非飽和含粘砂土的三軸試驗(yàn)研究

非飽和含粘砂土的三軸試驗(yàn)研究

1種三軸排水剪切試驗(yàn)試驗(yàn)用土采用廣（州）佛（山）高速擴(kuò)建工程基塊填充。擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得該土最大干密度為1.97g/cm3,最優(yōu)含水率為13.5%。試驗(yàn)干密度采用壓實(shí)度為94%,即干密度等于1.85g/cm3。試樣物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。試驗(yàn)設(shè)備采用后勤工程學(xué)院研制的多功能土工三軸儀器。該儀器采用模塊結(jié)構(gòu),可作飽和土、非飽和土、特殊土30多種試驗(yàn)。共作了3種應(yīng)力路徑的三軸排水剪切試驗(yàn):①3個(gè)吸力(s=ua-uw)等于常數(shù),凈平均應(yīng)力(p=(σ1+2σ3-3ua)/3)增大的各向同性壓縮試驗(yàn)。控制吸力分別為50,100,200kPa,凈平均應(yīng)力分級(jí)施加,試驗(yàn)終止時(shí)的凈平均應(yīng)力依次為350,350,200kPa。②3個(gè)凈平均應(yīng)力等于常數(shù),吸力增大的三軸收縮試驗(yàn)?？刂苾羝骄鶓?yīng)力分別為25,50,100kPa,吸力分級(jí)施加,試驗(yàn)終止時(shí)的吸力依次為350,350,300kPa。③凈室壓力(p=σ3-ua)和吸力都控制為常數(shù)的三軸排水剪切試驗(yàn)?？刂苾羰覊毫Ψ謩e為100,200,300kPa,吸力分別控制為0,50,100,200kPa。在排水剪切試驗(yàn)中,孔隙水壓力等于0kPa,因而試驗(yàn)時(shí)只需控制總室壓力和氣壓力為常數(shù)即可。這樣,共做了18個(gè)三軸排水剪切試驗(yàn)。前兩種試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)的固結(jié)階段穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)是體變?cè)?h內(nèi)不超過(guò)0.0063cm3,并且排水量在2h內(nèi)不超過(guò)0.012cm3;三軸剪切試驗(yàn)的剪切速率為0.0066mm/min。2試驗(yàn)結(jié)果的分析2.1彈性區(qū)的范圍各向同性壓縮試驗(yàn)和三軸收縮試驗(yàn)的體變和排水量的量測(cè)值可在試驗(yàn)過(guò)程中直接讀出;另一方面,由試樣的初始含水量和最終含水量之差,可以算出試樣的實(shí)際排水量。根據(jù)算得的實(shí)際排水量對(duì)量測(cè)值進(jìn)行校正,相關(guān)數(shù)據(jù)列于表2。由表2可以看出,三軸收縮試驗(yàn)的體變和排水量比各向同性壓縮試驗(yàn)的體變和排水量高出1倍左右。圖1是控制吸力的各向同性壓縮試驗(yàn)的v-logp關(guān)系圖。同一試樣的試驗(yàn)點(diǎn)近似位于兩條相交的直線(xiàn)段上,兩直線(xiàn)的交點(diǎn)可作為屈服點(diǎn),屈服點(diǎn)的凈平均應(yīng)力就是屈服應(yīng)力。由此確定的不同吸力下的屈服應(yīng)力列于表3。可見(jiàn),隨吸力提高,屈服應(yīng)力增大。把屈服點(diǎn)繪在p-s平面上,連接這些屈服點(diǎn)得到的曲線(xiàn)稱(chēng)為L(zhǎng)C曲線(xiàn)。LC曲線(xiàn)與p軸的交點(diǎn)就是飽和土的屈服應(yīng)力,也是LC曲線(xiàn)的下限。荷載增大不僅能使土屈服,而且吸力增加也能使土屈服。因此描述非飽和土的體變屈服性狀,在p-s平面上需要兩條屈服線(xiàn):加載濕陷屈服線(xiàn)(LC)和吸力增加屈服線(xiàn)(SI),這兩條曲線(xiàn)與坐標(biāo)軸包圍的區(qū)域是彈性區(qū)。位于彈性區(qū)的應(yīng)力點(diǎn)在吸力增加達(dá)到SI曲線(xiàn)時(shí)土就發(fā)生屈服。針對(duì)吸力增加屈服,ALONSO及陳正漢等提出了不同的屈服條件。ALONSO等提出的吸力增加屈服條件是:s=s0=const,(1)式中:s0是土在歷史上曾經(jīng)受到的最大吸力。陳正漢等提出的修正吸力增加屈服條件是:s=sy=const,(2)式中:sy是屈服吸力,可由凈總應(yīng)力等于0的常規(guī)收縮試驗(yàn)確定。圖2是本次研究的控制凈平均應(yīng)力的三軸收縮試驗(yàn)的v-logs關(guān)系圖。與圖1相似,同一試樣的試驗(yàn)點(diǎn)近似位于兩相交的直線(xiàn)段上,由此確定的屈服吸力列于表4。由交點(diǎn)確定的相應(yīng)與凈平均應(yīng)力等于25,50,100kPa的屈服吸力很接近,約為127kPa,大于試樣曾受到的最大吸力(s=45kPa)?？梢?jiàn),ALONSO等人提出的吸力增加屈服條件(式(1))并不符合本文研究的非飽和含粘砂土的實(shí)際情況,而陳正漢等提出的修正吸力增加的屈服條件(式(2))對(duì)該土比較適用。圖3即為由控制吸力的各向同性壓縮試驗(yàn)和控制凈平均應(yīng)力的三軸收縮試驗(yàn)確定的加載濕陷屈服線(xiàn)和吸力增加屈服線(xiàn)。由sy≥s0,可知新的屈服條件擴(kuò)大了彈性區(qū)的范圍。收縮性指標(biāo)和水量變化指標(biāo)如表3和表4所示,求解方法參見(jiàn)文獻(xiàn)。2.2結(jié)果表明，三軸排水修剪的結(jié)果是控制吸收力和凈壓為常數(shù)的2.2.1凈圍壓對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響重塑非飽和含粘砂土的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)分別如圖4和圖5所示。以往研究表明:對(duì)于松砂,其應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)基本是應(yīng)變硬化型;對(duì)于密砂,其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)是應(yīng)變軟化型。對(duì)于非飽和含粘砂土,由圖4可見(jiàn),在低吸力、低圍壓情況下,隨著凈圍壓增大,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)由應(yīng)變軟化向硬化型轉(zhuǎn)變。在高吸力、圍壓增加到300kPa時(shí),出現(xiàn)脆性破壞。由圖4可以看出,非飽和土抗剪強(qiáng)度高于飽和土抗剪強(qiáng)度;隨吸力的增大,抗剪強(qiáng)度明顯增大。相同吸力條件下,隨凈圍壓增大,抗剪強(qiáng)度也明顯增大。對(duì)于砂土而言,剪脹性與砂土的密實(shí)度和圍壓密切相關(guān)。由圖5(a)可以看出,在較低吸力(s=50kPa)情況下,曲線(xiàn)可分為3段:體積隨應(yīng)變減小段;體積隨應(yīng)變基本不變段;體積隨應(yīng)變?cè)龃蠖巍Ｔ嚇映拭黠@的剪縮特性,隨著圍壓增大,剪縮性增強(qiáng)。曲線(xiàn)后部體積變化隨應(yīng)變?cè)龃?但剪脹不是很明顯,對(duì)比應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)分析,變化點(diǎn)大概為試樣應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變點(diǎn),可認(rèn)為是試驗(yàn)屈服破壞后體積發(fā)生剪脹。比較圖5(b)、(c)與(a)可知,吸力增大,剪脹性明顯增強(qiáng)。總體比較,隨σ3的升高,剪脹開(kāi)始時(shí)的軸向應(yīng)變減小,剪脹性減小。2.2.2控制吸力試驗(yàn)參數(shù)的確定針對(duì)不同的破壞形式選用相應(yīng)的破壞標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)塑性破壞,取軸應(yīng)變?chǔ)臿=15%時(shí)的應(yīng)力為破壞應(yīng)力;對(duì)脆性破壞,取(σ1-σ3)-εa曲線(xiàn)上的峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為破壞應(yīng)力。9個(gè)三軸剪切試驗(yàn)的破壞應(yīng)力及強(qiáng)度參數(shù)列于表5中。強(qiáng)度參數(shù)可由p-q平面內(nèi)的強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)求得,由圖6可以得到,吸力相同的一組試驗(yàn)點(diǎn)落在一條直線(xiàn)上,可用下式表達(dá):qf=ξ+pftan?,(3)式中:ξ和tan?分別是直線(xiàn)的截距和斜率,用最小二乘法確定。土的有效內(nèi)摩擦角從下式求得:sinφ′=3tan?/(6+tan?)。(4)由表5可見(jiàn),在試驗(yàn)的吸力范圍內(nèi),對(duì)同一個(gè)干密度試驗(yàn),φ′變化不大,與飽和土的有效內(nèi)摩擦角相當(dāng)接近。土的粘聚力c由下式給出:c=3?sinφ′6cosφ′ξ′c=3-sinφ′6cosφ′ξ′。(5)由式(4)、(5)可計(jì)算出土的粘聚力c,其值列于表5中。從表5中可以看出,控制吸力試驗(yàn)的粘聚力c隨吸力增大而增大,而內(nèi)摩擦角幾乎沒(méi)有變化,相應(yīng)的關(guān)系如圖7所示。圖7表明試樣的c-s關(guān)系可近似看做線(xiàn)性的。采用FREDLUND等提出的非飽和土抗剪強(qiáng)度理論公式:τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb,(6)式中:c′和φ′為飽和土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo);σ-ua是凈豎向應(yīng)力;ua-uw為吸力;φb表示抗剪強(qiáng)度隨吸力而增加的速率。3非飽和含粘砂的力學(xué)性質(zhì)1)控制吸力的各向同性壓縮試驗(yàn)和控制凈平均應(yīng)力的三軸收縮試驗(yàn)結(jié)果表明:屈服凈平均應(yīng)力和偏應(yīng)力隨吸力的提高而增大;吸力增加屈服所需要的吸力是一常數(shù)但不等于土在歷史上曾受過(guò)的最大吸力;初步驗(yàn)證了陳正漢等建議的吸力增加屈服條件。2)重塑非飽和含粘砂土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)隨著凈圍壓增大由軟化向硬化型轉(zhuǎn)變,在高吸力高圍壓情況下,呈現(xiàn)脆性破壞。3)控制吸力和凈圍壓的三軸排水剪切試驗(yàn)在p-q平面內(nèi)的強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)為直線(xiàn);在試驗(yàn)研究的吸力范圍(50～200kPa)內(nèi),重塑非飽和含粘砂土的粘聚力隨吸力線(xiàn)性增加;內(nèi)摩擦角隨吸力的變化很小,可以認(rèn)為是一常數(shù)。4)重塑非飽和含粘砂土脹縮特性不僅取決于干密度及圍壓,而且還與吸力密切相關(guān)。隨吸力增大剪脹特性增強(qiáng);隨σ3的升高,剪脹性減小。路基土大都處于非飽和狀態(tài),其變形強(qiáng)度受氣候變化(主要指水分遷移,即降雨入滲、蒸發(fā)干燥)影響很大,可能產(chǎn)生不可忽視的沉降及水平位移,是引起路面不均勻沉降以至開(kāi)裂的主要因素。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,各地的高速公路建設(shè)日新月異,因此面臨的非飽和土問(wèn)題越來(lái)越多。以往對(duì)路基土的變形和穩(wěn)定性問(wèn)題按飽和土處理,漠視了其三相性,不能反映吸力的影響;對(duì)砂土主要從應(yīng)力路徑密度和壓力等方面進(jìn)行研究忽視了吸力對(duì)其變形和強(qiáng)度的貢獻(xiàn)近年來(lái),非飽和土力學(xué)取得長(zhǎng)足發(fā)展,其理論和方法為研究土的工程特性和變形穩(wěn)定提供了新途徑。如陳正漢等采用非飽和土的觀點(diǎn)和方法探討重塑黃土的變形、強(qiáng)度、屈服、水量變化特性,取得了大量資料,