z e r oc o n s o l i d a t i o n t e s ti ss u i t a b l e t oa c t u a lc o n d i t i o n s ，a n dt h er e s u l t sa r es a m et ot h a to fs t r a i nk - z e r oc o n s o l i d a t i o nt e s t t h e t i m eo fi sl e s st h a nt h a to ft h es t a n d a r dk - z e r oc o n s o l i d a t i o nt e s t ，a n dc a nb eb e t t e ra p p l i e d t ot h ep r o j e c tt op r a c t i c e k e yw o r d s ：t h eu n s a t u r a t e du n d i s t u r b e dl o e s s 、t h es t a n d a r dk - z e r oc o n s o l i d a t i o nt e s t 、t h e u n i f o r ms t r a i nk - z e r oc o n s o l i d a t i o nt e s t 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其它个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：怕鼍_ 叩否年月争日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：栖邑1 呀年月妒e t 导师签 名够i 腺纯 - - d 呀年月日 长安大学硕十学位论文 第一章绪论 黄土和黄土状土在世界上分布较广，覆盖着全球大陆面积的9 3 。我国黄土和黄 土状土的分布面积约为6 4 万平方公里，占国土面积的6 3 ，是世界上分布最广泛的 地区，主要分布在西北，其次为华北平原及东北的南部地区。我国西北地区黄土地层 最厚，最完整，分布连续，其特性较典型。 1 1 黄土力学与工程研究现状 对黄土工程性质的研究，前苏联、东欧国家和美国起步早，但多偏重于黄土湿陷 特性、水土流失规律的研究，对黄土其它工程性质的研究成果较少。我国黄土工程性 质的系统研究开始于建国初期，为了适应大规模经济建设的需要，我国学者对兰州、 西安、太原、洛阳等地区的黄土开展了从室内到现场的大量试验研究工作，取得了一 大批令人瞩目的可贵成果，为黄土力学国际水平的创新做出了应有的贡献。本章将黄 土的工程性质的研究成果做一归纳简述。 黄土在天然状态下常处于欠压密状态，在一定的压力作用下弹性变形很小，主要 为压密变形，而压密变形又表现为两种形式，即压缩变形和湿陷变形。黄土的湿陷变 形具有突变性、非连续性和不可逆性，对工程产生的危害严重，所以一直是个研究热 点。 关于黄土的湿陷机理，有多种见解，主要有两大类：一是加固凝聚力降低或消失 的假说，认为在水膜的契入作用和胶结构的溶解作用下，加固凝聚力丧失，结构破坏； 二是粘土颗粒膨胀和土粒间抗剪强度突然降低的假说，认为粘土颗粒表面吸附水的增 多导致粘土发生膨胀，必然也将使土颗粒骨架分开，结构强度破坏而产生湿陷。此外， 还有易溶盐溶解假说、结构学说等。但无论哪一种假说都从不同的侧面说明了黄土产 生湿陷的原因是黄土内部固有的特殊因素和外界适当的条件共同作用的结果。可以认 为黄土的结构性和欠压密性是黄土具有湿陷性的基本内因；水使黄土的结构软化，是 产生湿陷的必要条件；力使黄土结构破坏，是产生湿陷的主导因素。 过去一直将浸水饱和时的湿陷性作为湿陷性黄土的核心问题来研究。近年来，张 苏民等对湿陷性黄土在增湿( 并非一定达到饱和) 和减湿时强度和变形性质进行了深 入研究，指出：黄土在一定压力下浸水饱和与在初始含水量分级增大湿度直到充分饱 和产生的总湿陷量相等，与浸水次数无关；减湿如发生在受荷以前，它可以使受荷后 第章绪论 的压缩变形减少，而湿陷变形增大：减湿如发生在受荷变形之后，它将不会再引起新 的变形；减湿后再次增湿，只要不超过以前的增湿水平，也不会再有新的增湿变形； 间歇性浸水引起的湿陷变形，只随浸水最大湿陷水平的增大而增大，而与浸水往复次 数的多少无关；增湿变形特性( 即变形的非线性和遇水软化性) 可以用增湿变形模型 ( z s m 体) 描述，通过试验可得出其增湿软化非线性本构关系。 黄土的湿陷本构关系反映湿陷变形与应力状态以及含水量之间的对应关系。湿陷 变形的本质是一种特殊的塑性变形，与通常意义下的塑性变形相类似，但其发生条件、 机理及过程又有其特点。对于湿陷性黄土在含水量不变条件下，荷载继续增加时，土 体会连续产生新的塑性变形，塑性能将发生变化，其应力状态也将从起始屈服面跳到 一个新的屈服面上，从而获得一个新的屈服面，对于应力及含水量均在变化时，屈服 面在空间上也将在新的平衡条件下形成。据此，刘祖典把浸湿含水量视为土体的内在 应力来考虑，将水的浸湿作用视为一连续变化参量反映到湿陷变形的塑性本构关系中， 从而得到反映湿陷变形特性的塑性本构关系。该模型是根据黄土湿陷变形特点与塑性 力学结合建立起来的。 土的结构性，是指土中颗粒或土颗粒集合体的颗粒间孔隙的大小、形状、排列组 合与联结等综合特征。因此，土的结构性是土的几何特征( 包括土的骨架特征和孔隙特 征) 和联结特征的统称。 土的结构是决定土的工程性质的主要因素之一。黄土之所以被认作为一种特殊土， 就是因为它具有特殊的工程性质，而这些性质又是由其特殊的结构所决定的。 现代化设备的出现使得黄土的微结构研究取得了突破性进展。王永焱、雷祥义、 高国瑞等先后采用电子显微技术、压法测试技术研究了我国各地区黄土的微观结构特 征、孔隙结构特征，认为骨架颗粒形态( 矿物颗粒接触) 、连接形式( 胶结程度) 、排列方 式( 孔隙特征) 是决定黄土工程性质的主要结构特征，而又以后者最为重要。根据上述 三方面特征的相互结合，将黄土的微观结构进一步分类，并研究得出了微观结构类型、 孔隙特征与黄土湿陷性等工程性质的内在关系。这些研究成果把黄土的宏观工程性质 与微观结构特征有机的结合起来，为研究黄土工程性质的本质特征开辟了新的途径。 长期以来黄土微观结构研究只是对土的结构性从定性的角度予以表述和解释，而 要将它定量引入本构关系表述方面存在着巨大困难。从黄土力学的观点，结构性研究 的根本目的在于揭示结构性对土力学行为的影响及内在联系，因此，将土的细观结构 与宏观力学行为相结合是值得注重的一条研究途径。谢定义、齐吉琳等提出综合结构 2 长安大学硕士学位论文 以反映土的结构性及其随水与力的作用而变化，为沿土力学途径研究的结构性本构关 系给予了新的希望。 早在5 0 年代通过直剪试验资料证明，黄土的抗剪强度基本符合穆尔库仑强度准 则。以后大量的三轴试验资料也证明黄土的抗剪强度服从库仑定律，由摩擦力与粘结 力组成。根据h r 捷尼索夫的意见，黄土及黄土状土的粘结力由土粒间分子引力形成 的原始粘结力和颗粒间的胶结物质形成的加固粘结力组成，原始粘结力与土的密实度 相关，加固粘结力与土粒的矿物成分、形成条件和胶结物质的性质有关。当土所处的 环境和条件改变时如压力或湿度增减和盐分溶滤时，其值将会减少或完全消失。黄土 颗粒间的胶结物质一般为石膏、碳酸盐类等，耐水性差，当湿度增加时其强度( 粘结力) 有显著降低，但在低湿度和不扰动结构情况下仍有较高的强度。在饱水情况下其原始 和加固粘结力有显著降低，在最优含水量情况下击实强度最高，其主要原因是击实密 度增大，使其摩擦力与粘结力均有很大提高。不少学者在研究黄土的结构强度对强度 的影响时提出：由于结构强度的影响，黄土的抗剪强度不服从莫尔库仑定律，而要 分段线性表示。但从文献数据和工程实际看，这种现象多在低压力下才出现，工程应 用时应有所注意【1 】【2 1 。 黄土的应力应变关系是反映黄土变形、强度特征的具体形式，黄土应力应变关 系的形态，实质上体现了水和力对于由生成时代所决定的原生结构强度的破坏和破坏 后次生结构强度的生成各种不同作用的综合。刘祖典等先后提出了六种不同情况下黄 土( 即黄土湿陷变形以及原状黄土、饱和黄土、挤密黄土、击实黄土、高围压下的黄土) 的应力应变关系曲线。分析了原状黄土( q 2 、q 3 ) 随沉积年代及侧压力的不同而表现 出的不同类型和形式，但基本呈三种类型，即软化型、硬化性和理想塑性型。分别得 到了黄土的非线性弹性模型及弹塑性模型的本构方程。并应用在黄土边坡稳定性分析、 以及考虑上部结构与地基共同作用的饱和黄土地基变形强度分析中。 土工构筑物数值计算的中心课题是建立土的应力应变关系，或者更确切些称之 为土的本构关系。它受到诸如含水量、颗粒组成、应力路径、应力历史等众多因素的 影响。因此，要选择一种数学模型来全面、正确地反映这些复杂因素是十分困难的， 也是不可能的。同其它土类一样，黄土的应力应变数学模型基本上可分为三类，即线 弹性模型、非线性模型和弹塑性本构模型。象以压缩试验为基础的分层总和法，用k 、 g 或e 、p 为参数的有限元分析法等均属线弹性模型，这种模型简便，但很难用来描 第章绪论 述土的非线性。非线性模型中，典型的是双曲线应力应变关系为基础的e 模型和 k - g 模型，这种模型在应用于黄土时，要根据应力应变关系进行必要的修正。该模 型在一定程度上可以描述一些较复杂的应力路线下的应力应变关系，但该模型的参数 是以常规三轴试验确定出来的，若应用于工程中常见的平面问题就会产生很大误差。 黄土的弹塑性本构模型是在常规三轴条件下建立的，并推广到三维应力空间，这种模 型在描述黄土应力应变关系时，理论上更加完备，应用上也更加广泛。通常适用于正 常固结土和弱超固结土的几个模型，如剑桥模型、魏汝龙模型等都可以用来描述黄土 的本构特性，这与黄土的欠压密特性是一致的。 黄土作为典型的非饱和土，2 0 世纪末又一次活跃的非饱和土力学理论不能不涉及 黄土特殊的力学特性。在工程建设中，我们经常遇到非饱和黄土，以往解决黄土建筑 物地基、土坡以及堤坝材料时，常常采用总应力法，很难正确模拟工程实际，大大降 低了土力学指导工程实践的作用。因此，把黄土力学研究作为非饱和土力学特殊的一 支互相借鉴、彼此推动，已经成了一个适应形势、顺理成章的大趋势【3 1 。 1 2 固结理论研究现状 1 9 2 5 年，太沙基建立了饱和单向固结微分方程，并获得一定起始条件与边界条件 的解析解，在推导固结方程时，进行了一下假定： 1 土体是均质的，完全饱和的理想弹性材料； 2 土粒与孔隙水不可压缩，土的体积变化完全是孔隙水的排出而产生的； 3 变形只在垂直加压的方向发生，孔隙水的流动与变形方向相同，侧向变形受限 制； 4 水的流动服从达西定律，边界面上是自由面，对水的流出没有阻力； 5 在固结过程中，不考虑土层厚度的变化； 6 土的体积压缩系数m v 为常数；土的渗透系数k 在固结过程中没有变化，所以 固结系数c v 也是常数。 根据以上假定，太沙基推导出了有名的单向固结微分方程： c ，窘= 宴o t ( 1 - ) c 2 4 长安大学硕士学位论文 ，c ，：上：盟型 式中：l v 固结系数， 肌v 凡一a t 。 式( 1 1 ) 反映孔隙水压力随时间沿土层深度变化的规律，如果土层的排水边界条 件如图1 1 所示。 透水层透水层 i z 不 透永层 透水层 ( q ) ( b ) ( a ) 双面排水：( b ) 单面排水 当0 t 0 0z = 0 时u = 0 当0 t 0 0z = 2 h 时u = 0 则方程( 1 1 ) 的解为： 甜= 喜皓卜如垭n 罱龙) s i n 坚2 h e 冲( 韬弓) 2 ， 式中：玎整数5 材，( z ) 沿z 方向初始孔隙水压力的分布； 乃时间因素，瓦= c ，日2 ； 卜孔隙水向透水层流动的最大排水距离。 如果将h 理解为粒土层的厚度，就会发生错误。假定孔隙水压力与粘土层深度无 关，而是一定值，则式( 1 2 ) 可简化为： 甜= 主丝s i n 坚e x p )( 1 3 ) m z 。= 一0 mh 1 、1 j7 式中：m 任意整数，朋：垒竺! 生，1 1 o ，1 ，2 。 将固结进行的程度定义为固结度u ，用孔隙水压力减小的程度与初始孔隙水压力 第一章绪论 之比表示，则： =一主j2u 1 e x p ) = 一y 一 【- 肼2 兀r j m z 。= 。0m 。 ( 1 4 ) 事实上，太沙基一维固结理论的前提条件与现实有较大的差距。比如，固结过程 中，假定荷载一次瞬时施加，土体总应力保持不变；土体只发生竖向的孔隙水渗流和 竖向压缩等，因此，人们在处理某些显著偏离太沙基理论的土体时，对太沙基的基本 假定作了部分修正，现摘有代表性的分述如下： b a r d e r 和b e r r y 分析了太沙基理论的简化假设后，提出了较大的改进，包括如下 理论： ( 1 ) 采用力势型达西定律 ( 2 ) 采用变化的k 匕= 毒警 k = 后f ( 1 + 6 “”) ( 3 ) 采用线性的p l o g c r7 关系e = e o e c ( 1 0 9 c r ：一l o g o ；) 采用差分法解这样的非线型偏微分方程得出的消散曲线稍偏离于它们的理论曲 线，一般相当一致。如果取n = 0 5 而不是1 ，则可得到更好的一致性。只是，对于具 有高度次压缩的有机粘土，孔隙压力的消散比预期的要快。对于这样的粘土，为了减 a p ：= = 一 ， 少结构粘滞的影响，需要采用较大的h 和p 值，以上结果说明，在卸p 2 1 时，k 值变化很小，故将太沙基理论用于上述试验结果时，误差也不大，为了更严格地分析 一 他们的非线性理论，进行了印p 2 7 时的试验，其中k 值变化较大。此时，太沙基理 论的孔隙压力不再与试验相符，而此试验的结果与此理论的一致性一般很好，只有在 过程的开始和结束时例外。采用n = 0 5 时一致性很好，这说明，非线性理论只有在印佃 较大时，即k 值变化很大时，才有较大的优越性。 为了查明非线性的e 仃7 关系和k 的变化的影响，在此理论中又设k = 常数，再将 它与太沙基理论比较，其结果表明，采用不变的c 。时，算出的固结速率比假设m v 不 变时的快。这与l e o n a r d s 和a l e s c h a e f f l 基于非线性弹簧模型所作的理论计算是一致的。 如果用太沙基理论判断同一级荷重下k 的平均值，则结果将为采用k = 常数的非线性理 论推算出的相应值的1 3 倍左右。在试样薄而结构粘滞作用显著时，用太沙基理论算 出的平均k 值的误差可能很大。这样看来，压缩特性不变的假设不是太沙基理论中误 6 长安大学硕士学位论文 差的主要来源，但是在某些情况下，尤其在荷重增量很大时，它也可能引起较大的误 差。 简单的太沙基线性理论一般可适用大部分不呈现异常性质的土中，只有象非饱和 土或高压缩性粘土或那些呈现极大结构粘滞作用的粘土才值得采用相应的非线性。在 高压缩性粘土中，上述结合了透水性变化的非线性理论计算结果才与试验较为符合。 g r i b s o n 等提出，太沙基理论中简化假设所引起的误差与荷重增量及造成的孔隙比 变化大小有关。许多学者试图通过考虑透水性和压缩性在固结过程中的变化来推广古 典固结理论。实际上，只有在土体发生显著的孔隙比变化或大应变时，这些因素才有 实际意义。因此，g r i b s o n 在推导均匀薄土层的非线性固结方程时，摒弃了小应变的限 制，并考虑压缩性和透水性的变化，他们认为，与采用一个物理上无法接受的定理形 式比较起来，任何偏离达西定律所引起的误差就显得并不重要。因此仍采用达西定律， 只是其中将孔隙比的变化速率与超静孔隙压力梯度联系起来。必要时，这个理论还能 考虑非均匀性，土骨架的次时间效应，以及孔隙水和土粒本身的压缩性等，如果不考 虑最后这些因素，并且在可以忽略土自重影响的薄土层中，他们的分析与m c n a b b 提 出的普遍形式的一维固结方程等同，而且更清楚地提示了其物理意义。此时在推导出 的方程中有一个类似于太沙基理论中固结系数c 。的因子c f 只是它不仅决定于土体在 多级荷重增量开始时的初始孔隙比e ，还与当时的e 有关。因而，土的透水性和压缩 性同时发生变化使得其影响在某种程度上抵消，c f 的变化比前二者的变化要小的多。 对于某些粘土来说，它基本不变，除非荷重增量特别大，因此作为首次近似，可以取 它为常数，从而提出一个以孔隙比表示的常系数线性固结方程。但是，孔隙压力则不 可能用类似的线性，除非恢复透水性和压缩性等局限性较大的假设。因此，从理论得 出的孔隙压力等时线一般与太沙基理论得出的不同。此外，尽管这个理论基于比较普 遍的假设，它所得出的早期沉降与太沙基理论中一样，随时间平方根而线性变化，这 就为确定c f 提供了方法。当然沉降与时间平方根呈线性关系本身，并不能当作是证实 了太沙基的假设。 如果由于土的性质或荷重增量的大小而可能使上述线性化方法( c f = 常数) 引起无 法接受的误差，则可以假设c f 与孔隙比线性相关而用数值法解此固结方程。g r i b s o n 的这个理论表明：孔隙比是一个优越的变量，可以保持其控制方程的线性而不限制其 普遍性，然而其它变量( 孔隙压力或有效应力) 的控制方法就要复杂得多。 7 第一章绪论 1 3 非饱和土的固结理论 对于非饱和土，除包括可以认为是不可压缩的固相和液相水以外，还含有一定数 量的可压缩气体。由这种体系组成的土体，不仅在压缩方面，而且在渗透方面，都比 饱和粘土( 二相体系) 复杂得多，迄今还没有一个公认为比较成熟的分析非饱和固结 问题的理论方法。建立非饱和土固结方程的复杂性，主要有以下原因： 1 饱和土固结理论的建立，是以土体积变化的连续性为基础的，土体积的任何变 化，都是土中的水排出的结果。而对于非饱和土，因为土中的气体是有很高的压缩性， 故当这部分气体与外界连通时，由于孔隙气压力作用，一部分气体要从土体中排出， 与此同时，未排出气体在压力下体积发生变化，密度改变，而且还有一部分气体要溶 解于孔隙水中。对于以气泡形式存在于土孔隙中的封闭气体，也要有体积改变与溶解 现象。由此可见，要建立严格的连续条件，是比较困难的。 2 当土孔隙中的流体兼有水和气时，研究他们的渗透性，通常是近似地将其当做 两种不混合流体的运动问题来处理，尽管如此，也不易得到可靠的解答。对于饱和粘 土，一般均认为土中的渗流可以用达西定律来描述，这时渗透系数k 为常量，它与土 的含水量和作用的水压力无关。可是，对于非饱和土，不仅涉及两种介质的渗透性， 并且两者都与土的含水量和基质吸力密切相关。此外，对于给定状态的土，当由湿到 干或者由干变湿达到同一含水量时，渗透性亦不一致，亦即它们与含水量的关系并非 单值函数。再者，非饱和土的渗透性受土的结构性的影响相当显著。因此，要测定其 渗透系数，并且为了保证结构性不受影响，常需要不同于常规试验的测试技术。 3 有效应力原理是土力学中研究应力、应变、强度关系的基本准则。对于饱和土， 太沙基最早提出的仃= 仃+ u 的著名公式一直普遍采用。对于非饱和土，许多学者在饱 和土公式基础上，提出了许多非饱和“有效应力表达式。这些表达式全都企图采用 一个单值的有效应力或应力状态，并都含有土的参数。将土的性质纳入应力状态描述 导致许多困难。描述应力状态应与土的性质无关。但试验结果表明，量测出来的土的 性质同所建议的有效应力之间不存在单值关系。也就是说，建议的有效应力公式中的 土性参数对不同问题、不同应力路径、不同土类具有不同的数值大小。此外，表达式 中的参数的测定比较复杂，往往不易得到稳定的数值。因此，有效应力公式中的土的 参数很难确定。m o r g e n s t e m 对b i s h o p 有效应力公式的应用是这样评价的：“它在实际 中没起多大的作用。参数x 通过体积变化性状测定同通过抗剪强度测定并不一致。” 长安大学硕士学位论文 4 非饱和土本构模型还没有公认的理论，要建立成熟的非饱和固结理论还需要时 间。 5 非饱和土的水汽接触面是一个复杂的物理化学接口，f r e d l u n d ( 1 9 9 3 ) 称之为第四 相，第四相对非饱和土的行为有何影响仍不得而知。 6 如果在计及非饱和土中渗流的非线性以及固结过程中的水、气的相互作用等， 问题的求解难度就更大。 近些年以来非饱和土体固结理论也有些发展： 1 b a r d e n 提出了压实非饱和粘土的一维固结分析，用达西定律描述气相和液相的 流动。对于土的不同饱和度，提出了若干种独立的分析，但由于对非饱和土应力状态 和本构关系缺乏了解，所以具有不确定性。 2 f r e d l u n d 和h a s a n 提出用两个偏微分方程，可以求解非饱和土固结过程的孔隙 气压力和孔隙水压力。该方程假定气相是连续的，将d a r c y 定律和f i c k 定律分别应用 于液相和气相的流动，并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一 质量特性的函数。 3 陈正汉( 1 9 8 9 ，1 9 9 1 ) 应用混合物理论研究了非饱和土的固结问题，为了简化计算， 做了以下的假定：不考虑相变和气在水中的溶解；组分应力是对称的；土是均 质的、各相同性、小变形、准静态；土中的水与气各自相通，水与气不承受剪应力； 土粒和水是不可压缩的；温度保持不变，不计热效应，气体服从理想气体的状态 方程。在以上的假设基础上，建立了非饱和土的固结理论。非饱和土固结方程的全量 形式由三相连续方程、水气运动方程、总体平衡方程、几何方程、土骨架本构关系和 饱和度的本构关系组成，共计2 5 个方程，包含2 5 个未知数，其中有7 个材料参数， 材料参数都可以用试验确定。 综上所述，非饱和土研究的进展是缓慢的，无论在理论方面还是在试验方面都还 存在着许多问题和困难，大多数研究尚处于初步阶段，究其原因，按f r e d l u n d 分析主 要有二： 1 缺乏适当的理论基础和连贯性，对应力状态及力学性质的一些机理尚未充分 了解。 2 缺乏适当的技术去解决工程实际问题。 由此观之，“当研究非饱和土特性时，应注意有一个适当的理论基础，同时不太费 钱和实用性，且尽可能与饱和土的有关处理方法相衔接，以便利用饱和土的已有成果。 9 第章绪论 从而解决工程实际问题。” 1 4 连续加载试验的研究现状 要想成功的计算土体的固结过程，首先需要有能模拟实际工程的正确理论，其次， 需要有与理论相配套的、物理意义明确的土体基本参数。后者则要求试验方法应该能 提供可靠的反应土体形状的信息。而土体参数的确定必须基于相应的固结理论，所以， 实验方法是随固结理论的发展而发展的。 土的固结试验方法是根据太沙基的固结理论建立的，国内外常用的标准方法是增 量分级加荷法。2 0 世纪5 0 年代开始，我国一些单位为了缩短试验时间，采用了快速 法，这种方法理论依据不足，仅作为一种方法列入各系统的土工试验规程。2 0 世纪8 0 年代，连续加荷的试验研究取得了长足的发展，逐渐形成标准化，美国于1 9 8 3 年将此 法列入a s t m 标准中。 在一维固结分析中，多年以来，固结仪是确定土体压缩系数和固结系数的主要方 法。在固结试验中，分级加载试验是最常用的一种方法，其它已提出的方法有等应变 速率试验( c r s 试验) ，等加荷速率试验( c r l 试验) ，等梯度试验( c g c 试验) 。2 0 世纪6 0 年代l o w e i i i 等人提出控制梯度试验。s m i t h 和w a h l a 等人提出等应变速率试 验后，引起了国际上的注意。1 9 7 0 年a b o s h i 等人提出了等加荷速率试验。w i s s a 等人 与1 9 7 1 年进行了等应变速率固结试验，美国材料试验协会( a s t m ) 于1 9 8 3 年将等应 变速率试验列入岩土试验标准。我国于2 0 世纪8 0 年代初开始该项试验研究，也得到 了比较满意的结果，1 9 8 4 年原水利电力部将该项试验列入土工试验规程的说明书 中，目前国家标准土工试验方法标准( g b t5 0 1 2 3 - - 1 9 9 9 ) 中也列入了该项试验。 连续加载固结试验除克服常规固结试验时间长的缺点外，还具有以下特点：整个 试验的应力条件比较均匀，因而试样的压缩率也较均匀，能以不同的压缩率进行试验 达到所需的最大压力。可以发现，在标准固结过程中，沿试样高度各水平面上的有效 应力很不均匀，尤其是在加荷瞬间，接近排水面处有效应力最大，不排水面处最小， 这样，试样内各处受压不均匀，造成压缩曲线性不均匀，试样不同高度处，孔隙水压 力梯度相差很大，加荷瞬间，排水面处梯度极高，易使试样结构遭到破坏。其次，常 规固结试验随着固结的发展，试验应变率变化很大，而连续加载固结试验克服了这个 缺点，可以控制不同应变速率进行试验。在连续加载固结试验中，试样底部的孔隙水 压力是可以通过加荷速率来控制的，这样沿试样高度孔隙水压力的分布形状也可得到 1 0 长安大学硕士学位论文 控制，除起始和终了时刻外，不管试样上施加的压力多大，试样内孔隙水压力等时线 的形状相似，即等时线可以相互平行【4 1 。 但是由于其它种种社会原因，我国虽将连续加载固结试验列入国家标准，但实际 上很少有人进行这方面的工作，例如公路规范就未将该项列入。 1 5 静止侧压力系数k 0 研究现状 静止侧压力系数杨的实际应用范围很广泛，在诸如基坑支护结构上侧压力的计 算、地下连续墙设计中的侧压力计算、地下室侧墙及其它侧向位移极小的挡土构筑物 墙背上的土压力计算以及桩周壁摩阻力计算等，都需要确定静止侧压力系数。硒的取 值大小将直接影响上述的计算结果和精度6 1 。 太沙基用总应力定义静止侧压力系数k ：旦，毕肖普( b i s h o p ) 明确采用有效应力 0 1 来定义静止侧压力系数k 。：雩，但是鉴于土体都曾经受过一定的应力历史，又有人 将静止侧压力系数定义成增量形式，最口耻筹。 目前，关于k 。的计算方法有很多，大多是用相应的经验公式估算。现对其作一简 单探讨。 ( 1 ) 用泊松比p 计算7 】 k 0 = 再p ( 1 5 ) 正常固结土的k 。与| “之间存在一一对应关系，如式( 1 5 ) 所示，可由广义胡克 定律推出。不同土的泊松比并不相同，同一种土的泊松比在不同的应力阶段，其大小 也不尽相同。正因为并非常量，准确取值比较困难，严格得说，无法在试验中直接准 确的测试值，所以，工程计算中对其取值主要靠经验。 ( 2 ) 用缈7 计算【7 】： k o = 1 一s i n 妒7 ( 1 6 ) 第一章绪 论 早在1 9 4 8 年，j a k y 就提出了用于正常固结无粘性土的k 。计算公式： k 。= 丽1 - s i n ( p ( 1 + ；s i l l ( 1 7 ) 可再简化为：k 。= 1 - s i n 妒，即式( 1 7 ) 。 式中：p 土的有效内摩擦角，度。 1 9 6 5 年，b r w k e r 和t r e l a n d 建议正常固结的粘性土用下式计算蚝： k o = 1 0 9 5 s i n 9 ( 1 8 ) 式( 1 7 ) 、( 1 8 ) 形式简洁，但妒必须通过原状土样作三轴试验加以确定。如果没有妒7 值，就无法计算。许多设计人员为了方便，通常用9 代替妒计算k 。，这显然是不 合适的。 ( 3 ) 用，p 计算【8 】： k o = o 1 9 + 0 2 3 3 1l o g p ( 1 9 ) 无粘性土其民值可近似用式( 1 7 ) 计算但对于细粒土，塑性指数j 尸比有效内摩擦角 97 更能反映其本质特征，所以1 9 6 7 年，a l p a n 将正常固结粘性土的k 。与土的塑性指 数联系起来，建议了式( 1 9 ) 。该式表明，i e 越大，k 。也越大。粘土的，尸一般大于 等于1 7 ，所以式( 1 9 ) 燃- - 般大于等于0 4 7 7 。采用此法计算，必须得到塑性指数，尸 值。 ( 4 ) 用o c r 计算【9 】： k 。( d c ) = ( o c r ) 胂伍。( c ) ) ( 1 1 0 ) 超固结土的含义在于这种土曾经在应力历史上经受过超过目前有效应力的应 力，所以对于这种土而言，它曾经受过卸载作用，用o c r 计算超固结土体的k 。) 值 讨论的就是这种单纯的卸载条件。如果依据前述公式计算出正常固结土的k 。值，则可 用式( 1 1 0 ) 计算超固结土的k 。) 值。该式计算k 。) ，必须先得到k ( c ) 和o c r 的大 小，而k o ( c ) 与土的妒、p 、i p 等参数关联，必须利用实验室结果或经验公式计算： 1 2 长安大学硕士学位论文 而欲得到o c r 则必须先得到先期固结压力。可见计算k o i n c 、和o c r 的过程也是产生 误差的过程，这使得( 1 1 0 ) 式理论上较为完善，而在运用上稍有不便。 ( 5 ) 现场载荷试验的p s 曲线计算k o 1 9 ： 王运霞根据广义胡克定律及现场载荷试验的p s 曲线的线性阶段，推导了一种 新的计算k 。的方法： k o = 式中：p p s 曲线上线性阶段的某级荷载，k n ； s p s 曲线上与p 对应的位移值，m m ； b 地基的压缩模量，k p a ： c o 沉降系数，对于刚性承压板，方形c o = 0 8 8 ，圆形= 0 7 9 ； b 承压板的边长直径，m n l 。 由于式( 1 1 1 ) 是由现场的载荷试验所得的p s 曲线和室内侧限压缩试验的e s 推 导出的，因此，更能反映地基的实际受力状况。 尽管计算k 。的方法很多，且各种方法各有优缺点，但这些方法大都是计算土体在 某级荷载作用下变形稳定后的值。对于本文在加载方式下的土体变形过程中的懿 值的计算探讨较少。对于结构性很强的原状非饱和黄土，其k 值的计算必有特殊的规 律性。因此，本文将对静止侧压力系数进行较为充分的讨论。 k 。固结试验包括土样的k 固结过程及k 固结土样的力学特性试验两个阶段。目 前国内外开展的k 。固结试验所侧重于研究k 。固结状态对土样力学性状的影响，并取 得了大量成果，如龚晓南和曾国玺【2 、袁聚云等【2 2 1 开展的黏土戤固结试验研究表明， k 。固结状态对土体的力学性状有明显影响；t b e r r e 和l b j e r r u m 2 3 1 提出室内测 定现场土的实际抗剪强度需将试样重新固结到原有的k 。固结状态。 第一章绪论 1 6 本文的主要研究内容 本文在前人研究的基础上，应用一维侧限固结仪，进行了原状非饱和黄土的标准 固结和连续加载固结的对比试验，对黄土的应力、应变、静止侧压力系数和时间关系 进行了分析。主要有以下几方面： 1 在一维侧限固结仪上，进行非饱和原状黄土标准固结试验。研究在此过程中 轴向应力、侧向应力、孑l 隙水压力、静止侧压力系数以及变形的变化规律； 2 在一维侧限固结仪上，结合连续加荷系统，进行非饱和原状黄土等应变固结 试验。研究在此过程中轴向应力、侧向应力、孔隙水压力、静止侧压力系数以及变形 的变化规律； 3 ，通过以上的两种不同的加荷方式，进行对比试验，通过对比验证连续加荷固结 试验能否克服常规固结试验时间长的缺点，能否达到与常规固结试验同样的试验结果， 能否推广到非饱和土的实际工程中去。 1 4 长安大学硕士学位论文 2 1 仪器介绍及标定 第二章试验方案 该试验用我校研制的侧限式连续加载与分级加载固结、应力松弛及渗透仪进行了 相应的试验，该试验除了可测出土样在普通固结仪上得到的结果外，同时还可以测出 孔压消散曲线、侧压力系数随时间的变化曲线、以及土样在不同密度下的渗透系数的 变化曲线等。侧限式的连续加载与分级加载固结、应力松弛及渗透仪的构造见下图2 1 所示。 7 图2 1 侧限式的连续载入与分级载入固结应力松弛及渗透仪 卜水腔：2 一丁氯橡胶膜；3 一滤纸和透水石；4 一应力传感器、变形传感器及机械侧微计： 5 - t 4 气孔；6 - n 压管；7 一定水头。 试验需进行的标定，包括对杠杆加压设备进行调整，对透水石的变形量进行校正。 2 2 试验方案的提出 本文非饱和原状黄土变形特性的研究主要针对于公路路基的变形计算和工后沉降 量控制需要。根据公路路基的受力特点及加载方式，本文拟采用连续加载的k 。固结试 第二章试验方案 验与标准k 。固结试验( 即分级加载民固结试验) 进行对比。主要原因为： 加载方式对土的变形特性有很大的影响。因为土是非弹性体，其变形的大小及速 率不仅与加荷的大小有关，而且与加荷的方式及加荷顺序有关。因此，在分析地基的 变形问题时，应考虑外荷载的施加方式。通常，公路路基的填方( 每2 0 - - 3 0 c m 一层) 荷载可视为连续加载的加载方式。但常规的试验方式为分级加载，本文将分别进行分 级加载与连续加载以对比分析其异同。 2 3 试验方案的实现 2 3 1 试验用土的基本性质 本次试验所用土取自函谷关隧道西侧，属于典型的陇西q 3 黄土。取土深度1 6 - 1 8 m , 土呈褐黄色，硬塑状态，天然含水量1 5 6 ，天然密度为1 7 6 9 m 3 ，天然孔隙比为o 8 1 ， 土质较均匀。通过室内试验测得该土的其它物理性质指标如表2 1 所示，由这些物理 性质指标判定该土为级配良好的粉土。 表2 1 试验用土的基本物理性质指标 液塑限 塑限啡液限吼 2 6 吼 4 2 i p = 9 3 5 1 q 3 试验 1 12 2 7 2 3 2 试样尺寸 标准固结试验和连续载入固结试验：高度为4 0 m m ，直径为6 1 8 m m 的圆柱形试 样。 2 3 3 试样制作 按照试验手册【4 1 要求标准固结和等应变固结试验用环刀切取试样，刃口向下放在 土样上，将环刀垂直下压。切土时切土刀沿环刀外侧切削土样，边压边削至土样高出 环刀，用切土刀整平环刀两端试样。 由于原状黄土干密度的差异，使得试样在同一含水量下的饱和度存在较大的差异。 1 6 长安大学硕士学位论文 而对非饱和土来说饱和度是影响其性质的主要因素之一。根据力学性质试验项目要求， 原状土样同一组试样间密度的容许差值为o 0 3g m 3 ；一组试样的含水率与要求的含 水率之差不得大于1 。试验时根据设定的含水量推算出该含水量下的试样重，同时 求出达到所需含水量时的配水量( 或减水量) 。用两种方法控制含水量：风干法：对 于从该含水量配至低含水量的试样，采用自然风干的方法，并不时称重至稳定的重量， 然后将其放入养护缸中养护数天( 一般2 4 小时) ，待试样内部水分均匀后即可用于试 验；水膜转移法：对于从低含水量配至高含水量的试样采用水膜转移法。将试样置 于精度为o 0 1g 的电子天平上，用滴管在试样表面均匀的缓漫滴入预定的水量。然后 把试样放置在一封闭的养护缸内养护数天，使水分在水膜压力作用下逐渐转移，最后 均匀分布于试样内部，即达到所控制的饱和度。此法不抽气，不增温，有利于保持黄 土的原状结构。操作时应注意以下几点：滴水速度不要太快，以避免使原状土发生 膨胀；尽量控制试样表面各处滴水均匀，以利试样内部水分转移均匀；当滴水量 较大时，最好采用分级滴水，每一级含水量增量约为5 。因为试验中排除了干密度 的变化所造成的影响，从而控制试验的影响因素是应力和土样的含水量。 2 3 4 试验加荷方式 1 标准固结试验 标准固结试验即分级加载固结试验，其加荷时间为1 2 h 一级，加荷率为1 ，即 每级压力为前级压力的一倍，起始压力为2 5 k p a 一直加到8 0 0 k p a 结束。结束标准是 试样轴向变形稳定，稳定标准为每小时变形量不超过o 0 1m l t l 。 2 等应变连续加载固结试验 连续加载固结试验按照控制条件，可分为等应变速率固结试验、等梯度固结试 验、等加荷速率固结试验等【4 1 。 ( 1 ) 等应变速率试验法简称c r s 法， 速率为常量。 ( 2 ) 等加荷速率试验法简称c r l 法， 增长速率为常量。 在整个试验加荷过程中，控制试样的变形 在整个试验加荷过程中，控制试样上应力 ( 3 ) 等梯度试验法简称c g