【文章內(nèi)容簡介】 保持不變的假設(shè)是正確的。 表 14 試樣干燥收縮階段特征參數(shù) 土樣種類 收縮曲線 吸力－孔隙比曲線 土水特征曲線 ws (%) e s (kPa) e 39。s (kPa) 砂土 368 319 粉土 528 458 黏土 633 583 粉質(zhì)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。試樣的塑性指數(shù)越大，縮限吸力也越大，如圖 15 所示。 12 13 14 15 16 1705001000150020xx25003000基質(zhì)吸力s /kPa塑性指數(shù) Ip /% 圖 15 塑性指數(shù)與縮限吸力之間的關(guān)系 鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 9 在干燥收縮過程中試樣的飽和度可由公式 ss wG e? 求出，則試樣的飽和度與孔隙比之間關(guān)系如圖 16 所示。從圖中可以看到，對于這四種試樣，當(dāng)飽和度在減小至 過程中試樣孔隙比迅速減?。辉嚇语柡投忍幱? 和 之間時，試樣孔 隙比緩慢減小；當(dāng)試樣飽和度減小到 時，試樣的孔隙比基本保持不變。由此可見，試樣干燥過程中當(dāng)飽和度減小到 時，試樣的收縮變形基本在此階段完成。 砂土粉土黏土粉質(zhì)黏土 孔隙比 e飽和度sr 圖 16 干燥過程中試樣飽和度與孔隙比之間的關(guān)系 固結(jié)試驗 對于非飽和土，基質(zhì)吸力與平均凈應(yīng)力均可使土樣壓縮變形。為了對比分析這兩種不同應(yīng)力對土體的壓縮性，本章進行了飽和土的固結(jié)試驗。固結(jié)試驗是研究土體一維變形特性的測試方法。它是測定土體在壓力作用下的壓縮特性，土體的壓縮性實際上表示孔隙體 積隨壓力的增加而減小。本文所測四種試樣的固結(jié)試驗成果整理成 elgp 曲線，如圖 17 所示。對于壓縮曲線，先期固結(jié)壓力 cp 可將壓縮曲線分為兩個階段，即彈性階段和彈塑性階段。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。 鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 10 1 10 100 1000砂土粉土黏土粉質(zhì)黏土 平均凈應(yīng)力 p /kPa孔隙比e 圖 17 elgp 關(guān)系曲線 從圖 14 和圖 17 可以看到，隨著基質(zhì)吸力或凈平均應(yīng)力的增大，都可以使試樣壓縮變形。但是，屈服吸力和縮限吸 力將干燥收縮過程（即基質(zhì)吸力不斷增大過程）分為三個階段： 彈性階段、彈塑性階段和縮限階段。當(dāng)吸力增大到縮限吸力后，基質(zhì)吸力的增大對于土樣的壓縮并無明顯影響，即試樣孔隙比基本保持不變。而對于固結(jié)壓縮曲線， 壓縮曲線只分為彈性階段和彈塑性階段，即隨著凈平均應(yīng)力的增大試樣不斷地被壓縮。 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(jié)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(zhì)黏土 小結(jié) 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(zhì)黏土，通過結(jié)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(yīng)力 為 0kPa 下 基質(zhì)吸力和孔隙比的關(guān)系；采用常規(guī)固結(jié)試驗考察了試樣在基質(zhì)吸力 為 0 kPa 下經(jīng)受不同凈平均應(yīng)力時的壓縮性。根據(jù)對試驗結(jié)果的系統(tǒng)分析， 得到以下結(jié)論： (1) 試樣在干燥過程中，隨著試樣飽和度的降低，基質(zhì)吸力增大使得試樣發(fā)生收縮變形。一般認(rèn)為，屈服吸力 0s 將試樣收縮過程分為彈性和彈塑性兩個階段。但試驗結(jié)果表明，當(dāng)基質(zhì)吸力達到一定值后，基質(zhì)吸力的增大不引起試樣的進一步收縮 ，本文稱此吸力為 縮限吸力 s 。 屈服吸力和縮限吸力將整個收縮過程分為三個階段，即彈性階段、彈塑性階段和縮限階段。 (2) 根據(jù)試驗結(jié)果分析可知， 縮限吸力 s 可假定為試樣的縮限含水率在土水特征曲線中所對應(yīng)的基質(zhì)吸力 。并且不同類型土的縮限 吸力大小并不相等， 塑性指數(shù)越大縮限吸力也越大。 (3) 雖然凈平均應(yīng)力和基質(zhì)吸力的增大，均可使土體壓縮變形。 對于固結(jié)壓縮曲線， 壓縮曲線只分為彈性階段和彈塑性階段；而試樣在干燥收縮過程中，屈服吸力和縮限吸力將收縮過程分為彈性階段、彈塑性階段和縮限階段。并且在干燥收縮過程中，當(dāng)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(dāng)試樣飽和度減小到 時，試樣的孔隙比基本保持不變 。 鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 12 第 2 章 非飽和重塑 粉 黏土的三軸試驗研究 引言 在上述試驗中，試樣在干燥收縮過程中基質(zhì)吸 力和孔隙比的關(guān)系曲線是通過間接方法測得，并且在無壓狀態(tài)下進行的，試驗結(jié)果并不能反映不同應(yīng)力狀態(tài)下非飽和土收縮特性和土水特征曲線。但在實際工程中土體所受壓力一般都是三維的，有關(guān)資料表明非飽和土的體積變形特性與土體所受應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)，即基質(zhì)吸力與平均凈應(yīng)力存在耦合關(guān)系；而且非飽和土的土水特征曲線也是與土體所受的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。土水特征曲線描述了非飽和土含水率和基質(zhì)吸力的關(guān)系。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。非飽和土體變本構(gòu)關(guān)系也是非飽和土理論的重要研究內(nèi)容 ， 僅僅有土結(jié)構(gòu)的本構(gòu)關(guān)系尚不能全面描述非飽和土的體積變化，還必須建立氣相或液相的本構(gòu)關(guān)系。對于非飽和土樣 ， 因土中含有氣體，土樣的體積變化與排出的水的體積并不相等，所以常規(guī)三軸儀不能測量非飽和土的體積變形。 采用 GDS非飽和土三軸儀，在分別控制試樣基質(zhì)吸力和凈平均應(yīng)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(xì)試驗研究。 非飽和土三軸試驗系統(tǒng)－ GDS 三軸試驗系統(tǒng)簡介 非飽和土三軸儀硬件配置如圖 21 所示，它是由一個 Bishopamp。Wesley 應(yīng)力路徑三軸儀、四個壓力控制儀器、六個傳感器 、一個數(shù)據(jù)交換器和一臺電腦組成。Bishopamp。Wesley 應(yīng)力路徑三軸儀可容納最大直徑為 100 mm 的試樣。四個壓力控制器中，兩個是電子式氣壓控制器，分別用于控制圍壓和孔隙氣壓力；另外兩個是 GDS 高精度的數(shù)字式液壓控制器，分別用來控制孔隙水壓和軸壓，同時可以用來精確測量水體積變化。有了這四個控制器，試樣的圍壓、軸壓、孔氣壓和孔水壓都可以獨立控制。六個傳感器包括一個電子荷重器 (測量軸力 )、一個位移傳感器 (測量軸向位移 )、一個差壓傳感器 (用于體變測量系統(tǒng) )和三個壓力傳感器 (分別鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 13 測量圍壓、孔水壓和孔氣壓 )。六個傳 感器均連到數(shù)據(jù)交換器濕陷自動采集和控制。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。該測試系統(tǒng)的控制軟件可實現(xiàn)四維控制，即獨立、任意控制四個參變量 (圍壓、軸壓、孔氣壓和孔水壓 )。除了常規(guī)的應(yīng)力路徑外，該系統(tǒng)可實現(xiàn)許多復(fù)雜的應(yīng)力路徑，如各種應(yīng)力狀態(tài)下的干濕循環(huán)、等平均主應(yīng)力剪切、等偏應(yīng)力吸濕等。 GDS 三軸試驗系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)包括： HKUST 型內(nèi)置壓力室； 1 kPa 差壓傳感器；最大室壓力為 1700 kPa；最大軸壓為 7 kN；水下荷重傳感器，量程為 2 kN，精度為全量程的 %； GDS 線性應(yīng)變傳感器，量程為 ?25 mm，精度為全量程的 %； GDS 線性孔壓傳感器，量程為 2 MPa，精度為全量程的 %；壓力 /體積控制器，體積精度為 %，壓力精度為 %，體積變化測量和顯示至 1立方毫米，壓力調(diào)節(jié)和顯示至 1 kPa；反壓 /體積控制器，體積精度為 %，壓力精度為 %，體積變化測量和顯示至 1 立方毫米，壓力調(diào)節(jié)和顯示至 1 kPa。 圖 21 計算機控制的非飽和土三軸應(yīng)力路徑測試系統(tǒng) 鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 14 圖 22 GDS 三軸試驗系統(tǒng)全貌 非飽和土三軸儀與常規(guī)三軸 儀相比有以下特點： (1) 可以同時測量孔隙水壓力和孔隙氣壓力?？紫端畨毫κ峭ㄟ^與土樣底部的高進氣值陶土板相連的孔壓傳感器來測量的，孔隙氣壓力是通過土樣頂端的孔隙氣壓傳感器來測量的。 (2) 具有反壓裝置。為了擴大基質(zhì)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。 (3) 具有兩個壓力室。為了提高土樣體變的測量精度，該非飽和土三軸儀利用雙室體變測量系統(tǒng)來測量非飽和土試樣的總體變。該體變系統(tǒng)是由開頂瓶狀內(nèi)室、參照管和高精度的差壓傳感器組成， 如圖 23 所示。 圖 23 非飽和土雙壓力室測量系統(tǒng) 鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 15 其基本工作原理是通過差壓傳感器自動連續(xù)地測量內(nèi)室里的水位變化來獲得試樣體積的變化。 試驗方案與試樣制作 試驗用土的液限 %，塑限為 %，比重為 。抽氣飽和后，試樣的初始孔隙比為 ，飽和含水率為 %。 土樣的制作嚴(yán)格按照土工試驗規(guī)程進行。首先 碾碎 試驗用土 后過 2 mm 篩 ，然后在烘干箱中烘干 24 小時。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。配制土樣的含水率為 18 %，所以單個試樣的干土重為 g，濕土重為 g。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(yīng)先刮毛。經(jīng)多次試擊，每層土的擊實次數(shù)最終確定為 14 次。這樣，制備好的試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三軸試驗。 針對重塑非飽和黏土，進行了如圖 24 所示的 2 組不同應(yīng)力路徑試驗： (1) 各向同性壓縮試驗：在控制試樣基質(zhì)吸力 s a wu u u?? 的條件下施加不同的凈平均應(yīng)力mapu???； (2) 三軸收縮試驗：在控制試樣凈平均應(yīng)力條件下施加不同的基質(zhì)吸力。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。 0 100 200 300 400050100150200基質(zhì)吸力s /kPa凈平均應(yīng)力 p / kP a 50A2B2 C 2 D 2 E2A3 B3 C 3 D 3 E3A4 B4 C 4 D 4 E4A5 B5 C 5 D 5 E5 A1 B1 C 1 D 1 E1A0 (a) 各向同性壓縮試驗 鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 16 050100150200250基質(zhì)吸力s /kPa凈平均應(yīng)力 p / k P a 50100 20xx 15050E6 E7 E8 E9D 6 D 7 D 8 D 9C 6 C 7 C 8 C 9A6 A7 A8 A9B6 B7 B8 B9 (b) 三軸收縮試驗 圖 24 試驗應(yīng)力路徑 從試驗的應(yīng)力路徑可知，非飽和土三軸體變試驗主要包含兩個方面內(nèi)容，即吸力平衡和等吸力固結(jié)。 在非飽和三軸儀中，試樣 的基質(zhì)吸力是通過往試樣頂端施加孔隙氣壓和底端施加孔隙水壓完成的。此試驗過程中所施加的孔隙水壓力始終為 0，所以試樣的基質(zhì)吸力即等于所施加的孔隙氣壓。在試樣吸力平衡過程中 ，本文標(biāo)準(zhǔn)是土樣在連續(xù) 6 小時內(nèi)測得水流變化總量小于 20 mm3 時試樣吸力達到平衡狀態(tài)。 三軸壓縮試驗 在實驗中發(fā)現(xiàn)若試樣的凈平均圍壓不稍大于孔隙氣壓，試樣上端的孔隙氣壓會導(dǎo)致土樣和橡皮膜之間存在氣泡，而影響試樣總體積變化的測量。所以，在本試驗中，飽和試樣首先在各向等壓為 20 kPa 下固結(jié)。然后按照圖 24 所給的應(yīng)力路徑來分步施加孔隙氣 壓力和圍壓。 飽和試樣首先在各向等壓為 20 kPa 下固結(jié)。固結(jié)完成后，對于這 5 個試樣，分別施加基質(zhì)吸力 0， 20， 50， 100 和 200 kPa。其中施加 0 kPa 吸力的試樣，沒有吸力平衡階段。在這 4 個試樣的吸力平衡過程中，當(dāng)試樣含水率變化穩(wěn)定時即認(rèn)為吸力平衡結(jié)束，試樣吸力平衡的時間約為 9～ 13 天。 鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 17 0 .140 .120 .100 .080 .060 .040 .02 0 水比容的變化時間 / h s =2 0 k Pa s =5 0 k Pa s =1 0 0 k Pa s =2 0 0 k Pa 0 40 8 0 120 1 60 20 0 2 40 28 0 3 20 圖 25 在平衡階段試樣水比容變化隨時間的關(guān)系 0 .070 .060 .050 .040 .030 .020 .01 0 比容的變化時間 / h s =2 0 k Pa s =50 k Pa s =10 0 k Pa s =20 0 k Pa0 40 8 0 120 16 0 200 2 40 28 0 3 20 圖 26 在平衡階段試樣比容變化隨時間的關(guān)系 0 50 100 150 200 比容 v 水比容 vw 基質(zhì)吸力 s /kP a比容和水比容 圖 27 基質(zhì)吸力與比容、水比容之間的關(guān)系 鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 18 本文采用比容 ev ??1 來描述試樣的總體積變化。對于水相體積變化，在此采用了 提出的水比容概念來描述試樣在試驗過程中的試樣含水率變化。水比容的定義為： w r s11v S e w G? ? ? ? (21) 式中， vw為水比容， Sr為飽和度， e 為孔隙比， Gs 為土粒比重。 吸力平衡過程中，試驗記錄了試樣的總體 積變化和試樣的排水量。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。從圖中可以看到，試樣在吸力平衡階段發(fā)生收縮和含水率降低。并且試樣受到的基質(zhì)吸力越大，試樣往外排水速率和排水量越大，試樣收縮的速率和收縮量也越大。在試樣吸力平衡后，圖 27 分別給出了各個試樣的比容和水比容值。 試樣基質(zhì)吸力達到平衡后，在保持基質(zhì)吸力不變條件下分別對各個試樣分步施加不同凈平均應(yīng)力進行壓縮試驗，其中在 0 kPa 基質(zhì)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(jié)試驗。在試驗過程 中，所測得各個試樣的總體積變化和含水率變化分別如圖 28 和圖 29 所示。 從圖 28 可以看到，飽和試樣 (即s=0