非飽和土的吸力與強度理論研究及其試驗驗證.pdf

1、本文基于理論分析，對于非飽和的理想顆粒組成體系建立了吸力理論與強度理論，并試圖利用這些理論闡明實際非飽和土的強度特性，進而采用非飽和土的試驗研究對所提出的基本概念與理論體系進行驗證，為非飽和土的工程特性及其本構模型研究奠定基礎。研究工作主要包括下列內容。 1.在水封閉情況下，基于圓形彎液面假設、接觸角協(xié)調性要求和熱力學基本理論，針對規(guī)則等直徑球形顆粒建立了顆粒間彎液面方程，運用迭代法對這一非線性方程組進行了求解，進而確定了理論意

2、義上的基質吸力?；|吸力實際上是一個分布面力，其總體作用效應同時包括面力的大小及其作用面積兩個因素。將作用于顆粒局部表面積上的基質吸力在整個顆粒表面上進行平均后作為等效基質吸力。進一步地，類似于描述吸力與飽和度之間關系的土—水特征曲線，將等效基質吸力與飽和度之間的關系曲線定義為廣義土—水特征曲線。基于最松散堆積狀態(tài)的理想模型分析表明，與基質吸力相比，由于考慮了面積效應，等效基質吸力較小，且隨飽和度的變化并不象基質吸力那樣十分顯著；無論基

3、質吸力還是等效基質吸力，均隨顆粒空間排列間隙的增大而迅速減??；另外，土—水特征曲線和廣義土—水特征曲線都依賴于孔隙水與固體顆粒之間接觸角的變化。 2.目前，普遍接受的非飽和土分類方法把非飽和土分為水封閉、雙開敞和氣封閉等三類。液體表面存在表面張力作用，液面在顆粒表面的搭接使得表面張力對顆粒產生拉結作用。這種拉結作用類似于基質吸力的作用，但與基質吸力是兩個完全不同的概念，其在基質吸力作用面積上的等效作用定義為張力吸力?？紫端畯澮好?/p>

4、與土顆粒表面是否搭接決定了這種張力吸力存在與否。因此根據(jù)孔隙水彎液面與土顆粒表面的搭接狀態(tài)，將雙開敞非飽和土細分為搭接雙開敞非飽和土和不搭接雙開敞非飽和土。在水封閉非飽和土和搭接雙開敞非飽和土中，由于孔隙水彎液面搭接在顆粒表面上，同時存在基質吸力與張力吸力，因此在本質上可以將這兩類非飽和土歸并為搭接非飽和土。類似地，在不搭接雙開敞非飽和土和氣封閉非飽和土中，由于孔隙水彎液面與顆粒表面不搭接，此時可能存在或不存在基質吸力，依賴于孔隙水的狀

5、態(tài)，但一定不會存在張力吸力，因此在本質上可以將這兩類非飽和土合并為不搭接非飽和土。根據(jù)張力吸力存在的可能性，非飽和土可以分為搭接非飽和土和不搭接非飽和土兩種體系。這種分類體系將非飽和土的孔隙形態(tài)與相間相互作用機理相聯(lián)系，因而具有更嚴密的科學基礎。 3.為了考察非飽和土的吸力特性，針對水封閉條件下規(guī)則等直徑球形顆粒最松散堆積狀態(tài)和最緊密堆積狀態(tài)，根據(jù)熱力學理論與幾何關系，通過理論分析，分別建立了基質吸力與張力吸力的理論算式。同時為

6、了揭示張力吸力和基質吸力之間的相對關系，將張力吸力與基質吸力之比定義為吸力比。在顆粒間距為0的條件下針對不同的飽和半徑計算了這兩種吸力，并對此進行了分析，通過計算考察了吸力比對于飽和半徑或飽和度的依賴性。計算表明，在水封閉狀態(tài)，吸力比遠遠大于0，而且在多數(shù)情況下一般大于1。將此結果推廣到一般非飽和土得出：在水封閉非飽和土中，和基質吸力一樣，張力吸力的作用是不容忽略的。基于球形顆粒最松散堆積狀態(tài)，基于曲線擬合分別建立了吸力比與飽和半徑之間

7、的指數(shù)型經驗關系、吸力比與飽和度之間的非線性關系。進一步地，將基質吸力與張力吸力之和定義為合吸力，同時考慮作用面積效應，建立了等效張力吸力和等效合吸力。在水封閉狀態(tài)，隨著飽和度的增大，等效基質吸力減小，等效張力吸力增大，等效合吸力變化不大。 4.基于理想化顆粒排列模型，建立了水封閉狀態(tài)、搭接雙開敞狀態(tài)和不搭接雙開敞狀態(tài)三者之間的臨界條件。進一步地，針對搭接雙開敞狀態(tài)，在不同接觸角情況下，通過計算探討了基質吸力和張力吸力特性，得到

8、了基質吸力和張力吸力及其相應等效吸力隨飽和度的變化規(guī)律。由此發(fā)現(xiàn)：在搭接雙開敞階段，張力吸力高于基質吸力；兩種吸力均隨飽和度的增大而迅速降低，其中基質吸力在不太高的飽和度(約30％左右)條件下消失；張力吸力在基質吸力已經消失的情況下仍然會發(fā)揮一段作用，此時成為合吸力的唯一來源，但在飽和度約為35～45％時也將全部消失。各種吸力隨著孔隙液體與顆粒之間接觸角的增大顯著地變化，因此上述吸力概念及其確定方法能夠在一定程度上反映顆粒的礦物成分對各

9、種吸力及土—水特征曲線的影響。考慮到當飽和度未超過水封閉狀態(tài)和搭接雙開敞狀態(tài)之間的臨界飽和度之前，液面與顆粒表面的搭結長度隨著飽和度的增大而增大，而當飽和度超過水封閉狀態(tài)和搭接雙開敞狀態(tài)之間的臨界飽和度之后，液面與顆粒表面的搭結長度隨著飽和度的增大而迅速減小，因此，隨飽和度增大，這個水封閉狀態(tài)與搭接雙開敞狀態(tài)之間的臨界點是張力吸力由增大變?yōu)闇p小的轉折點。隨著含水量從0逐步增大到100％，等效基質吸力隨飽和度增加而單調地減小，等效張力吸力

10、則先隨飽和度的增加而增大，當超過水封閉狀態(tài)和搭接雙開敞狀態(tài)之間臨界點之后，等效張力吸力則隨飽和度的增大而減小直至完全消失。 5.對于理想排列的單元體系，分別針對存在顆粒缺位和沒有顆粒缺位兩種情況下分析了外加平均均等壓力和粒間吸引力對變形和強度的作用效應。由此表明，在沒有顆粒缺位的理想條件下，Bishop假設是成立的。而在存在顆粒缺位的條件下，與粒間吸引力作用效應相比，外加平均均等壓力對粒間摩擦力、咬合力及體變的貢獻較大。但是，考

11、慮到目前實驗與測試技術的局限性，定量地探討這兩種作用力對松散介質變形和強度的影響及其相互關系還是非常困難的。因此，這里在分析各種吸力對非飽和土工程性質的影響時仍然借助Bishop的等效性假設?？紤]到在線性Mohr-Coulomb破壞準則中抗剪強度線性地依賴于周圍的約束壓力，因此可以認為等效吸力對強度的貢獻也是線性的。當考慮了作用面積的效應之后，張力吸力和基質吸力對強度的貢獻可以合并為等效合吸力對強度的貢獻。由于張力吸力和兩種吸力的作用面

12、積無法直接測定，因此為了確定等效合吸力，必須首先建立等效合吸力與基質吸力之間的相互關系。根據(jù)理論分析與計算結果，通過曲線擬合，得到了各種非飽和狀態(tài)下球形顆粒最松散堆積時的等效合吸力與基質吸力之間的經驗關系。對于水封閉非飽和狀態(tài)，等效合吸力線性地依賴于基質吸力，于是可以采用線性方程表達抗剪強度對于基質吸力的依賴關系。對于搭接雙開敞非飽和狀態(tài)，當既使不存在基質吸力時，由于張力吸力的作用，使得等效合吸力并不為0，因此在等效合吸力與基質吸力之間

13、的線性關系中含有一定初始截距，從而抗剪強度與基質吸力之間的關系可以采用含有一定截距的斜直線近似地表示。對于不搭接非飽和狀態(tài)，不存在相間吸力，非飽和性對強度沒有任何影響。 6.根據(jù)正交試驗原理，分別對重塑黃土和南陽膨脹土的非飽和三軸剪切試驗結果、重塑Madrid灰粘土的非飽和直剪試驗結果、重塑西安黃土的非飽和抗壓試驗結果進行了正交分析，以此論證了非飽和土強度對于凈正應力和基質吸力依賴性的相互獨立性，因此可以認為凈正應力和基質吸力對

14、非飽和土強度的貢獻沒有耦合或交互作用，因而可以單獨探討凈正應力和基質吸力對強度的貢獻，并將這兩部分效應直接通過代數(shù)疊加確定非飽和土的總體強度。根據(jù)理想模型中基質吸力與等效合吸力之間的依存關系，在飽和度由0至100％之間的變化范圍內，非飽和狀態(tài)可以劃分為水封閉和搭接雙開敞狀態(tài)(廣義的搭接非飽和狀態(tài))、不搭接雙開敞和氣封閉狀態(tài)(廣義的不搭接非飽和狀態(tài))等2類，進一步地根據(jù)各個狀態(tài)下基質吸力與張力吸力的存在性及其依存關系和強度對于吸力的線性依

15、賴關系中的斜率，非飽和土的強度可劃分為水封閉直線階段、搭接雙開敞直線階段(基質吸力與張力吸力始終同時存在)、搭接雙開敞中階梯階段(基質吸力不存在而張力吸力始終存在)、不搭接雙開敞常數(shù)階段等4個階段?？紤]到實際中土顆粒大小的非均等性、顆粒形狀的不規(guī)則性、顆粒級配的多樣性和顆粒礦物成分的復雜性及多變性，以基質吸力為基本參數(shù)，建議了連續(xù)和可導的非飽和土強度公式。由于張力吸力的存在，在基質吸力消失的情況下，強度對于基質吸力的導數(shù)可能為無窮大；同

16、時考慮到在水封閉狀態(tài)下等效合吸力對于基質吸力的線性依賴性，因此此時強度曲線應存在一條斜的漸近線。鑒于土的強度一般認為由凝聚分量、咬合分量和摩擦分量三部分組成，凝聚分量和咬合分量由土本身的性質決定，而摩擦分量依賴于外加正應力或基質吸力和張力吸力，因此基于理想化模型建立起來的土的非飽和性對強度的貢獻可以應用于真實的土體。 7.為了驗證所提出的上述非飽和土吸力理論和強度理論的正確性和合理性，利用普通三軸剪切試驗儀、壓力板儀和GDS非飽

17、和土三軸儀，針對飽和土、高飽和度非飽和土、自然風干的低飽和度非飽和土，設計并進行了一定量的試驗，以此探討了高飽和度和低飽和度或水封閉兩種極端狀態(tài)下非飽和土的強度特征和破壞特點。試驗表明，在高飽和度條件下，非飽和土的吸力摩擦角大于與凈正應力對應的摩擦角；在低飽和度或水封閉條件下，強度基本上隨基質吸力的增加線性地增大。由此可以論證，在非飽和土中，除了基質吸力之外，還存在一種額外內力對強度產生影響，可以認為是張力吸力。通過觀察試樣宏觀破壞形態(tài)