【正文】 kPa 基質吸力條件下的壓縮試驗就是飽和土在各向等壓條件下的固結試驗。本文采用Alonso 彈塑性模型來擬合 LC 屈服軌跡曲線，其表達式為： ( 0 ) ( )*00cck s kpp ??? ? ? ?? ? ? ????????????? ??? (24) 式中 *0p 為飽和條件下的先期固結應力， cp 是一個參考應力， k 是試樣的回彈指數(shù)。在試驗過程中所測得各個試樣的總體積和含水率變化，分別如圖 213 圖 215 所示。 根據(jù) Barcelona 基本 模型的需要，將 es 曲線用 elns 曲線來表示。 0 50 100 150 200 收縮指數(shù) 回彈指數(shù)收縮指數(shù)(回彈指數(shù))凈平均應力 /kPas?sk鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 29 孔隙比e時間 t / h p =20kP a p =50kP a p =100 kPa p =200 kPa 0 30 60 90 120 15 00 .5 0 圖 217 飽和階段試樣孔隙比隨時間的關系 小結 本文采用 GDS 非飽和土三 軸儀，在分別控制試樣基質吸力和凈平均應力條件下，對重塑非飽和黏土的體積變化和含水率變化特性進行了詳細試驗研究。 (4) 在地面沉降強烈地區(qū)，伴隨地面垂直沉降而發(fā)生較大水平位移，往往會對地面和地下建筑物造成巨大危害，使得該區(qū)地面路面、鐵軌、橋墩、建筑物墻體、支柱、垳架以及地下各種管道 (輸油管、輸水管 )遭到嚴重破壞。因此滲透有效應力增量為： 39。最早研究地下水滲流－土體變形相互作用的是 K. Terzaghi，他針對多孔隙介質中流體的滲流－變形的耦合問題，提出了一維沉降固結理論?，F(xiàn)階段非飽和土力學研究者所需要面對的巨大挑戰(zhàn)是，通過非飽和土力學將傳統(tǒng)的土力學理論發(fā)展為廣義的土力學理論，并在實際工程的應用中不斷得到發(fā)展?；谑?(17)的土水模型，滲透性函數(shù)可表達為： ? ? ? ?? ?? ?21ws 2111mnnmnaakka????????????????? (38) 鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 35 Fredlund模型 ? ? ? ?? ?s1ln mnC ea? ?? ?? ????? (39) 其中優(yōu)化參數(shù)為 a, n 和 m； ? ?C? 為修正函數(shù)。由于固相骨架不變形，即 dx 、 dy 、 dz 不隨時間改變。 隨著對非飽和土的研究，大量的非飽和土滲透系數(shù)預測模型被提出，常用的模型有 Van Genuchten模型和 Fredlund模型。 飽和－非飽和地面沉降數(shù)學模型 在上述的地面沉降模型中，人們常采用飽和土有效應力原理來計算沉降量。這一模型主要用于含水層的變形，即將含水層的變形作為彈性的、可恢復的。在原建筑物荷載形成的地基附加應力不變條件下，對于降水面上的點，因地下水位下降引起的有效應力增量 39。如美國長灘市，因地面沉降而失去效應；上海外輪?？康拇a頭，由于標高的不斷降低導致在高潮日江水上岸，裝卸無法進 行。有不少相關文獻的試驗資料中也有類似的結論，如 對非飽和重塑高嶺土的濕化過程中，土樣在膨脹后發(fā)生了不同程度的坍塌。 Alonso等人提出的吸力增加屈服條件為： const0 ??ss ，其中 0s 為土體在歷史上曾經(jīng)受過的最大基質吸力。表 21 給出了不同基質吸力下試樣的回彈指數(shù) ??sk 。 圖 210 基質吸力與壓縮性指數(shù)之間的關系 圖 210 給出了不同基質吸力下，試樣壓縮指數(shù) ??s? 和水相體變指數(shù) w? 值。圖 25 和圖 26 描述了四個試樣在經(jīng)受不同吸力的平衡階段過程中試樣的水比容和比容隨時間變化情況。在試驗過程中，所施加的孔隙水壓力始終為 0，按照要求分步施加孔隙氣壓力和圍壓。為了擴大基質吸力的測量范圍，實現(xiàn)軸平移，從土樣帽上的小孔向土樣施加反壓。 采用 GDS非飽和土三軸儀，在分別控制試樣基質吸力和凈平均應力條件下，對重塑非飽和粉 黏土的體積變化和含水率變化特性進行了詳細試驗研究。 表 15 壓縮性試驗的收縮、壓縮指數(shù) 土樣種類 收縮試驗 固結試驗 彈性區(qū)域 彈塑性區(qū)域 縮限區(qū)域 壓縮指數(shù) 回彈指數(shù) 砂土 粉土 黏土 粉質黏土 小結 本章利用高進氣值壓力板儀，針對非飽和重塑砂土、粉土、黏土和粉質黏土，通過結合試樣收縮曲線和土水特征曲線方法，考察了干燥收縮過程中試樣在凈平鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 11 均應力 為 0kPa 下 基質吸力和孔隙比的關系；采用常規(guī)固結試驗考察了試樣在基質吸力 為 0 kPa 下經(jīng)受不同凈平均應力時的壓縮性。s (kPa) 砂土 368 319 粉土 528 458 黏土 633 583 粉質黏土 2882 2367 從表 14 中可以看到，不同類型土體的縮限吸力大小并不相等。 從圖 14 中可以看到，當基質吸力增大到某一特定值時，試樣的孔隙比基本保持不變，即基質吸力繼續(xù)增大不會引起試樣的收縮，本文稱此基質吸力為縮限吸力 ss。 s1{ ln [ ( ) ]}nmea???? ? (11) 其中，優(yōu)化參數(shù)為 a， n 和 m。 試樣的制作嚴格按照土工試驗規(guī)程進行。 49 小結 51 第 4 章 算例分析 對于非飽和土， Coleman(1962)將Bishop有效應力方程的兩個部分分開，分別對土的結構和液相提出兩組本構關系；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面，結果表明只要變形路徑引起飽和度增加時土結構的本構面具有唯一性，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，基質吸力 ? ?awuu? 和凈平均應力 ? ?mau? ? 來描述非飽和土的力學性狀。當試樣吸力達到平衡后拆開壓力室，量測每個試樣的質量來測得其含水率的 變化。各種土樣的縮限含水率 sw 及所對應的孔隙比如表 14 所示。在各個階段定義直線的斜率為體積收縮指數(shù)sm logueC ? ?? 。本文所測四種試樣的固結試驗成果整理成 elgp 曲線，如圖 17 所示。并且在干燥收縮過程中，當飽和度在減小至 過程中試樣孔隙比迅速減小，試樣的收縮變形基本在此階段完成；當試樣飽和度減小到 時，試樣的孔隙比基本保持不變 。兩個數(shù)字式液壓控制器通過 IEEE 交換器連到電腦實現(xiàn)自動采集和控制。制作的所有重塑土樣干密度控制為 g/cm3，試樣大小為 H80，體積為 96 cm3。固結完成后，對于這 5 個試樣，分別施加基質吸力 0， 20， 50， 100 和 200 kPa。 圖 28 的 vlogp 曲線表明，試樣的壓縮性指數(shù)和屈服應力都與基質吸力 密切相關，吸力的增大使得試樣的剛度提高。由式 (22)可得： ? ? ? ? cln pN s v s p??? (25) 式中， v 為壓縮曲線上試樣在凈平均應力為 p 時的比容。隨著試樣的凈平均應力越大，參數(shù) a 也越來越大，說明其空氣進氣值隨之明顯增加；參數(shù) n 明顯減小，說明試樣往外排水的速率越小。式 (29)代表著 SI 屈服曲線 (after suction increase)。試驗結果表明，水相體變系數(shù) w? 和體變系數(shù) ??s? 有著相同的變化規(guī)律 。其中由土顆粒承擔的應力稱之為有效應力39。地面沉降計算中采用的滲流模型常用的主要有下列幾種： (1) 二維模型，即含水層中的地下水在平面內作二維平面流動，含水層之間的黏土、亞黏土層則視為不透水層。 (2) 部分耦合模型。滲流問題通常分為穩(wěn)態(tài)流和非穩(wěn)態(tài)流。? 可從式 (39)得到。將質量守恒 原理具體應用在多孔介質中的流體流動即為連續(xù)方程。 非飽和土的 Darcy 定律 在水流不是太大的情況下，可以用 Darcy 定律來刻畫飽和土體中的穩(wěn)態(tài)滲流，一維滲流時有 鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 34 w w w dd whv k i k z? ? ? ? (33) 其中 vw為水的流速， kw為水相的滲透系數(shù)， i 為水力梯度， hw為水頭。地下水流模型的土體變形模型中的參數(shù)在沉降過程中是變化的，而他們之間的耦合體現(xiàn)在參數(shù)隨沉降的變化中。 (3) 準三維模型，即含水層中的地下水作水平滲流，粉 黏土層中的水作一維垂直滲流處理。有效應力原理就是研究土體中兩種 應力的不同性質和它們與總應力的關系。 (3) 實驗結果表明，試樣的收縮指數(shù)和土水特征曲線均與凈平均應力密切相關 。而試 驗結果表明，試樣的收縮指數(shù)與試樣的凈平均應力密切相關，試樣的收縮性隨著凈平均應力的增大而減小，如圖 216 所示，可按照下列經(jīng)驗關系擬合 ? ?s expa bp c? ? ? ? (210) 鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 28 通過最小二乘法擬合試驗結果，關于 sλ 可得到擬合參數(shù) a=， b=，c=。 表 22 土水 特征曲線的擬合參數(shù)值 試樣所受凈平均應力（ kPa） a （ kPa） n m 20 57 50 81 100 121 200 109 為了分析在不同凈平均應力條件下試樣收縮指數(shù)和屈服吸力特性，將 es 曲線用 elgs 曲線來表示。土體飽和度 ss wG e? ，與含水率 w 和孔隙比 e 密切相關。在給定的基質吸力條件下，隨著凈平均應力的增加，水不斷從試樣中排出，水比容逐漸降低。在這 4 個試樣的吸力平衡過程中，當試樣含水率變化穩(wěn)定時即認為吸力平衡結束，試樣吸力平衡的時間約為 9～ 13 天。用擊實器分三層擊實，每層需要土 g，注意擊實前每層土之間應先刮毛。除了常規(guī)的應力路徑外，該系統(tǒng)可實現(xiàn)許多復雜的應力路徑，如各種應力狀態(tài)下的干濕循環(huán)、等平均主應力剪切、等偏應力吸濕等。但在實際工程中土體所受壓力一般都是三維的，有關資料表明非飽和土的體積變形特性與土體所受應力狀態(tài)相關，即基質吸力與平均凈應力存在耦合關系；而且非飽和土的土水特征曲線也是與土體所受的應力狀態(tài)密切相關。對于這四種試樣的回彈指數(shù)和在彈塑性階段的壓縮指數(shù) ? ?sc lgC C e p? ? ?如表 15 所示。結果表明，砂土收縮指數(shù)很小，可認為砂土基本上不具有收縮性。結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 水收縮過程中基質吸力與孔隙比之間的關系，如圖 14 所示。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，便可以繪制出基質吸力和含水率的關系曲線，即土水特征曲線。 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。 52 算例 2 概況 46 沉降計算方法 5 干