非饱和含粘砂土的三轴试验研究

非饱和含粘砂土的三轴试验研究

1种三轴排水剪切试验试验用土采用广（州）佛（山）高速扩建工程基块填充。击实试验测得该土最大干密度为1.97g/cm3,最优含水率为13.5%。试验干密度采用压实度为94%,即干密度等于1.85g/cm3。试样物理力学指标见表1。试验设备采用后勤工程学院研制的多功能土工三轴仪器。该仪器采用模块结构,可作饱和土、非饱和土、特殊土30多种试验。共作了3种应力路径的三轴排水剪切试验:①3个吸力(s=ua-uw)等于常数,净平均应力(p=(σ1+2σ3-3ua)/3)增大的各向同性压缩试验。控制吸力分别为50,100,200kPa,净平均应力分级施加,试验终止时的净平均应力依次为350,350,200kPa。②3个净平均应力等于常数,吸力增大的三轴收缩试验。控制净平均应力分别为25,50,100kPa,吸力分级施加,试验终止时的吸力依次为350,350,300kPa。③净室压力(p=σ3-ua)和吸力都控制为常数的三轴排水剪切试验。控制净室压力分别为100,200,300kPa,吸力分别控制为0,50,100,200kPa。在排水剪切试验中,孔隙水压力等于0kPa,因而试验时只需控制总室压力和气压力为常数即可。这样,共做了18个三轴排水剪切试验。前两种试验和剪切试验的固结阶段稳定的标准是体变在2h内不超过0.0063cm3,并且排水量在2h内不超过0.012cm3;三轴剪切试验的剪切速率为0.0066mm/min。2试验结果的分析2.1弹性区的范围各向同性压缩试验和三轴收缩试验的体变和排水量的量测值可在试验过程中直接读出;另一方面,由试样的初始含水量和最终含水量之差,可以算出试样的实际排水量。根据算得的实际排水量对量测值进行校正,相关数据列于表2。由表2可以看出,三轴收缩试验的体变和排水量比各向同性压缩试验的体变和排水量高出1倍左右。图1是控制吸力的各向同性压缩试验的v-logp关系图。同一试样的试验点近似位于两条相交的直线段上,两直线的交点可作为屈服点,屈服点的净平均应力就是屈服应力。由此确定的不同吸力下的屈服应力列于表3。可见,随吸力提高,屈服应力增大。把屈服点绘在p-s平面上,连接这些屈服点得到的曲线称为LC曲线。LC曲线与p轴的交点就是饱和土的屈服应力,也是LC曲线的下限。荷载增大不仅能使土屈服,而且吸力增加也能使土屈服。因此描述非饱和土的体变屈服性状,在p-s平面上需要两条屈服线:加载湿陷屈服线(LC)和吸力增加屈服线(SI),这两条曲线与坐标轴包围的区域是弹性区。位于弹性区的应力点在吸力增加达到SI曲线时土就发生屈服。针对吸力增加屈服,ALONSO及陈正汉等提出了不同的屈服条件。ALONSO等提出的吸力增加屈服条件是:s=s0=const,(1)式中:s0是土在历史上曾经受到的最大吸力。陈正汉等提出的修正吸力增加屈服条件是:s=sy=const,(2)式中:sy是屈服吸力,可由净总应力等于0的常规收缩试验确定。图2是本次研究的控制净平均应力的三轴收缩试验的v-logs关系图。与图1相似,同一试样的试验点近似位于两相交的直线段上,由此确定的屈服吸力列于表4。由交点确定的相应与净平均应力等于25,50,100kPa的屈服吸力很接近,约为127kPa,大于试样曾受到的最大吸力(s=45kPa)。可见,ALONSO等人提出的吸力增加屈服条件(式(1))并不符合本文研究的非饱和含粘砂土的实际情况,而陈正汉等提出的修正吸力增加的屈服条件(式(2))对该土比较适用。图3即为由控制吸力的各向同性压缩试验和控制净平均应力的三轴收缩试验确定的加载湿陷屈服线和吸力增加屈服线。由sy≥s0,可知新的屈服条件扩大了弹性区的范围。收缩性指标和水量变化指标如表3和表4所示,求解方法参见文献。2.2结果表明，三轴排水修剪的结果是控制吸收力和净压为常数的2.2.1净围压对应力-应变关系的影响重塑非饱和含粘砂土的偏应力-轴向应变和体积应变-轴向应变关系曲线分别如图4和图5所示。以往研究表明:对于松砂,其应力–应变关系曲线基本是应变硬化型;对于密砂,其应力-应变关系曲线是应变软化型。对于非饱和含粘砂土,由图4可见,在低吸力、低围压情况下,随着净围压增大,其应力-应变曲线由应变软化向硬化型转变。在高吸力、围压增加到300kPa时,出现脆性破坏。由图4可以看出,非饱和土抗剪强度高于饱和土抗剪强度;随吸力的增大,抗剪强度明显增大。相同吸力条件下,随净围压增大,抗剪强度也明显增大。对于砂土而言,剪胀性与砂土的密实度和围压密切相关。由图5(a)可以看出,在较低吸力(s=50kPa)情况下,曲线可分为3段:体积随应变减小段;体积随应变基本不变段;体积随应变增大段。试样呈明显的剪缩特性,随着围压增大,剪缩性增强。曲线后部体积变化随应变增大,但剪胀不是很明显,对比应力-应变曲线分析,变化点大概为试样应力峰值对应的应变点,可认为是试验屈服破坏后体积发生剪胀。比较图5(b)、(c)与(a)可知,吸力增大,剪胀性明显增强。总体比较,随σ3的升高,剪胀开始时的轴向应变减小,剪胀性减小。2.2.2控制吸力试验参数的确定针对不同的破坏形式选用相应的破坏标准。对塑性破坏,取轴应变εa=15%时的应力为破坏应力;对脆性破坏,取(σ1-σ3)-εa曲线上的峰值点对应的应力为破坏应力。9个三轴剪切试验的破坏应力及强度参数列于表5中。强度参数可由p-q平面内的强度包络线求得,由图6可以得到,吸力相同的一组试验点落在一条直线上,可用下式表达:qf=ξ+pftanῶ,(3)式中:ξ和tanῶ分别是直线的截距和斜率,用最小二乘法确定。土的有效内摩擦角从下式求得:sinφ′=3tanῶ/(6+tanῶ)。(4)由表5可见,在试验的吸力范围内,对同一个干密度试验,φ′变化不大,与饱和土的有效内摩擦角相当接近。土的粘聚力c由下式给出:c=3−sinφ′6cosφ′ξ′c=3-sinφ′6cosφ′ξ′。(5)由式(4)、(5)可计算出土的粘聚力c,其值列于表5中。从表5中可以看出,控制吸力试验的粘聚力c随吸力增大而增大,而内摩擦角几乎没有变化,相应的关系如图7所示。图7表明试样的c-s关系可近似看做线性的。采用FREDLUND等提出的非饱和土抗剪强度理论公式:τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb,(6)式中:c′和φ′为饱和土的抗剪强度指标;σ-ua是净竖向应力;ua-uw为吸力;φb表示抗剪强度随吸力而增加的速率。3非饱和含粘砂的力学性质1)控制吸力的各向同性压缩试验和控制净平均应力的三轴收缩试验结果表明:屈服净平均应力和偏应力随吸力的提高而增大;吸力增加屈服所需要的吸力是一常数但不等于土在历史上曾受过的最大吸力;初步验证了陈正汉等建议的吸力增加屈服条件。2)重塑非饱和含粘砂土的应力-应变曲线随着净围压增大由软化向硬化型转变,在高吸力高围压情况下,呈现脆性破坏。3)控制吸力和净围压的三轴排水剪切试验在p-q平面内的强度包络线为直线;在试验研究的吸力范围(50～200kPa)内,重塑非饱和含粘砂土的粘聚力随吸力线性增加;内摩擦角随吸力的变化很小,可以认为是一常数。4)重塑非饱和含粘砂土胀缩特性不仅取决于干密度及围压,而且还与吸力密切相关。随吸力增大剪胀特性增强;随σ3的升高,剪胀性减小。路基土大都处于非饱和状态,其变形强度受气候变化(主要指水分迁移,即降雨入渗、蒸发干燥)影响很大,可能产生不可忽视的沉降及水平位移,是引起路面不均匀沉降以至开裂的主要因素。随着我国经济的发展,工程建设规模不断扩大,各地的高速公路建设日新月异,因此面临的非饱和土问题越来越多。以往对路基土的变形和稳定性问题按饱和土处理,漠视了其三相性,不能反映吸力的影响;对砂土主要从应力路径密度和压力等方面进行研究忽视了吸力对其变形和强度的贡献近年来,非饱和土力学取得长足发展,其理论和方法为研究土的工程特性和变形稳定提供了新途径。如陈正汉等采用非饱和土的观点和方法探讨重塑黄土的变形、强度、屈服、水量变化特性,取得了大量资料,