【正文】 試驗(yàn)和壓力板試驗(yàn)的土樣具有相同的密實(shí)度和相同的初始含水率，可以視為初始狀態(tài)相同的土樣。首先粉碎試驗(yàn)用土，然后在烘干箱中烘干 24 小時(shí) 后過 2 mm 篩。 土樣制備與試驗(yàn)設(shè)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。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(guān)系；土水特征曲線反映的是含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系。 近年來，雖然非飽和土力學(xué)得到很多學(xué)者的關(guān)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(shù)的難度很高，需要對(duì)非飽和土本構(gòu)模型的各種假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證和完善，來提高對(duì)非飽和土力學(xué)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。對(duì)于非飽和土， Coleman(1962)將Bishop有效應(yīng)力方程的兩個(gè)部分分開，分別對(duì)土的結(jié)構(gòu)和液相提出兩組本構(gòu)關(guān)系；Aitchison 指出需用各自獨(dú)立的應(yīng)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(yīng)力 路 徑與變形的關(guān)系點(diǎn)而描繪的體變曲線； Matyas 和Radhakrishna(1968)進(jìn)行了各向壓縮試驗(yàn)和 K0 壓縮試驗(yàn)，通過孔隙比和飽和度與應(yīng)力變量 ? ?au?? 和 ? ?awuu? 之間的關(guān)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(shí)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(yīng)力路徑時(shí)孔隙比與應(yīng)力關(guān)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(yīng)力、孔隙氣壓 力和孔隙水壓力條件下探討不同應(yīng)力路徑對(duì)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(yīng)力路徑相關(guān)； Fredlund 和 Menstern 提出了建立在多相連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)上的非飽和土應(yīng)力分析方法，采用了兩個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力狀態(tài)變量，基質(zhì)吸力 ? ?awuu? 和凈平均應(yīng)力 ? ?mau? ? 來描述非飽和土的力學(xué)性狀。不僅凈平均應(yīng)力的變化會(huì)導(dǎo)致土體壓縮變形，而且土體在總應(yīng)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(shí)也會(huì)使土體發(fā)生膨脹或收縮。 60 鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗(yàn)研究 報(bào)告 1 第 1 章 非飽和土干燥收縮試驗(yàn)研究 引言 非飽和土體變本構(gòu)關(guān)系是非飽和土理論研究的一個(gè)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(yīng)力狀態(tài)變量聯(lián)系起來。 59 參 考 文 獻(xiàn) 53 結(jié)論 52 算例 2 概況 52 算例 1 概況 51 第 4 章 算例分析 49 小結(jié) 46 沉降計(jì)算方法 43 水位線的降低與土體容重變化關(guān)系 39 基質(zhì)吸力與容重的關(guān)系 38 鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗(yàn)研究 報(bào)告 II 非飽和土體變本構(gòu)模型 35 定解條件 33 非飽和土的 Darcy 定律 33 飽和－非飽和滲流理論 31 飽和－非飽和地面沉降數(shù)學(xué)模型 30 地面沉降數(shù)學(xué)模型研究現(xiàn)狀 29 第 3 章 飽和－非飽和沉降數(shù)學(xué)模型 23 小結(jié) 15 三軸壓縮試驗(yàn) 12 試驗(yàn)方案與試樣制作 10 第 2 章 非飽和重塑粉黏土的三軸試驗(yàn)研究 9 小結(jié) 5 干燥收縮過程中孔隙比和含水率關(guān)系曲線 鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗(yàn)研究 報(bào)告 地鐵區(qū)間隧道和車站 安全快速施工關(guān)鍵 技術(shù) 研究 — 北京地鐵五號(hào)線 11 標(biāo) 段區(qū)間及車站工程 非飽和土 特性 試驗(yàn)研究 報(bào)告 中國中鐵四局集團(tuán) 有限公司 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 二 OO 七 年 十一 月鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗(yàn)研究 報(bào)告 I 目 錄 第 1 章 非飽和土干燥收縮試驗(yàn)研究 1 引言 1 土樣制備與試驗(yàn)設(shè)備 2 試驗(yàn)結(jié)果與分析 3 土水特征曲線 3 收縮曲線 5 固結(jié)試驗(yàn) 12 引言 12 非飽和土三軸試驗(yàn)系統(tǒng)－ GDS 三軸試驗(yàn)系統(tǒng)簡介 16 三軸收縮試驗(yàn) 30 引言 30 現(xiàn)有地面沉降機(jī)理概述 33 飽和－非飽和滲流基本方程 當(dāng)土體 凈平均應(yīng)力或基質(zhì)吸力發(fā)生變化時(shí)，非飽和土的體積就會(huì)隨之發(fā)生變化。在飽和土中，一個(gè)單值的有效應(yīng)力就可以描述飽和土的力學(xué)性狀 (Terzaghi 1943)。近來很多學(xué)者對(duì)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(yàn)的體變本構(gòu)關(guān)系； Lloret 和 Alonso 對(duì)非飽和土在不排水加荷條件下的性狀進(jìn)行了分析研究，提出了兩個(gè)預(yù)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(yàn)研究 報(bào)告 2 根據(jù)臨界狀態(tài)概念， Alonso 針對(duì)非膨脹土和弱膨脹土提出了一個(gè)統(tǒng)一的彈塑性本構(gòu)模型 Barcelona 模型。本試驗(yàn)?zāi)康氖强疾旆?飽和重塑砂土、粉土、黏土和 粉質(zhì)黏土 的干燥收縮特性。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(yīng)力條件下失水收縮過程中基質(zhì)吸力與孔隙比之間的關(guān)系。 試樣的制作嚴(yán)格按照土工試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行。對(duì)于這四種土樣均要求在其最優(yōu)含水率下壓實(shí)到最大 干密度， 試樣大小為 H20，體積為 60 cm3。把制備好的試樣裝入飽和器放入真空缸內(nèi)，將抽氣機(jī)與真空缸接通，對(duì)試樣進(jìn)行抽氣飽和后，進(jìn)行收縮試驗(yàn)和壓力板試驗(yàn)，這樣能保證制備好的試樣充分飽和。壓力板儀的構(gòu)造如圖 11 所示。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(shù)。在施加至最高一級(jí)基質(zhì)吸力達(dá)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(jì)算出試樣在最高基質(zhì)吸力下的含水率。 圖 11 壓力板儀工作原理示意圖 試驗(yàn)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(guān)系的重要 曲線。 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(shí)功、初始含水率、初始孔隙比、干密度、應(yīng)力歷史和土體所處的應(yīng)力狀態(tài)等。 s1{ ln [ ( ) ]}nmea???? ? (11) 其中，優(yōu)化參數(shù)為 a， n 和 m。 鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗(yàn)研究 報(bào)告 4 在這個(gè)模型中，認(rèn)為殘余含水率 θr較小，為了對(duì)模型簡化而假定 θr為零。采用 Fredlund 模型， 通過最小二乘法對(duì)所測的不同類型試樣土水特征曲線進(jìn)行了擬合，如圖 12 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(yàn)研究 報(bào)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(guān)系。試樣在干燥過程中含水率與孔隙比之間的關(guān)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。 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(guān)系曲線 在土樣干燥收縮過程中，各個(gè)階段含水率對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力可以由土水特征曲線得到。 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。 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(gè)區(qū)域，當(dāng) ss0時(shí)，土體處于彈性區(qū)域；反之，土體處于彈塑性區(qū)域。 從圖 14 中可以看到，當(dāng)基質(zhì)吸力增大到某一特定值時(shí)，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(huì)引起試樣的收縮，本文稱此基質(zhì)吸力為縮限吸力 ss。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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力 39。 從表 14 中可以看到，收縮曲線中縮限含水率 ws 所對(duì)應(yīng)的孔隙比與吸力－孔隙比曲線中縮限吸力 ss 所對(duì)應(yīng)的孔隙比基本相等。s相差不大。 (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(yàn)研究 報(bào)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(guān)系 鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗(yàn)研究 報(bào)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(gè)階段，彈性階段、彈塑性階段和縮限階段。四種類型試樣在各階段的收縮指數(shù)如表 15 所示。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(yuǎn)大于黏土，所以粉質(zhì)黏土的 收縮性要大于黏土。由此可見，在縮限階段試樣的孔隙比基本保持不變的假設(shè)是正確的。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。 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(yàn)研究 報(bào)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。由此可見，試樣干燥過程中當(dāng)飽和度減小到 時(shí)，試樣的收縮變形基本在此階段完成。為了對(duì)比分析這兩種不同應(yīng)力對(duì)土體的壓縮性，本章進(jìn)行了飽和土的固結(jié)試驗(yàn)。它是測定土體在壓力作用下的壓縮特性，土體的壓縮性實(shí)際上表示孔隙體 積隨壓力的增加而減小。對(duì)于壓縮曲線，先期固結(jié)壓力 cp 可將壓縮曲線分為兩個(gè)階段，即彈性階段和彈塑性階段。 鑒定資料之四 — 非飽和土特性試驗(yàn)研究 報(bào)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。當(dāng)吸力增大到縮限吸力后，基質(zhì)吸力的增大對(duì)于土樣的壓縮并無明顯影響，即試樣孔隙比基本保持不變。 表 15 壓縮性試驗(yàn)的收縮、壓縮指數(shù) 土樣種類 收縮試驗(yàn) 固結(jié)試驗(yàn) 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