高吸力及低應(yīng)力下非飽和土的強(qiáng)度和變形特性

1、高吸力及低應(yīng)力下非飽和土的強(qiáng)度和變形特性巖土工程實(shí)踐中經(jīng)常會(huì)遇到非飽和土,在非飽和土的力學(xué)性質(zhì)研究中,如何合理的考慮吸力的影響是問題的關(guān)鍵。從土體中孔隙水作用的物理機(jī)制來看,吸力可以明確的區(qū)分為毛細(xì)作用和吸附作用。當(dāng)前對(duì)吸力的認(rèn)識(shí)和使用存在誤解,目前流行的非飽和土研究中,往往將吸力直接同毛細(xì)作用相對(duì)應(yīng)。這導(dǎo)致吸力好像在整個(gè)變化范圍內(nèi)均表現(xiàn)為毛細(xì)作用而忽略了這一概念本身所包含的吸附作用。這直接導(dǎo)致對(duì)非飽和土的性質(zhì)和行為中吸力作用的認(rèn)識(shí)存在偏差,同時(shí)少有研究關(guān)注高吸力、吸附作用占優(yōu)時(shí)土體的強(qiáng)度和變形特性。當(dāng)前巖土力學(xué)理論大都著眼于較大壓應(yīng)力下土體的強(qiáng)度和變形特性,其中土體破壞多是基于壓剪作用剪切時(shí)

2、應(yīng)力和變形的描述大多局限于應(yīng)變硬化和體縮現(xiàn)象。然而,實(shí)際工程問題中土體常處在低應(yīng)力及拉應(yīng)力作用下,土體破壞可能基于拉剪、壓剪等不同的破壞模式,剪切時(shí)應(yīng)力和變形多表現(xiàn)為峰后軟化和剪脹現(xiàn)象。此時(shí),基于較大壓應(yīng)力作用給出的土力學(xué)理論難以適用,需要建立合理的破壞包線準(zhǔn)則以及剪切時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型,以期能更準(zhǔn)確的描述實(shí)際工況。本文針對(duì)高吸力及低應(yīng)力下非飽和土的強(qiáng)度和變形特性,主要研究內(nèi)容包括:(1)基于對(duì)非飽和土中孔隙水毛細(xì)和吸附作用的區(qū)分,得到了一種機(jī)理明確的非飽和土抗剪強(qiáng)度模型。首先,假定兩種非飽和土的特殊狀態(tài),即只存在毛細(xì)作用的理想毛細(xì)狀態(tài)和只存在吸附作用的理想吸附狀態(tài),分別給出了這兩種理想狀態(tài)

3、的抗剪強(qiáng)度模型。利用二元介質(zhì)模型,認(rèn)為非飽和土中土-水作用是由這兩種理想狀態(tài)的不同權(quán)重組合而成,建立了適用于較廣吸力變化范圍的非飽和土抗剪強(qiáng)度模型。研究表明,在考慮吸力對(duì)非飽和土力學(xué)性質(zhì)的影響時(shí),應(yīng)該區(qū)分吸力的不同作用。(2)已有的非飽和土力學(xué)特性的研究大都局限于較低吸力、毛細(xì)作用占優(yōu)范圍。實(shí)踐中由于環(huán)境的變化,地表土體常經(jīng)歷干濕循環(huán)及處在低含水率、高吸力狀態(tài),此時(shí)吸附作用占優(yōu)。針對(duì)高嶺土-河砂配制的非膨脹性黏性土,采用飽和鹽溶液蒸汽平衡法,從脫濕和吸濕兩種吸力路徑下對(duì)土體施加高吸力。測試了高吸力下土體的強(qiáng)度和變形特性,試驗(yàn)中選用了0(接近無側(cè)限)、25、50、100kPa共4組小圍壓。結(jié)合試

4、驗(yàn)結(jié)果,分析了高吸力時(shí)吸力對(duì)土體強(qiáng)度和變形的作用機(jī)制。(3)利用寬廣含水率變化范圍內(nèi)非飽和壓實(shí)土低應(yīng)力下的直剪試驗(yàn)和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn),研究了低應(yīng)力及拉應(yīng)力下非飽和土的強(qiáng)度及剪脹特性?；谠囼?yàn)結(jié)果,分析了非飽和土拉應(yīng)力區(qū)的強(qiáng)度包線、峰值強(qiáng)度及剪脹作用的變化特性。之后結(jié)合0、25、50、100kPa四組圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)，討論了非飽和土破壞包線的構(gòu)成方法。首先，按照土體的破壞模式，破壞包線可表征為兩段Mohr-Coulomb型直線。其次,非飽和狀態(tài)對(duì)峰值強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)為剪脹作用和顆粒間作用力兩方面按照非飽和時(shí)峰值強(qiáng)度的主要組成部分及其表示方法,給出了黏聚力-剪脹作用型和顆粒間作用力-剪脹作用型兩種物理意義明確的曲線型破壞包線。基于分段線性破壞包線,討論了曲線型破壞包線參數(shù)的確定方法。至此,給出并分析了非飽和時(shí)不同含水率下土體的破壞包線及其變化特性。最后,通過和文獻(xiàn)中的試驗(yàn)及破壞包線模型對(duì)比,討論了建議的破壞包線的合理性。(4)低應(yīng)力下,對(duì)于不同含水率的非飽和壓實(shí)土剪切時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變特性,基于試驗(yàn)結(jié)果,探討了臨界狀態(tài)方程、剪脹方程以及最小剪脹率的預(yù)測方法。類比于飽和土