【正文】 83。 49 小結(jié) 51 第 4 章 算例分析 52 算例 1 概況 52 算例 2 概況 53 結(jié)論 59 參 考 文 獻 60 鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 1 第 1 章 非飽和土干燥收縮試驗研究 引言 非飽和土體變本構(gòu)關系是非飽和土理論研究的一個重要內(nèi)容，體積變化的本構(gòu)方程將變形狀態(tài)變量與應力狀態(tài)變量聯(lián)系起來。當土體 凈平均應力或基質(zhì)吸力發(fā)生變化時，非飽和土的體積就會隨之發(fā)生變化。不僅凈平均應力的變化會導致土體壓縮變形，而且土體在總應力為常數(shù)的情況下，非飽和土由于環(huán)境變化造成基質(zhì)吸力改變時也會使土體發(fā)生膨脹或收縮。在飽和土中，一個單值的有效應力就可以描述飽和土的力學性狀 (Terzaghi 1943)。對于非飽和土， Coleman(1962)將Bishop有效應力方程的兩個部分分開，分別對土的結(jié)構(gòu)和液相提出兩組本構(gòu)關系；Aitchison 指出需用各自獨立的應力變量來描述非飽和土體積變化，并給出了分別按基質(zhì)吸力和凈平均應力 路 徑與變形的關系點而描繪的體變曲線； Matyas 和Radhakrishna(1968)進行了各向壓縮試驗和 K0 壓縮試驗，通過孔隙比和飽和度與應力變量 ? ?au?? 和 ? ?awuu? 之間的關系來繪制本構(gòu)面，結(jié)果表明只要變形路徑引起飽和度增加時土結(jié)構(gòu)的本構(gòu)面具有唯一性，而含有浸濕和干燥過程的應力路徑時孔隙比與應力關系的本構(gòu)面則不是完全唯一的； Barden(1969)等人研究了非飽和土在 K0加荷條件下的體積變化特性，在控制土體總應力、孔隙氣壓 力和孔隙水壓力條件下探討不同應力路徑對非飽和土體積變化的影響，結(jié)論表明非飽和土體總體積變化與應力路徑相關； Fredlund 和 Menstern 提出了建立在多相連續(xù)介質(zhì)力學基礎上的非飽和土應力分析方法，采用了兩個獨立的應力狀態(tài)變量，基質(zhì)吸力 ? ?awuu? 和凈平均應力 ? ?mau? ? 來描述非飽和土的力學性狀。近來很多學者對非飽和土的體積變化做了大量工作， Fredlund 提出了在各種加荷條件下半經(jīng)驗的體變本構(gòu)關系； Lloret 和 Alonso 對非飽和土在不排水加荷條件下的性狀進行了分析研究，提出了兩個預測土的總體積變化和飽和度變化的方程，并與 1985 年又提出了若干線性和非線性函數(shù)來描述非飽和土在 K0和各向等壓加載條件下的本構(gòu)面；鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 2 根據(jù)臨界狀態(tài)概念， Alonso 針對非膨脹土和弱膨脹土提出了一個統(tǒng)一的彈塑性本構(gòu)模型 Barcelona 模型。 近年來，雖然非飽和土力學得到很多學者的關注，各種非飽和土體變本構(gòu)模型被提出，但由于非飽和土測試技術的難度很高，需要對非飽和土本構(gòu)模型的各種假設進行驗證和完善，來提高對非飽和土力學的進一步認識。本試驗目的是考察非 飽和重塑砂土、粉土、黏土和 粉質(zhì)黏土 的干燥收縮特性。在試樣干燥收縮過程中，收縮曲線反映了含水率和孔隙比的關系；土水特征曲線反映的是含水率與基質(zhì)吸力的關系。結(jié)合收縮曲線和土水特征曲線 可以得到試樣在零凈平均應力條件下失水收縮過程中基質(zhì)吸力與孔隙比之間的關系。 土樣制備與試驗設備 采用砂土、粉土、黏土和粉質(zhì)黏土來考察不同類型土的干燥收縮特性，物理參數(shù)如表 11 所示。 試樣的制作嚴格按照土工試驗規(guī)程進行。首先粉碎試驗用土，然后在烘干箱中烘干 24 小時 后過 2 mm 篩。對于這四種土樣均要求在其最優(yōu)含水率下壓實到最大 干密度， 試樣大小為 H20，體積為 60 cm3。對于同種類型進行收縮試驗和壓力板試驗的土樣具有相同的密實度和相同的初始含水率，可以視為初始狀態(tài)相同的土樣。把制備好的試樣裝入飽和器放入真空缸內(nèi)，將抽氣機與真空缸接通，對試樣進行抽氣飽和后，進行收縮試驗和壓力板試驗，這樣能保證制備好的試樣充分飽和。 表 11 不同類型土的物理參數(shù) 土樣種類 wL (%) wp (%) Ip Gs wopt (%) ρdmax (g/cm3) 砂土 粉土 黏土 粉質(zhì)黏土 土水特征曲線用壓力板儀來量測。壓力板儀的構(gòu)造如圖 11 所示。其工作原理為：土樣與只透水不透氣的高進氣值陶土板密切接觸，排水管與大氣相通，因鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 3 此孔隙水壓力與大氣壓力相等。在壓力室內(nèi)施加不同的氣壓值可以得到不同的基質(zhì)吸力，這種方法稱為軸平移技術。當試樣吸力達到平衡后拆開壓力室，量測每個試樣的質(zhì)量來測得其含水率的 變化。在施加至最高一級基質(zhì)吸力達到穩(wěn)定后，取出試樣來測定土樣在最高基質(zhì)吸力下的質(zhì)量，然后將試樣烘干稱重，便可計算出試樣在最高基質(zhì)吸力下的含水率。利用此含水率和已測得含水率變化值，反算出相應于其它吸力值的含水率，便可以繪制出基質(zhì)吸力和含水率的關系曲線，即土水特征曲線。 圖 11 壓力板儀工作原理示意圖 試驗結(jié)果與分析 土水特征曲線 土水特征曲線 SWCC(Soilwater characteristic curve)反映了土體基質(zhì)吸力與體積含水率、質(zhì)量含水率或飽和度之間關系的重要 曲線。 土水特征曲線是非飽和土研究中的一個重要內(nèi)容，非飽和土的強度和滲透性等都可以從該曲線得到。 非飽和土的土水特征曲線受到很多因素的影響，如土體類型、礦物成分、土體結(jié)構(gòu)、擊實功、初始含水率、初始孔隙比、干密度、應力歷史和土體所處的應力狀態(tài)等。 隨著對非飽和土土水特征曲線的研究，大量的土水特征曲線模型被提出，而常所用的模型為 Fredlund 模型 。 s1{ ln [ ( ) ]}nmea???? ? (11) 其中，優(yōu)化參數(shù)為 a， n 和 m。模型中參數(shù)含義與 Van Genuchten 模型中參數(shù)相似，其中 參數(shù) a 值要比空氣進氣值略大。 鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 4 在這個模型中，認為殘余含水率 θr較小，為了對模型簡化而假定 θr為零。 表 12 不同類型土基質(zhì)吸力與對應重力含水率 w 土體類型 基質(zhì)吸力 (kPa) 砂土 粉土 黏土 粉質(zhì)黏土 0 14 36 60 120 275 440 530 600 644 700 在壓力板試驗中，不同類型試樣在不同基質(zhì)吸力下所對應的含水率 w 如表 12所示。采用 Fredlund 模型， 通過最小二乘法對所測的不同類型試樣土水特征曲線進行了擬合，如圖 12 所示。各擬合參數(shù)值如表 13 所示。 表 13 土水特征曲線擬合參數(shù) 土體 類型 a(kPa) n m 砂土 31 粉土 68 黏土 109 粉質(zhì)黏土 186 含水率 (%) 鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 5 1 10 100 1000 10000 100000砂土粉土黏土粉質(zhì)黏土 基質(zhì)吸力 s /k Pa重力含水率w 圖 12 土水特征曲線 收縮曲線 收縮曲線反映了土體含水率與孔隙比之間的關系。在干燥失水過程中，試樣發(fā)生收縮而導致孔隙比不斷減小，當試樣體積達到恒定而不繼續(xù)縮小時的界限含水率稱為縮限。試樣在干燥過程中含水率與孔隙比之間的關系如圖 13 所示，從圖中可 以看到粉質(zhì)黏土的收縮性最大，而砂土基本不具有收縮性。各種土樣的縮限含水率 sw 及所對應的孔隙比如表 14 所示。 砂土粉土黏土粉質(zhì)黏土 重力含水率 w孔隙比e 圖 13 收縮曲線 干燥收縮過程中孔隙比和含水率關系曲線 在土樣干燥收縮過程中，各個階段含水率對應的基質(zhì)吸力可以由土水特征曲線得到。結(jié)合收縮曲線和土水特征曲線，可以得到試樣在零凈平均應力條件下失鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 6 水收縮過程中基質(zhì)吸力與孔隙比之間的關系，如圖 14 所示。 從圖 14 中可以看到，隨著基質(zhì)吸力的增加 試樣的孔隙比不斷減小，試樣發(fā)生收縮。與增加凈平均應力相同，增加基質(zhì)吸力也能使土樣屈服。 Alonso 等人提出的吸力增加屈服條件為： 0 constss?? (12) 上式代表的 SI 屈服曲線（ after suction increase）將土體的變形劃分為二個區(qū)域，當 ss0時，土體處于彈性區(qū)域；反之，土體處于彈塑性區(qū)域。一般情況下認為 0s 為土體在歷史上曾經(jīng)受過的最大基質(zhì)吸力 。 從圖 14 中可以看到，當基質(zhì)吸力增大到某一特定值時，試樣的孔隙比基本保持不變，即基質(zhì)吸力繼續(xù)增大不會引起試樣的收縮，本文稱此基質(zhì)吸力為縮限吸力 ss。由于試樣在失水收縮過程中，當試樣的含水率達到縮限含水率 ws 后，試樣含水率的降低基本上不會引起試樣的進一步收縮，而由土水特征曲線中可知土樣的基質(zhì)吸力卻不斷增大，所以在失水收縮過程中當基質(zhì)吸力達到縮限吸力以后，基質(zhì)吸力的增大不會引起試樣的進一步變形。根據(jù)以上分析可知，試樣的縮限吸力和縮限含水率 ws 是相互對應的，即可假定試樣收縮界限吸力 ss 等于縮限含水率ws 在土水 特征曲線中對應的基質(zhì)吸力 39。s 。 從表 14 中可以看到，收縮曲線中縮限含水率 ws 所對應的孔隙比與吸力－孔隙比曲線中縮限吸力 ss 所對應的孔隙比基本相等。并且，試樣縮限吸力 ss 和吸力 39。s相差不大。試驗結(jié)果也驗證了上述假設的合理性。 (a) 砂土 彈性階段 彈塑性階段 縮限階段 1 10 100 1000 10000 20 24 28 32 36 基質(zhì)吸力 s / k Pa孔隙比e鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 7 1 10 100 1000 10000 6 0 4 8 2 6孔隙比e基質(zhì)吸力 s / k Pa (b) 粉土 1 10 100 1000 10000 9 2 5 8 1 4 7 0 孔隙比e基質(zhì)吸力 s / k Pa (c) 黏土 1 10 100 1000 10000 100000 5 0 5 0 5 0 孔隙比e基質(zhì)吸力 s / k Pa (d) 粉質(zhì)黏土 圖 14 干燥 過程中試樣基質(zhì)吸力與孔隙比之間的關系 鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 8 從圖 14 中可知，屈服吸力 0s 和縮限吸力 s 將試樣收縮過程分為三個階段，彈性階段、彈塑性階段和縮限階段。在各個階段定義直線的斜率為體積收縮指數(shù)sm logueC ? ?? 。四種類型試樣在各階段的收縮指數(shù)如表 15 所示。結(jié)果表明，砂土收縮指數(shù)很小，可認為砂土基本上不具有收縮性。粉質(zhì)黏土的收縮指數(shù)雖然比黏土稍低，但是粉質(zhì)黏土的收縮區(qū)域要遠大于黏土，所以粉質(zhì)黏土的 收縮性要大于黏土。對于這四種土樣，在縮限區(qū)域的收縮指數(shù)都僅僅是彈塑性區(qū)域收縮指數(shù)的4％左右。由此可見，在縮限階段試樣的孔隙比基本