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        基于三軸試驗(yàn)的非飽和土抗剪強(qiáng)度影響因素分析

        2014-06-28 06:14:46鄧鐘尉
        城市勘測(cè) 2014年6期
        關(guān)鍵詞:粘聚力非飽和吸力

        鄧鐘尉

        (廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510060)

        1 引 言

        吸力[1]是非飽和土力學(xué)研究的基礎(chǔ)性課題,非飽和土土力學(xué)的各種理論(如強(qiáng)度、滲流、變形等)基本上都是圍繞吸力這一概念展開的,而對(duì)各種吸力的概念和本質(zhì)認(rèn)識(shí)的正確與否,直接影響到非飽和土有效應(yīng)力原理及抗剪強(qiáng)度理論的建立。非飽和土的物理參量具有多變性,而且氣液收縮膜的物理化學(xué)性質(zhì)也相當(dāng)復(fù)雜,因此,有關(guān)非飽和土的抗剪強(qiáng)度理論,學(xué)術(shù)界尚無法達(dá)成共識(shí),湯連生團(tuán)隊(duì)[2~5]的研究結(jié)果表明:基于濕吸力及結(jié)構(gòu)吸力的非飽和土有效應(yīng)力原理概念清晰,物理意義明確,初步闡明了A.W.Bishop 單應(yīng)力狀態(tài)變量[6,7]中參數(shù)χ 和D.G.Fredlund 雙應(yīng)力狀態(tài)變量[8,9]中tanФb 的物理意義,基于粒間吸力的非飽和土抗剪強(qiáng)度理論,一方面統(tǒng)一了前人的研究成果,另一方面避免了在研究非飽和土強(qiáng)度理論中存在的誤區(qū),逐漸為國內(nèi)外的眾多學(xué)者所接受。

        文獻(xiàn)[10~12]對(duì)濕吸力、結(jié)構(gòu)吸力分別與非飽和土含水量、飽和度、干密度、孔隙比等常用物性指標(biāo)或三相比例指標(biāo)間的關(guān)系進(jìn)行了研究,并進(jìn)行了定量計(jì)算,研究表明,非飽和土的抗剪強(qiáng)度受含水量、干密度和孔隙比的影響較大。本文將通過三軸剪切試驗(yàn),對(duì)不同含水量和干密度的重塑非飽和土進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,并對(duì)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,探討抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨含水量和干密度的變化規(guī)律。

        2 試驗(yàn)方法和試樣制作

        從理論上分析,在誤差范圍內(nèi),根據(jù)土的連續(xù)性和各向同性假設(shè),土體的物理狀態(tài)可以用水分狀態(tài)及密度狀態(tài)聯(lián)合表示。因此,本文用含水量w 和干密度ρ這兩個(gè)變量聯(lián)合表征非飽和土體的物理狀態(tài),而孔隙比e 可通過這兩個(gè)變量衍生出來,因此,本文只開展控制含水量w 和干密度ρ 的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。若控制土體的干密度為定值,改變土體含水量w,可塑造出飽和度不同的非飽和土;若控制土體的含水量w 為定值,改變土體的干密度,同樣可塑造出飽和度不同的非飽和土。把不同的水分狀態(tài)與密度狀態(tài)進(jìn)行組合,可得到飽和度不同的非飽和土,其抗剪強(qiáng)度的大小也有差異。

        試驗(yàn)土樣采用重塑非飽和土,采用TSZ-1 型應(yīng)變控制三軸儀,分別開展了控制含水量和干密度的不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)。

        2.1 試驗(yàn)方法

        本次試驗(yàn)分別在圍壓50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa下進(jìn)行,載荷加載速率為0.4 mm/min,為防止水分蒸發(fā),當(dāng)對(duì)第一個(gè)樣品進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),另外的樣品用保鮮膜包裹。試樣分別在50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa的圍壓下,逐漸加載豎向應(yīng)力,試樣每產(chǎn)生0.5%的軸向應(yīng)變,測(cè)計(jì)一次測(cè)力計(jì)讀數(shù)和軸向變形值,直到土樣破壞后者應(yīng)變達(dá)到特定的數(shù)值。記錄試樣破壞時(shí)軸向變形和主應(yīng)力差,試驗(yàn)結(jié)束后根據(jù)摩爾庫侖定律求得土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

        2.2 試樣制備

        試樣嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-1999)重塑土的制備程序進(jìn)行。試驗(yàn)土樣為圓柱形試樣,試樣尺寸直徑為39.1 mm,高為80 mm。試驗(yàn)用土的基本物理參數(shù)如表1 所示。

        試驗(yàn)用土的基本物理參數(shù)表 表1

        控制含水量試驗(yàn)的每個(gè)土樣干密度為1.70 g/cm3,制備含水量分別為5%、10%、15%、20%、25%的土樣。土樣的體積為3.91×8.0 cm3,則每個(gè)土樣中土的質(zhì)量為59.82 g,對(duì)應(yīng)水的質(zhì)量分別為:2.99 g、5.89 g、8.97 g、11.96 g、14.96 g??刂聘擅芏仍囼?yàn)的每個(gè)土樣含水量為10%,制備干密度分別為1.4 g/cm3、1.6 g/cm3、1.8 g/cm3、2.0 g/cm3的土 樣。由公式ρ=ρd(1+w)可求得對(duì)應(yīng)土樣密度值分別為1.54 g/cm3、1.76 g/cm3、1.98 g/cm3、2.20 g/cm3。土樣的體積為3.91×8.0 cm3,每組土樣對(duì)應(yīng)質(zhì)量為90.72 g、103.68 g、116.64 g、129.6 g。

        3 試驗(yàn)結(jié)果分析

        3.1 控制含水量的三軸試驗(yàn)結(jié)果分析

        試驗(yàn)結(jié)果如圖1~圖5 所示,由試驗(yàn)曲線可以看出,隨著含水量的增大,非飽和土的抗剪強(qiáng)度明顯減小,說明含水量對(duì)非飽和土強(qiáng)度有較大的影響。根據(jù)文獻(xiàn)[11]的計(jì)算結(jié)果,濕吸力隨含水量增大先遞增后遞減,結(jié)構(gòu)吸力隨含水量增大逐漸減小,在對(duì)應(yīng)的含水量區(qū)間內(nèi),粒間吸力(濕吸力和結(jié)構(gòu)吸力之和)隨著含水量的增大逐漸減小,因此,在相同的圍壓和主應(yīng)力作用下,土體的有效應(yīng)力減小,從而導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度降低,理論分析和試驗(yàn)結(jié)果是相吻合的。

        在圍壓較小時(shí)(50 kPa、100 kPa),應(yīng)力-應(yīng)變曲線都呈現(xiàn)應(yīng)變軟化的特點(diǎn),含水量越低,應(yīng)變軟化的特性越明顯,如圖1 和圖2 所示。隨著含水量的增大,尤其是含水量增大到最佳含水量附近(w=15%、w=20%)時(shí),除圍壓50 kPa以外,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均呈現(xiàn)應(yīng)變硬化的特點(diǎn),如圖3 和圖4 所示,說明最佳含水量是應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系從軟化轉(zhuǎn)為硬化的臨界點(diǎn)。當(dāng)含水量進(jìn)一步增大到接近飽和時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線又轉(zhuǎn)為應(yīng)變軟化,如圖5 所示。

        圖1 含水量w=5%軸向應(yīng)變-主應(yīng)力差曲線

        圖2 含水量w=10%軸向應(yīng)變-主應(yīng)力差曲線

        圖3 含水量w=15%軸向應(yīng)變-主應(yīng)力差曲線

        圖4 含水量w=20%軸向應(yīng)變-主應(yīng)力差曲線

        圖5 含水量w=25%軸向應(yīng)變-主應(yīng)力差曲線

        由于直接確定強(qiáng)度包線與摩爾圓的切點(diǎn)坐標(biāo)存在困難,因此本文以主應(yīng)力差的峰值為破壞點(diǎn),當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有峰值時(shí),取軸向應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)的主應(yīng)力差為破壞點(diǎn)。不同含水量狀態(tài)下,剪應(yīng)力-主應(yīng)力關(guān)系曲線如圖6 所示。根據(jù)線性擬合結(jié)果,可求得線性擬合方程參數(shù)c*和φ*,如表2 所示:

        圖6 控制含水量的剪應(yīng)力-主應(yīng)力關(guān)系曲線

        不同含水量下三軸試驗(yàn)強(qiáng)度參數(shù) 表2

        抗剪強(qiáng)度參數(shù)和線性擬合參數(shù)間的關(guān)系如圖7 所示,根據(jù)幾何關(guān)系可得:

        sinφ=tanφ*(1)

        c/tanφ=c*/tanφ*(2)

        整理得:

        φ=arcsin(tanφ*)(3)

        c=c*/cosφ(4)

        根據(jù)式(3)、式(4)及圖7 線性擬合結(jié)果,可得不同含水量下土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c 和φ,如表2 所示。

        圖7 抗剪強(qiáng)度參數(shù)和線性擬合參數(shù)關(guān)系圖

        整理抗剪強(qiáng)度參數(shù)c 和φ 時(shí)發(fā)現(xiàn),粘聚力c 隨含水量增大呈指數(shù)遞減,內(nèi)摩擦角φ 隨含水量增大呈線性遞減,如圖8 和圖9 所示。根據(jù)非飽和土粘聚力的產(chǎn)生機(jī)制,粘聚力c 主要由原始粘聚力、固化粘聚力和毛細(xì)粘聚力組成,根據(jù)三者與含水量w 之間的變化關(guān)系,從濕吸力和結(jié)構(gòu)吸力的角度分析,粘聚力隨含水量的增大而逐漸單調(diào)減?。?0~11],這與三軸試驗(yàn)結(jié)果相符合。內(nèi)摩擦角主要由土顆粒表面摩擦力與土顆粒之間的咬合力產(chǎn)生的,隨著含水量的增大,由于水的潤滑作用,土顆粒之間表面摩擦力和咬合力減小,因而內(nèi)摩擦角逐漸變小,由于土顆粒之間的相對(duì)滑動(dòng)受含水量變化影響較小,所以內(nèi)摩擦角的變化幅度比內(nèi)粘聚力小。

        圖8 粘聚力c 隨含水量w 變化關(guān)系曲線

        圖9 內(nèi)摩擦角φ 隨含水量w 變化關(guān)系曲線

        3.2 控制干密度的三軸試驗(yàn)結(jié)果分析

        試驗(yàn)結(jié)果如圖10~圖13 所示,由試驗(yàn)曲線可以看出,隨著干密度的增大,非飽和土的抗剪強(qiáng)度明顯增大,說明干密度對(duì)非飽和土強(qiáng)度有較大的影響。隨著土體干密度的增大,單位體積土體內(nèi)的土顆粒數(shù)目增加,單位面積土體上的接觸點(diǎn)數(shù)目隨之增多,濕吸力和結(jié)構(gòu)吸力增大,從而使土體內(nèi)的有效應(yīng)力增大,土體的抗剪強(qiáng)度隨之增大,理論分析和試驗(yàn)結(jié)果是相吻合的。

        在干密度較小時(shí)(1.4 g/cm3、1.6 g/cm3),應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化的特點(diǎn),干密度越小,應(yīng)變硬化的特性越明顯,如圖10 和圖11 所示。隨著干密度的增大,尤其是干密度增大到最大干密度附近(1.8 g/cm3)時(shí),除圍壓50 kPa以外,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均呈現(xiàn)應(yīng)變軟化的特點(diǎn),如圖12 所示,說明最大干密度是應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系從硬化轉(zhuǎn)為軟化的臨界點(diǎn)。當(dāng)干密度大于最大干密度時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線又轉(zhuǎn)為應(yīng)變軟化,如圖13 所示。

        圖10 干密度ρd=1.4 g/m3軸向應(yīng)變-主應(yīng)力差曲線

        圖11 干密度ρd=1.6 g/m3軸向應(yīng)變-主應(yīng)力差曲線

        圖12 干密度ρd=1.8 g/m3軸向應(yīng)變-主應(yīng)力差曲線

        圖13 干密度ρd=2.0 g/m3軸向應(yīng)變-主應(yīng)力差曲線

        不同含水量狀態(tài)下,剪應(yīng)力-主應(yīng)力關(guān)系曲線如圖14 所示。根據(jù)線性擬合結(jié)果,可求得線性擬合方程參數(shù)c*和φ*,如表3 所示:

        圖14 不同干密度下剪應(yīng)力-主應(yīng)力關(guān)系曲線

        根據(jù)式(3)、式(4)及圖15 線性擬合結(jié)果,可得不同含水量下土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c 和φ,如表3 所示。

        不同干密度下三軸試驗(yàn)強(qiáng)度參數(shù)表 表3

        粘聚力c 和內(nèi)摩擦角φ 均隨干密度的增大呈線性增大,但內(nèi)摩擦角變化的幅度較小,如圖15 和圖16 所示。干密度越大,單位體積土體內(nèi)土顆粒數(shù)目越多,單位面積接觸點(diǎn)數(shù)目越多,從而導(dǎo)致濕吸力增大,原始粘聚力隨之增大;同理,結(jié)構(gòu)吸力也隨單位面積接觸點(diǎn)數(shù)的增多而增大,導(dǎo)致固化粘聚力也隨之增大;因此,土體粘聚力c 隨著干密度的增大而遞增。

        內(nèi)摩擦角φ 隨著干密度變化的趨勢(shì)與粘聚力較相似,主要原因是隨著干密度的增大,單位體積土體內(nèi)的土顆粒數(shù)目增多,土顆粒之間相互嵌套,土顆粒之間的相互連接和咬合更為緊密,連鎖作用增強(qiáng),從而導(dǎo)致內(nèi)摩擦角增大。

        圖15 粘聚力c 隨干密度ρd變化關(guān)系曲線

        圖16 內(nèi)摩擦角φ 隨干密度ρd變化關(guān)系曲線

        4 結(jié) 論

        本文從室內(nèi)試驗(yàn)的角度出發(fā),研究了非飽和土抗剪強(qiáng)度與土體含水率和干密度的關(guān)系,研究結(jié)果表明:在外應(yīng)力相同的情況下,隨含水量的增大,土體的抗剪強(qiáng)度單調(diào)遞減;隨干密度的增大,試樣的抗剪強(qiáng)度單調(diào)遞增。最佳含水量是應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系從軟化轉(zhuǎn)為硬化的臨界點(diǎn);最大干密度是應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系從硬化轉(zhuǎn)為軟化的臨界點(diǎn)。

        隨含水量的增大,非飽和土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)粘聚力呈指數(shù)遞減,內(nèi)摩擦角呈線性遞減;隨干密度的增大,粘聚力和內(nèi)摩擦角均呈線性增大,但內(nèi)摩擦角變化的幅度較小。

        該試驗(yàn)研究結(jié)果成功解釋了“在一定的土體含水率變化范圍內(nèi),非飽和土的強(qiáng)度隨含水率的增加而先增大后減小”的事實(shí)。

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        [3]湯連生.結(jié)構(gòu)吸力及非飽和土的總有效應(yīng)力原理探討[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào),2000,39(6):95~100.

        [4]湯連生.從粒間吸力特性再認(rèn)識(shí)非飽和土的抗剪強(qiáng)度理論[J].巖土工程學(xué)報(bào),2001,23(4)

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