非飽和土的力學(xué)特性試驗(yàn)研究

非飽和土的力學(xué)特性試驗(yàn)研究

1土-水特征曲線的測量在研究非飽和土壤強(qiáng)度和變形時(shí)，可通過吸收力作為變量研究非飽和土壤強(qiáng)度的力學(xué)性質(zhì)。測量吸力的方法很多,然而,對于復(fù)雜應(yīng)力路徑或者實(shí)際工程應(yīng)用,吸力的測量比較困難,且非常復(fù)雜。許多學(xué)者把土-水特征曲線引入到非飽和土的強(qiáng)度和變形計(jì)算中,取得了很好的成果。然而土-水特征曲線存在明顯的滯回效應(yīng),且土-水特征曲線的測量也需要很長時(shí)間。把飽和度或含水率直接引入到非飽和土的強(qiáng)度或變形計(jì)算中,可以避免吸力的測量,并且滿足工程應(yīng)用需要。相應(yīng)的模型參數(shù)測量和驗(yàn)證也可以在常規(guī)土工試驗(yàn)儀器上進(jìn)行。對土石壩心墻料的施工過程用不排氣、不排水剪切試驗(yàn)?zāi)M更符合實(shí)際情況。一些飽和度較高的天然土體中含有甲烷等不易溶于水的氣體,此時(shí)的土體強(qiáng)度和變形特性也應(yīng)該采用不排水、不排氣剪切試驗(yàn)進(jìn)行模擬。對不同干密度,不同飽和度的云南紅黏土試樣進(jìn)行不固結(jié)不排氣、不排水三軸試驗(yàn)。探討其應(yīng)力、應(yīng)變及強(qiáng)度特性,并進(jìn)行了分析和總結(jié)。2試驗(yàn)計(jì)劃2.1試驗(yàn)土壤試驗(yàn)用土采自云南昆明,是典型的云南紅土。將原土?xí)窀?碾碎,過2mm篩,取細(xì)粒部分作為本次試驗(yàn)用土,試驗(yàn)用土的基本性質(zhì)及級配見表1。2.2試樣的施加和樣品的制備試驗(yàn)在稍加改進(jìn)的常規(guī)飽和土三軸儀上進(jìn)行,改進(jìn)部分主要是用來測量非飽和土試樣在剪切過程中的體積變形。試樣的體積變形由進(jìn)入或排出壓力室的水的體積確定。整個(gè)試驗(yàn)過程不需要測量吸力。具體的改進(jìn)方法在文獻(xiàn)中已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)描述。與文獻(xiàn)稍有不同的是:本次試驗(yàn)進(jìn)行的是不排氣、不排水剪切試驗(yàn),在試驗(yàn)過程中,與試樣連接的排水閥始終保持關(guān)閉狀態(tài)。對試樣施加圍壓后,體變管中的油水交界面會(huì)出現(xiàn)波動(dòng),當(dāng)油水交界面固定不動(dòng)后才能施加豎向荷載。試樣的剪切速率為0.036mm/min,圍壓設(shè)定為4個(gè)等級,即:100,200,300,400kPa。本次試驗(yàn)共制備了2個(gè)干密度下6個(gè)飽和度的非飽和三軸試樣。飽和度分別為:30%、40%、50%、60%、70%、80%。干密度分別為1.3、1.4g/cm3共12組,48個(gè)試樣。試驗(yàn)前先根據(jù)計(jì)算出的不同的飽和度所需的含水率配置散狀土樣,把土樣放到密閉容器中密封起來,放置24h以上,以便土壤中的水分分布均勻。土樣分5層擊實(shí),試樣的直徑、高分別為:3.91cm,8cm。試樣制好后在密閉容器中靜置12h以上。然后開始進(jìn)行三軸不排氣、不排水剪切試驗(yàn)。3試驗(yàn)結(jié)果的分析3.1含水率對黏聚力的影響在控制吸力的非飽和土強(qiáng)度試驗(yàn)中,非飽和土試樣的強(qiáng)度隨著飽和度(含水率)Sr的增大而減小,黏聚力隨著干密度的增大是不斷增大的,而內(nèi)摩擦角則隨干密度的變化基本保持不變。在非飽和土的排氣、不排水剪試驗(yàn)中,黏聚力和內(nèi)摩擦角都隨著含水率的增大而減小,且近似成線性關(guān)系。如圖1所示,在云南紅黏土的不排水、不排氣試驗(yàn)中,黏聚力隨飽和度(含水率)的增大不再呈線性變化。在飽和度為60%時(shí),出現(xiàn)峰值。試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)相類似。圖2中,內(nèi)摩擦角隨著飽和度的增大是減小的,但也并不是標(biāo)準(zhǔn)的線性關(guān)系。相同的飽和度下,黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著干密度的增大而增大。這里所說的飽和度是指試樣的初始飽和度,在不排水剪切過程中,試樣發(fā)生變形,飽和度會(huì)隨之變化,此時(shí)的含水率是保持不變的。即便這樣,相同的干密度下飽和度越低,吸力越大,非飽和土的黏聚力也就越大,抗剪強(qiáng)度也應(yīng)該越大。而圖1中的黏聚力并不是隨著飽和度的降低而增大的。主要原因是本次試驗(yàn)是不排氣情況下進(jìn)行的,可見,氣體對非飽和土的強(qiáng)度有很大影響。3.2土體剪切過程中的剪脹現(xiàn)象干密度為1.3、1.4g/cm3的三軸試驗(yàn)結(jié)果如圖3、4所示。圖3中,干密度為1.4g/cm3時(shí),飽和度在30%~70%間,試樣在剪切過程中發(fā)生了明顯的剪脹現(xiàn)象。當(dāng)土樣的飽和度為80%,圍壓為100kPa時(shí)也有剪脹發(fā)生。飽和度為70%,圍壓為400kPa或飽和度為80%,圍壓大于100kPa時(shí),土樣在剪切過程中并沒有發(fā)生剪脹。沒有發(fā)生剪脹的試樣最后通常是發(fā)生脹鼓破壞,而發(fā)生剪脹的試樣通常是沿一定傾角的破壞面剪切破壞。圖4中,當(dāng)干密度為1.3g/cm3時(shí),土樣飽和度為60%,圍壓大于100kPa后,試樣剪切過程中就不發(fā)生剪脹了。不發(fā)生剪脹的土樣破壞形式一般仍然為脹鼓破壞。4土體抗剪強(qiáng)度和變形的特征對于排氣剪切試驗(yàn),通常認(rèn)為,氣體與大氣相通,吸力ua-uw=-uw,其中ua為孔隙氣壓力,uw為孔隙水壓力。而對土樣進(jìn)行不排水、不排氣剪切試驗(yàn)時(shí),根據(jù)Fredlund等提出的非飽和土強(qiáng)度理論公式:式中:τf為非飽和土的抗剪強(qiáng)度;c′和?′為飽和土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo);σ-ua為凈應(yīng)力;?b為抗剪強(qiáng)度隨吸力而增加的速率。在不排氣情況下氣體對抗剪強(qiáng)度的作用是不容忽視的。氣體壓力隨圍壓及試樣的飽和度而變,不排氣情況下土體的基質(zhì)吸力與排氣情況下的也將不同。因此,孔隙氣將對土樣的抗剪強(qiáng)度和變形產(chǎn)生重要影響。試驗(yàn)在剪切過程中出現(xiàn)了明顯的剪脹,通常情況下緊密松砂和超固結(jié)黏土常表現(xiàn)為剪脹。而本次試驗(yàn)用土干密度比較小,分別為1.4、1.3g/cm3,且剪切前沒有進(jìn)行固結(jié)、排水、排氣。但仍然表現(xiàn)出了剪脹性。隨著干密度的減小,飽和度的增大,剪脹現(xiàn)象也逐漸消失。其實(shí),當(dāng)干密度減小,飽和度增大,則含水率也是不斷增大的。試樣中的氣體可能溶解于水,試樣中的氣體減小甚至消失,所以剪脹現(xiàn)象也就逐漸消失?？梢詳喽?土樣中的氣體是使土樣在剪切過程中產(chǎn)生剪脹現(xiàn)象的關(guān)鍵原因。5干密度對摩擦沖壓的影響(1)云南紅黏土的不排氣、不排水強(qiáng)度和土體中的氣體有很大關(guān)系。黏聚力隨著飽和度(含水率)的增大不是單調(diào)減小的,在飽和度60%左右出現(xiàn)峰值。內(nèi)摩擦角隨著飽和度(含水率)的增大而減小。黏聚力和內(nèi)摩擦角在相同的初始飽和度下,隨著干密度的增大而增大。(2)試樣在剪切過程中出現(xiàn)了先剪縮后剪脹的現(xiàn)象。隨著試樣的干密度減小,飽和度的增大,剪脹現(xiàn)象也逐漸消失。主要是因?yàn)樵?/p>