【正文】 基質(zhì)吸力s /kPa 凈平均應力 p /kPa 圖 211 LC 屈服軌跡曲線 0 50 100 150 200 基質(zhì)吸力 s /k Pa壓縮性指數(shù)????wsks??鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 22 圖 28 的 vlogp 曲線表明，試樣基質(zhì)吸力的增加使試樣的屈服應力增大，不同基質(zhì)吸力下的屈服應力形成 LC 屈服軌跡曲線 (after loadingcollapse)。試驗結(jié)果表明，式 (23)也同樣適合水相體變指數(shù) w? 。其中 ??s? 可表示為： ? ? ? ? ? ? ? ?0 1 e x ps r s r? ? ?????? ? ? ? (23) 式中 ， ??0? 為吸力為零時壓縮指數(shù)， ? ? ? ?0?? ??? sr 是一個常數(shù)，參數(shù) ? 反映了 ??s?隨基質(zhì)吸力而增長的速率。圖 29 的 vwlogp 曲線表明，水相體變指數(shù) w? 也與基質(zhì)吸力鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗研究 報告 20 密切相關(guān)，試樣的基質(zhì)吸力越大，凈平均應力的增大越難以使水從試樣中排出，導致水相體變指數(shù) w? 越小。在給定的基質(zhì)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。 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(zhì)吸力 密切相關(guān)，吸力的增大使得試樣的剛度提高。在凈平均應力為 0 kPa 下，飽和土試樣的比容最大，由于飽和試樣的壓縮性要大于非飽和土試樣，所以飽和試樣的壓縮曲線與非飽和土試樣的壓縮曲線在凈平均應力 80～ 140 kPa 范圍內(nèi)相交。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。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。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。 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。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。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(jié)束，試樣吸力平衡的時間約為 9～ 13 天。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。然后按照圖 24 所給的應力路徑來分步施加孔隙氣 壓力和圍壓。 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。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。 0 100 200 300 400050100150200基質(zhì)吸力s /kPa凈平均應力 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 試驗應力路徑 從試驗的應力路徑可知，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)。 針對重塑非飽和黏土，進行了如圖 24 所示的 2 組不同應力路徑試驗： (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力mapu???； (2) 三軸收縮試驗：在控制試樣凈平均應力條件下施加不同的基質(zhì)吸力。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。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。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。 土樣的制作嚴格按照土工試驗規(guī)程進行。 試驗方案與試樣制作 試驗用土的液限 %，塑限為 %，比重為 。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。 (3) 具有兩個壓力室。 (2) 具有反壓裝置。 圖 21 計算機控制的非飽和土三軸應力路徑測試系統(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。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。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。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 )。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。Bishopamp。 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。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。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。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力狀態(tài)相關(guān)，即基質(zhì)吸力與平均凈應力存在耦合關(guān)系；而且非飽和土的土水特征曲線也是與土體所受的應力狀態(tài)密切相關(guān)。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 。 (3) 雖然凈平均應力和基質(zhì)吸力的增大，均可使土體壓縮變形。 (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的基質(zhì)吸力 。但試驗結(jié)果表明，當基質(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 。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。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，即隨著凈平均應力的增大試樣不斷地被壓縮。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。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。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。固結(jié)試驗是研究土體一維變形特性的測試方法。 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)吸力與平均凈應力均可使土樣壓縮變形。從圖中可以看到，對于這四種試樣，當飽和度在減小至 過程中試樣孔隙比迅速減??；試樣飽和度處于 和 之間時，試樣孔 隙比緩慢減??；當試樣飽和度減小到 時，試樣的孔隙比基本保持不變。試樣的塑性指數(shù)越大，縮限吸力也越大，如圖 15 所示。 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。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。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。在各個階段定義直線的斜率為體積收縮指數(shù)sm logueC ? ?? 。試驗結(jié)果也驗證了上述假設(shè)的合理性。并且，試樣縮限吸力 ss 和吸力 39。s 。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。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 。與增加凈平均應力相同，增加基質(zhì)吸力也能使土樣屈服。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(guān)系，如圖 14 所示。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。各擬合參數(shù)值如表 13 所示。 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。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。 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 。 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。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(guān)系曲線，即土水特征曲線。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。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。 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。對于同種類型進行收縮