高吸力及低应力下非饱和土的强度和变形特性

发布时间：2020-09-18 06:43

　　岩土工程实践中经常会遇到非饱和土,在非饱和土的力学性质研究中,如何合理的考虑吸力的影响是问题的关键。从土体中孔隙水作用的物理机制来看,吸力可以明确的区分为毛细作用和吸附作用。当前对吸力的认识和使用存在误解,目前流行的非饱和土研究中,往往将吸力直接同毛细作用相对应。这导致吸力好像在整个变化范围内均表现为毛细作用,而忽略了这一概念本身所包含的吸附作用。这直接导致对非饱和土的性质和行为中吸力作用的认识存在偏差,同时少有研究关注高吸力、吸附作用占优时土体的强度和变形特性。当前岩土力学理论大都着眼于较大压应力下土体的强度和变形特性,其中土体破坏多是基于压剪作用,剪切时应力和变形的描述大多局限于应变硬化和体缩现象。然而,实际工程问题中土体常处在低应力及拉应力作用下,土体破坏可能基于拉剪、压剪等不同的破坏模式,剪切时应力和变形多表现为峰后软化和剪胀现象。此时,基于较大压应力作用给出的土力学理论难以适用,需要建立合理的破坏包线准则以及剪切时应力-应变关系模型,以期能更准确的描述实际工况。本文针对高吸力及低应力下非饱和土的强度和变形特性,主要研究内容包括:(1)基于对非饱和土中孔隙水毛细和吸附作用的区分,得到了一种机理明确的非饱和土抗剪强度模型。首先,假定两种非饱和土的特殊状态,即只存在毛细作用的理想毛细状态和只存在吸附作用的理想吸附状态,分别给出了这两种理想状态的抗剪强度模型。利用二元介质模型,认为非饱和土中土-水作用是由这两种理想状态的不同权重组合而成,建立了适用于较广吸力变化范围的非饱和土抗剪强度模型。研究表明,在考虑吸力对非饱和土力学性质的影响时,应该区分吸力的不同作用。(2)已有的非饱和土力学特性的研究大都局限于较低吸力、毛细作用占优范围。实践中由于环境的变化,地表土体常经历干湿循环及处在低含水率、高吸力状态,此时吸附作用占优。针对高岭土-河砂配制的非膨胀性黏性土,采用饱和盐溶液蒸汽平衡法,从脱湿和吸湿两种吸力路径下对土体施加高吸力。测试了高吸力下土体的强度和变形特性,试验中选用了0(接近无侧限)、25、50、100 kPa共4组小围压。结合试验结果,分析了高吸力时吸力对土体强度和变形的作用机制。(3)利用宽广含水率变化范围内非饱和压实土低应力下的直剪试验和抗拉强度试验,研究了低应力及拉应力下非饱和土的强度及剪胀特性。基于试验结果,分析了非饱和土拉应力区的强度包线、峰值强度及剪胀作用的变化特性。之后结合0、25、50、100 kPa四组围压下的三轴压缩试验,讨论了非饱和土破坏包线的构成方法。首先,按照土体的破坏模式,破坏包线可表征为两段Mohr-Coulomb型直线。其次,非饱和状态对峰值强度的影响主要表现为剪胀作用和颗粒间作用力两方面,按照非饱和时峰值强度的主要组成部分及其表示方法,给出了黏聚力-剪胀作用型和颗粒间作用力-剪胀作用型两种物理意义明确的曲线型破坏包线。基于分段线性破坏包线,讨论了曲线型破坏包线参数的确定方法。至此,给出并分析了非饱和时不同含水率下土体的破坏包线及其变化特性。最后,通过和文献中的试验及破坏包线模型对比,讨论了建议的破坏包线的合理性。(4)低应力下,对于不同含水率的非饱和压实土剪切时的应力-应变特性,基于试验结果,探讨了临界状态方程、剪胀方程以及最小剪胀率的预测方法。类比于饱和土的Nor-Sand模型框架,得到了适用于不同含水率下非饱和压实土剪切变形特性的本构模型,较好的模拟了不同含水率下非饱和压实土的峰值强度和剪胀特性。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU43
【部分图文】：

函数,规律,饱和度,水特征曲线

逦（３－８）逡逑２Ｌ邋Ｉ邋＾２（ｊｃ邋）＼逡逑式中：ｅｒｆ（）为误差函数；＆为标准差（与饱和度量纲相同）。不同参数下参与函逡逑数的变化规律如图３－１所示，＆可在０．１附近取值。至此，联立式（３－３）、（３－６）－（３－８），逡逑即可得到完整的非饱和土抗剪强度模型。逡逑＇0逦＂＾５，，邋＝邋０．３，邋＜ｒｃ＝０．１逡逑０．８邋？邋＼邋＼邋＼逡逑．邋＼邋？，０６．＼，０丨逡逑１°．６．邋＼邋＼邋＼逡逑＃邋０．４邋■逦＼逦＼逦＼逡逑Ｓ，ｌ＝０．８，邋0－Ｃ＝0Ｖ逡逑°２．邋＼Ｘｘ邋Ｖ逡逑１００逦８０逦６０逦４０逦２０逦０逡逑饱和度＆／邋％逡逑图３－１参与函数｛的变化规律逡逑Ｆｉｇ．３－１邋Ｔｈｅ邋ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｉｏｎ邋ｆｕｎｃｔｉｏｎ＾逡逑３．３模型预测与验证逡逑在毛细作用模型中，同时引入了饱和度和吸力的共同作用。Ｆｒｅｄｌｕｎｄ等［３叫羊逡逑细论述了基于土－水特征曲线，通过含水率来得到土体的吸力。ＶＧ模型［１２Ｑ］可转换逡逑为逡逑－邋．邋￣＼＼／＂逡逑１邋（邋１邋

试验点,红黏土,桂林,模型预测

图３４桂林红黏土试验点及模型预测逡逑Ｆｉｇ．３－４邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｄａｔａ邋ａｎｄ邋ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｇｕｉｌｉｎ邋ｌａｔｅｒｉｔｅ逡逑２７逡逑

试验点,模型预测,红黏土,桂林

【参考文献】