非饱和土的力学特性试验研究

非饱和土的力学特性试验研究

1土-水特征曲线的测量在研究非饱和土壤强度和变形时，可通过吸收力作为变量研究非饱和土壤强度的力学性质。测量吸力的方法很多,然而,对于复杂应力路径或者实际工程应用,吸力的测量比较困难,且非常复杂。许多学者把土-水特征曲线引入到非饱和土的强度和变形计算中,取得了很好的成果。然而土-水特征曲线存在明显的滞回效应,且土-水特征曲线的测量也需要很长时间。把饱和度或含水率直接引入到非饱和土的强度或变形计算中,可以避免吸力的测量,并且满足工程应用需要。相应的模型参数测量和验证也可以在常规土工试验仪器上进行。对土石坝心墙料的施工过程用不排气、不排水剪切试验模拟更符合实际情况。一些饱和度较高的天然土体中含有甲烷等不易溶于水的气体,此时的土体强度和变形特性也应该采用不排水、不排气剪切试验进行模拟。对不同干密度,不同饱和度的云南红黏土试样进行不固结不排气、不排水三轴试验。探讨其应力、应变及强度特性,并进行了分析和总结。2试验计划2.1试验土壤试验用土采自云南昆明,是典型的云南红土。将原土晒干,碾碎,过2mm筛,取细粒部分作为本次试验用土,试验用土的基本性质及级配见表1。2.2试样的施加和样品的制备试验在稍加改进的常规饱和土三轴仪上进行,改进部分主要是用来测量非饱和土试样在剪切过程中的体积变形。试样的体积变形由进入或排出压力室的水的体积确定。整个试验过程不需要测量吸力。具体的改进方法在文献中已经进行了详细描述。与文献稍有不同的是:本次试验进行的是不排气、不排水剪切试验,在试验过程中,与试样连接的排水阀始终保持关闭状态。对试样施加围压后,体变管中的油水交界面会出现波动,当油水交界面固定不动后才能施加竖向荷载。试样的剪切速率为0.036mm/min,围压设定为4个等级,即:100,200,300,400kPa。本次试验共制备了2个干密度下6个饱和度的非饱和三轴试样。饱和度分别为:30%、40%、50%、60%、70%、80%。干密度分别为1.3、1.4g/cm3共12组,48个试样。试验前先根据计算出的不同的饱和度所需的含水率配置散状土样,把土样放到密闭容器中密封起来,放置24h以上,以便土壤中的水分分布均匀。土样分5层击实,试样的直径、高分别为:3.91cm,8cm。试样制好后在密闭容器中静置12h以上。然后开始进行三轴不排气、不排水剪切试验。3试验结果的分析3.1含水率对黏聚力的影响在控制吸力的非饱和土强度试验中,非饱和土试样的强度随着饱和度(含水率)Sr的增大而减小,黏聚力随着干密度的增大是不断增大的,而内摩擦角则随干密度的变化基本保持不变。在非饱和土的排气、不排水剪试验中,黏聚力和内摩擦角都随着含水率的增大而减小,且近似成线性关系。如图1所示,在云南红黏土的不排水、不排气试验中,黏聚力随饱和度(含水率)的增大不再呈线性变化。在饱和度为60%时,出现峰值。试验结果与文献相类似。图2中,内摩擦角随着饱和度的增大是减小的,但也并不是标准的线性关系。相同的饱和度下,黏聚力和内摩擦角随着干密度的增大而增大。这里所说的饱和度是指试样的初始饱和度,在不排水剪切过程中,试样发生变形,饱和度会随之变化,此时的含水率是保持不变的。即便这样,相同的干密度下饱和度越低,吸力越大,非饱和土的黏聚力也就越大,抗剪强度也应该越大。而图1中的黏聚力并不是随着饱和度的降低而增大的。主要原因是本次试验是不排气情况下进行的,可见,气体对非饱和土的强度有很大影响。3.2土体剪切过程中的剪胀现象干密度为1.3、1.4g/cm3的三轴试验结果如图3、4所示。图3中,干密度为1.4g/cm3时,饱和度在30%~70%间,试样在剪切过程中发生了明显的剪胀现象。当土样的饱和度为80%,围压为100kPa时也有剪胀发生。饱和度为70%,围压为400kPa或饱和度为80%,围压大于100kPa时,土样在剪切过程中并没有发生剪胀。没有发生剪胀的试样最后通常是发生胀鼓破坏,而发生剪胀的试样通常是沿一定倾角的破坏面剪切破坏。图4中,当干密度为1.3g/cm3时,土样饱和度为60%,围压大于100kPa后,试样剪切过程中就不发生剪胀了。不发生剪胀的土样破坏形式一般仍然为胀鼓破坏。4土体抗剪强度和变形的特征对于排气剪切试验,通常认为,气体与大气相通,吸力ua-uw=-uw,其中ua为孔隙气压力,uw为孔隙水压力。而对土样进行不排水、不排气剪切试验时,根据Fredlund等提出的非饱和土强度理论公式:式中:τf为非饱和土的抗剪强度;c′和ϕ′为饱和土的抗剪强度指标;σ-ua为净应力;ϕb为抗剪强度随吸力而增加的速率。在不排气情况下气体对抗剪强度的作用是不容忽视的。气体压力随围压及试样的饱和度而变,不排气情况下土体的基质吸力与排气情况下的也将不同。因此,孔隙气将对土样的抗剪强度和变形产生重要影响。试验在剪切过程中出现了明显的剪胀,通常情况下紧密松砂和超固结黏土常表现为剪胀。而本次试验用土干密度比较小,分别为1.4、1.3g/cm3,且剪切前没有进行固结、排水、排气。但仍然表现出了剪胀性。随着干密度的减小,饱和度的增大,剪胀现象也逐渐消失。其实,当干密度减小,饱和度增大,则含水率也是不断增大的。试样中的气体可能溶解于水,试样中的气体减小甚至消失,所以剪胀现象也就逐渐消失。可以断定,土样中的气体是使土样在剪切过程中产生剪胀现象的关键原因。5干密度对摩擦冲压的影响(1)云南红黏土的不排气、不排水强度和土体中的气体有很大关系。黏聚力随着饱和度(含水率)的增大不是单调减小的,在饱和度60%左右出现峰值。内摩擦角随着饱和度(含水率)的增大而减小。黏聚力和内摩擦角在相同的初始饱和度下,随着干密度的增大而增大。(2)试样在剪切过程中出现了先剪缩后剪胀的现象。随着试样的干密度减小,饱和度的增大,剪胀现象也逐渐消失。主要是因为试