非饱和土的吸力与强度理论研究及其试验验证_图文

1、大连理工大学博士学位论文非饱和土的吸力与强度理论研究及其试验验证姓名:李顺群申请学位级别:博士专业:岩土工程指导教师:栾茂田20060301 李顺群:非饱和土的吸力与强度理论研究及其试验验证2.2.3球形颗粒最松散堆积颗粒的形状和堆积方式千变万化,球形颗粒两种典型的堆积方式如图2.1I所示。研究一般颗粒堆积方式中毛细压力与基质吸力的关系困难太大。下面研究第二种理想情况,球形颗粒最松散堆积时毛细压力和基质吸力的关系。(a球形颗粒量松散堆积(b球形颗粒最紧密堆积图2.11球形颗粒两种典型的堆积方式Fig.2.II Thetwotypicalpacking systemsofball-shapedp

2、articles土颗粒一般较小,在水封闭状态下,如图2.12所示,孔隙水的重力作用更小,从而对液面形状的影响可以忽略不计。此时可以认为各片孔隙水形状相同,均为绕颗粒接触点连线的旋转体。但这些旋转体在空间的位置有三种,分别为绕X、Y和=轴旋转得到的旋转体。既使这样一个简单的模型,想根据公式(2.10得到毛细水高度也是非常困难的,因为等效毛管半径的确定非常困难。 (丑球形颗粒量松数堆积模式某个颗粒与周围颗粒的关系(c某个颗粒周围的孔隙水状态图2.12球形颗粒最松散堆积模式及孔隙水状态(水封闭Fig.2.12Four ball particle packiIlg model and correspo

3、nding pore water state(DWCA由图2.12可以得出,在水连通阶段,基质吸力与毛细压力关系密切,某一深度处的基质吸力仍可由式(2.13给出,毛细高度的计算则要困难得多。在水封闭阶段,毛细压力为零,而基质吸力随着土逐渐变千越来越大。此时。毛细压力和基质吸力之间已经没 大连理工大学博士学位论文-_日置_-_-_-_-l_-_一I II 和100时,液面半径,、单片水体积Kl(ram3、总水体积h=3H1(mm3、单片水作用面积A¨、水总作用面积A。=6A11、饱和度Sr、基质吸力s、等效基质吸力矿的计算结果如表2.1所示。相应的土一水特征曲线和广义土一水特征曲线分别

4、示于图2.16和图2.17(包括普通直角坐标系下和半对数坐标系下。 (a以孔隙为中心的单元体(b以球形颗粒为中心的单元体图2.15单元体内球形颗粒、孔隙水以及孔隙气之间的关系Fig.2.15Ganmelrical relationship among ball particles,pore wat.er and pore air in an element本例是以半径为Imm的球形颗粒为例得出的结果。实际上粘土和粉土的颗粒半径远远小于这个数值,当假设颗粒半径为Ipm时,表2.1和图2.16、图2.17中的基质吸力和等效基质吸力的量纲将变为kPa,而数值大小和曲线形状将保持不变。从表2.1和各个

5、土一水特征曲线可以得出以下一些重要结论。(1等效基质吸力在数值上要比基质吸力小得多.而且饱和度越低它们之间的差别就越大,这是因为在低饱和度时基质吸力的作用面积较小的缘故。(2两种土一水特征曲线对接触角的反应程度不同。基质吸力随接触角的增大而缓慢减小;等效基质吸力随接触角变化而变化的幅度较大。(3两种基质吸力随颗粒间距的增加迅速减小,说明两种基质吸力均强烈的依赖于土体密度和颗粒级配。(4基质吸力随饱和度的增加绝对减小,而等效基质吸力则不然。当饱和度很小时,由于面积分布力作用范围很小,所以尽管基质吸力较大,此时的等效基质吸力却并不大。随着力作用面积的增大,等效基质吸力逐渐达到最大,之后开始下降。所

6、以,完整的广义土一水特征曲线应该从原点开始,逐渐上升,达到最大值后开始下降。比如,图2.17a (萨O.1时1所示的曲线有这种趋势存在。(5等效基质吸力随饱和度变化的剧烈程度没有基质吸力那么强烈。随饱和度增大,等效基质吸力几乎成线性比例关系减小。 李顺群:非饱和土的吸力与强度理论研究及其试验验证一I ll_-l_l-_-_-_-_-l_曼基质吸力均占有重要地位,其实,在液体表面还存在不可忽视的表面张力。以下各节着重研究水封闭非饱和土中的张力吸力以及各种等效吸力与饱和度的关系。 (a水封闭彻措接双开敝(c不搭接双开敝(d气封闭图3.2球形颗粒最松散堆积不同含水量时的孔隙水状态Fi932Diffe

7、rent pore water state in ballshaped pardcle packing system with different saturationdegree 3.2各种饱和状态下的基质吸力和张力吸力对于不同的非饱和土,孔隙水与颗粒表面的搭接状态是不同的.由此导致表面张力对颗粒的直接拉结作用不同。并进一步导致对强度的贡献存在本质差别。下面研究理想模型在不同饱和度状态下的基质吸力和张力吸力,以及各种吸力之间的差别和联系。3.2.1水封闭状态图3.3是水封闭状态时孔隙水状态示意图,可以清楚的看出孔隙水在颗粒表面的搭接是一个圆周,基质吸力的作用面积是球冠面积。 圈3.3张力吸力的定义及张力吸力与基质吸力的作用面积Fig.3.3Definition oftension suction and effective ar