區(qū)域非飽和土抗剪強度快速評價方法研究

非飽和土抗剪強度快速評價方法梁金國waterairsolids河北建設(shè)勘察研究院有限公司引言立項背景：1、目前常用的地基強度理論計算的假設(shè)條件多為飽和、均質(zhì)、各項同性；2、常規(guī)土工試驗方法不能反映非飽和土的特性；3、實測的主動土壓力只有計算值的1/4~1/10。

包承鋼（2006）:由于非飽和土測試與試驗的耗費的時間與費用的巨大，往往超過工程可能風(fēng)險造成的損失。

因此，盡管非飽和土力學(xué)理論在上世紀(jì)末就得到了長足的發(fā)展，但正如沈珠江院士（2006）提到“建立在吸力概念上的非飽和土力學(xué)始終停留在學(xué)院式研究的階段，未能在實踐中得到廣泛的應(yīng)用?！闭_地利用非飽和土強度非飽和狀態(tài)下，應(yīng)如何判定基質(zhì)吸力對抗剪強度指標(biāo)的影響，是一項具有經(jīng)濟價值和科學(xué)價值的工作

?？辜魪姸妊芯楷F(xiàn)狀理論公式的研究：1）Bishop公式

f

c'

u()

tana

f'

u

u(w

)

tan'a2）Vanapalli

(1996)公式

f

c

(

ua

)

f

tan

(u

u

)

tan'''raw

rs3）Fredlund（1978）公式c

(

u

)

tg

(u

u

)

tg

bfa

faw

f4）包承鋼（1998）公式

f

c'()

tan

(

u

'

u

u

m

n

u

u)[lg(w

)]

tan'aawa

但是所有的方法都離不開對基質(zhì)吸力的量測，而實際工程中對基質(zhì)吸力的量測又是十分困難和不切合實際的!實驗測試

非飽和三軸測試儀：GDS

、陳正漢（2000）等

非飽和直剪儀：西班牙非飽和直剪儀（1980），陳正漢（2004）

土水特性曲線的壓力板儀Frundlund（GCTS)耗時：一個完整的三軸實驗要持續(xù)45天左右

利用河北地區(qū)代表性土樣，通過非飽和三軸實驗和常規(guī)實驗研究不同地域下非飽和土的抗剪特性，同時測定不同土質(zhì)非飽和土的土水特性曲線，并建立數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上歸納出基于土的常規(guī)試驗指標(biāo)、針對不同土體性質(zhì)適合現(xiàn)場應(yīng)用的區(qū)域非飽和土強度判斷系統(tǒng)。

研究進度安排：

2009.03.15～04.16

課題前期準(zhǔn)備工作

2009.04.17～12.16

室內(nèi)試驗研究與試驗資料的整理與分析。

2009.12.17～2010.5.15理論分析與強度公式推導(dǎo)。

2010.5.16～2010.8.31

撰寫研究報告。

2010.9.1～2010.10.31

提交研究報告，課題鑒定。1、技術(shù)路線

（1）在石家莊、邯鄲、張家口選取有代表性的非飽和土試樣，滿足做兩項平行試驗的需求；

（2）做室內(nèi)常規(guī)土工試驗，包括三軸剪切試驗，了解各個土試樣的物理力學(xué)性質(zhì)；

（3）作非飽和土的不同基質(zhì)吸力下的抗剪強度試驗，分析基質(zhì)吸力對土體強度的影響；

（4）實驗確定各原狀土土水特性曲線，分析含水量對基質(zhì)吸力的影響；

（5）編制區(qū)域原狀土土水特性曲線數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)查詢和調(diào)用功能；

（6）開發(fā)非飽和土抗剪強度快速判斷公式，并驗證其可行性。2.非飽和土抗剪強度實驗

土樣來源:河北建設(shè)勘察研究院有限公司已建和在建的非飽和土工程現(xiàn)場：代表性取土地：石家莊、邯鄲、張家口圖2-1

原狀土樣的密封包裝圖2.1試驗方法

試驗儀器：江蘇溧陽永昌工程實驗儀器廠和解放軍后勤工程學(xué)院合作研制成功的FSY30型非飽和土三軸儀試驗方案:為了考察原狀土的結(jié)構(gòu)性強度，平行對比了非飽和的重塑土三軸強度試驗。實驗的用土要與相應(yīng)的原狀土樣取自同一土樣，保持干密與原狀樣相同，分5層成樣。保持基質(zhì)吸力與原狀土樣相同的情況下進行非飽和重塑土的三軸試驗。試驗中對土樣施加不同圍壓，然后級增加軸向應(yīng)力使之剪切破壞，按破壞時的大、小主應(yīng)力繪出莫爾圓和包絡(luò)線，從而確定試樣的抗剪強度參數(shù)。本次試驗進行了三個地區(qū)不同埋深非飽和原狀、重塑土試樣的三軸固結(jié)排水剪切試驗，試驗中控制吸力為常數(shù)，試驗過程包含固結(jié)和排水剪切兩個階段。具體試驗方案列于下表。試驗方案非飽和土原狀三軸試驗非飽和土重塑土三軸試驗為了研究基質(zhì)吸力的變化對非飽和原狀土樣剪切特性的影響，分別對石莊、邯鄲、張家口三個地區(qū)不同埋深的土樣進行了不同基質(zhì)吸力的非飽和三軸試驗，得出了不同基質(zhì)吸力作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。2.3

非飽和土抗剪強度試驗結(jié)果1）石家莊地區(qū)原狀土樣80KPa埋深：3米粉粘土石

凈圍壓：1#軸向應(yīng)變80KPa埋深：5米粉土石

凈圍壓：3#軸向應(yīng)變1）石家莊地區(qū)重塑土樣80KPa石

凈圍壓：3#埋深：5米粉土軸向應(yīng)變2）張家口地區(qū)原狀土樣80kPaQ3黃土張

凈圍壓為4#軸向應(yīng)變80kPa張

凈圍壓為6#2黃土Q4軸向應(yīng)變2）張家口地區(qū)重塑土樣80kPa張

凈圍壓為6#Q42

黃土軸向應(yīng)變3）邯鄲地區(qū)原狀土樣80kPa金

凈圍壓為1#埋深

3米粉粘土軸向應(yīng)變80kPa金

凈圍壓為4#埋深6米粉粘土軸向應(yīng)變3）邯鄲地區(qū)重塑土樣80kPa張

凈圍壓為6#埋深6米粉粘土軸向應(yīng)變3）邯鄲地區(qū)重塑土樣（凈圍壓50kPa,埋深3米）軸向應(yīng)變軸向應(yīng)變2.4非飽和土抗剪強度指標(biāo)變化規(guī)律1）原狀土樣100kPa石

基質(zhì)吸力3#粉土軸向應(yīng)變100kPa張

基質(zhì)吸力6#2黃土Q4軸向應(yīng)變2）原狀土樣100kPa張

基質(zhì)吸力7#Q42

黃土軸向應(yīng)變2.4非飽和土抗剪強度指標(biāo)變化規(guī)律1）重塑土樣10kPa張

基質(zhì)吸力5#2Q4黃土軸向應(yīng)變100kPa張

基質(zhì)吸力5#24Q黃土軸向應(yīng)變從上述各圖中都可以看出，在給定基質(zhì)吸力作用下，試樣的強度隨著圍壓的增高而增高。原狀土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系由于結(jié)構(gòu)性的存在經(jīng)常呈應(yīng)變軟化型，而重塑土的應(yīng)力應(yīng)變曲線大多為應(yīng)變硬化型。本次試驗得出原狀土及重塑土在不同圍壓(80kPa，120kPa，200kPa)、同一土樣，不同基質(zhì)吸力(1O,lOOkPa)下非飽和三軸實驗破壞點的極限主應(yīng)力差值(б1-б3)列于下表。比較石家莊3#土樣在基質(zhì)吸力為100kPa作用下的抗剪強度指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，原狀土樣無論是粘聚力c，還是內(nèi)摩擦角φ，都比重塑土要大。120100806040200邯鄲石家莊050100150200250基質(zhì)吸力/kPa粘聚力隨基質(zhì)吸力增長變化曲線（重塑土）從圖中可以看出，無論是原狀土還重塑土內(nèi)摩擦角及粘聚力隨基質(zhì)吸力的增大都有所增加，粘聚力的基質(zhì)吸力增加速度較內(nèi)摩擦角要明顯，也就是說非飽和土的摩擦角和粘聚力對基質(zhì)吸力的敏感程度不同，粘聚力對基質(zhì)吸力的變化比較敏感。

借鑒Vanapallietal.(1996)以及包承鋼（2005）將基質(zhì)吸力對粘聚力的影響描述為對數(shù)關(guān)系

't'c

16.

467ln(u

u

)

c重塑土樣原狀土樣aw''c

11.1ln

(u

u

)

c

taw定義：

'c為總粘聚力為飽和狀態(tài)下土樣的粘聚力tc'3、土水特性曲線試驗研究

土水特性曲線的數(shù)值模型是非飽和土力學(xué)理論中重要的本構(gòu)關(guān)系之一

利用土水特性曲線確定非飽和土的抗剪強度受到越來越多研究者的關(guān)注。如：黃潤秋等（2007）

；Vanapalli

（1996）

；包承鋼公式

(1998)等。

確定區(qū)域非飽和土的土水特性曲線3.1土-水特性曲線測試方法

室內(nèi)試驗有體積壓力板儀法、Temple儀法、濾紙法等。

野外吸力測試可以采用張力計、熱傳導(dǎo)探頭等方法

室內(nèi)SWCC實驗的重點：基質(zhì)吸力的精確控制準(zhǔn)確的測試排出水的體積常用TEMPLE壓力板儀介紹

FredlundSWCC裝置是由FredlundD.G.教授和美國GCTS公司聯(lián)合研制開發(fā)的產(chǎn)品Fredlund

SWCC設(shè)備Fredlund

SWCC裝置示意圖

進口儀器存在的問題：價格方面都是非常貴的，

一次只能做一個試樣，效率低！很難滿足應(yīng)用的需要必須地去研究一種可以高效的測試土水特性曲線的實驗設(shè)備多終端土水特性儀的研發(fā)

1、壓力容器固定螺栓基座U型圈陶

土板安裝了15巴陶土板后的基座插拔開關(guān)蓋板壓力容器壁（銅制）安裝完成后的壓力容器（終端）

2）壓力源的選擇高壓氮氣瓶與空壓機相結(jié)合的方法

3)陶土板的選擇美國Soilmoisture公司生產(chǎn)5、15巴的陶土板4)排水量測系統(tǒng)及連接管路排水玻璃量管蒸發(fā)標(biāo)定管連接管路壓力容器（終端）自制壓力板儀的測試終端及量測系統(tǒng)5)壓力調(diào)節(jié)與控制問題氣壓管路通往終端氣壓表0～2.5Mpa氣壓表0～1.0Mpa高壓調(diào)壓閥低壓調(diào)壓閥壓力儀表調(diào)節(jié)表盤（改裝）放置土樣固定壓力室在壓力板儀上安裝原狀土樣

具有以下特點：1)

同時測試土樣多，測試系統(tǒng)的終端可以根據(jù)需要自由擴展，目前我們有8個試驗終端，三套壓力控制設(shè)備。也就是說能夠同時進行三種不同基質(zhì)吸力、8種不同土樣的SWCC試驗，大大的提高了試驗效率。3.3

水土特性曲線測試數(shù)據(jù)分析1、對比試驗

本對比試驗采用了細(xì)砂，為1.5g/cm3、2.632，空隙比為0.42，100%90%80%70%Frendlund壓力板儀自制壓力板儀60%50%40%30%20%10%0%1101001000基質(zhì)吸力/kPa不同試驗設(shè)備得到的水土特性曲線比較

2、透水實驗54.541#2#3#3.534#三軸2.521.510.50050100150200250300時間/min高進氣陶土板的滲透特性

3、土樣平衡時間曲線各級氣壓下排水量隨時間變化曲線

4、埋深對土樣水土特性曲線的影響3）張家口地區(qū)

5、土樣狀態(tài)對土水特性曲線的影響4

區(qū)域土水特性曲線數(shù)據(jù)庫的建立

非飽和力學(xué)的各項力學(xué)、水力指標(biāo)的測試是個非常耗費時間的

研發(fā)可以提高非飽和土測試速度的設(shè)備和技術(shù)

“未雨綢繆”——建立完善非飽和土特性數(shù)據(jù)庫。把非飽和土試驗這個及其費時費力的工作放在工程的前面去完成，并且可以提前完成。

借鑒國際上土水特性曲線數(shù)據(jù)庫（UNSODA）

旨在建立一個適合我國北方地區(qū)（目前主要側(cè)重于河北省范圍內(nèi)）的非飽和土特性數(shù)據(jù)庫，通過日常室內(nèi)數(shù)據(jù)積累，搜集他人研究成果等方法不斷的豐富數(shù)據(jù)，為非飽和土理論的應(yīng)用提供一個可行的選擇。4.1

土樣分布直觀圖4.2數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

利用Access-2003軟件建立數(shù)據(jù)庫，有添加記錄、查詢、以及形成報表三個主要功能。

記錄包括：檢索號，土的基本信息：分類號、名稱、取土地、土質(zhì)等，土的基本物理力學(xué)參數(shù)：容重、孔隙比、顆粒容重，級配曲線等信息

通過對這些記錄的索引，可以查的該土層的土水特性曲線。1）記錄追加

記錄查詢3）查詢結(jié)果報表5、非飽和土簡化強度判斷公式研究

非飽和土強度公式：吸附強度隨基質(zhì)吸力的非線性變化關(guān)系的描述。

基質(zhì)吸力對吸附強度的作用受到許多因素的影響，比如土的類型、粒徑組成、孔隙率、礦物質(zhì)含量與類型、飽和過程（浸水或脫水）、應(yīng)力狀態(tài)以及土的結(jié)構(gòu)性等等的影響。

Bishop的簡化線性描述，還是沈珠江等的雙曲線關(guān)系，徐永福等人的指數(shù)關(guān)系等等。

非飽和土的抗剪強度與土-水特征曲線之間必定存在某種關(guān)系。

因此近年來研究者們越來越傾向于利用水土特性曲線來提出非飽和土強度的預(yù)測公式。黃潤秋等（2007）

c'

u

'

S

u

u

'()

tan()

tanfarawVanapalli

公式：w

s

rr'

(

c

u

u

u)

tan

'

(w

)()

tan'faa包承鋼公式

(1998)：log(u

u

)

log(u

u

)

c'

(

u

)

tan'

(u

u

)[](tan')aw

rawfaawlog(u

u

)

log(u

u

)aw

raw

b

引入了土水特性曲線，然而所有的公式中仍然存在著基質(zhì)吸力相，由于基質(zhì)吸力的工程應(yīng)用這十分難以測試，這些公式在實際工程中的應(yīng)用還是非常難的。非飽和土強度判別公式

vanGenuten土水特性曲線：s

1

((u

u

)

mnreaw因此有：1n1rnu

u

()

11

n

awsr

結(jié)合Vanapalli

等人的非飽和土強度判別公式有:1w

rnw

s

rr1n'

(

c

u)

tan

'

(

(

))

tan'1n

1

)(fa

srw

s

rrSr

令相對飽和度11

nn

c

u

S

S

''

()

tan

'

(1

)

tan

1

n

farr11

n1

nn這里定義c

S

S

'為基質(zhì)吸力(1

)

tanfrr提高了的非飽和土粘聚力

非飽和強度公式可以被描述為

f

c

(

ua

)

tan

cf'即

c

(

u

)

tanftac為總粘聚力t

本研究在Vanapalli

等人的非飽和土強度判別公式的基礎(chǔ)上，提出了一個”無基質(zhì)吸力相“非飽和土強度公式；

只需進行飽和土的三軸試驗和常規(guī)土工試驗，查閱土水特性曲線數(shù)據(jù)庫，就可計算一定含水量狀態(tài)下的非飽和土抗剪強度值。

有計算速度快、精度高的優(yōu)點，滿足工程需要公式的應(yīng)用步驟

(1)進行飽和土三軸剪切實驗，確定凝聚力c和內(nèi)摩擦角：

(2)進行現(xiàn)場常規(guī)土性實驗，查閱土水特征曲線數(shù)據(jù)庫，繪出土水特征曲線。

(3)根據(jù)土水特征曲線形態(tài)確定土水特征曲線的各項參數(shù)（

vanGenuten

公式的各項）。

(4)利用式計算一定應(yīng)力狀態(tài)下的不同飽和度的非飽和土的抗剪強度值。

土體的常規(guī)飽和試驗

土水特性曲線數(shù)據(jù)庫土的基本特性參數(shù)等C,φ,Sr

,n,m,r

,s11

n1

nn

c

u

S

S

'

()

tan

'

(1

)

tan'farr6、非飽和土強度判別系統(tǒng)的建立

非飽和土強度理論的應(yīng)用成為可能。

應(yīng)用范圍廣、精度高等特點，

但是公式本身參數(shù)較多，在工程計算中計算有些不便。

開發(fā)了非飽和土強度查詢系統(tǒng)，以快捷便利的查找基質(zhì)吸力所引