非飽和土的抗剪強(qiáng)度土力學(xué)課syk

非飽和土的抗剪強(qiáng)度

孫月凱目錄

理論的研究與進(jìn)展基質(zhì)吸力與吸附強(qiáng)度

基質(zhì)吸力對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度影響

總結(jié)理論的研究進(jìn)展

非飽和土分布十分廣泛，與工程實(shí)踐密切聯(lián)系的地表土幾乎全都是非飽和土，含水量或飽和度的變化常使非飽和土的工程特性發(fā)生巨大變化，導(dǎo)致非飽和土邊坡滑移失穩(wěn)地表隆起或沉降，并給其上的建筑物和構(gòu)筑物的安全帶來(lái)威脅，每年造成的很大經(jīng)濟(jì)損失.理論的研究進(jìn)展非飽和土的強(qiáng)度是土體粒間作用力的宏觀反映，是非飽和土理論研究最主要的內(nèi)容之一，土的抗剪強(qiáng)度是土的一個(gè)重要力學(xué)性質(zhì)，它的準(zhǔn)確確定對(duì)土坡和地基穩(wěn)定分析及土壓力計(jì)算至關(guān)重要。在非飽和土強(qiáng)度研究進(jìn)程中，眾多學(xué)者對(duì)非飽和土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和理論研究!提出了各自的抗剪強(qiáng)度公式!并逐漸考慮了更多因素的影響B(tài)ishop理論

式(2)中c′和φ'是飽和土的有效凝聚力和有效內(nèi)摩擦角；U(w)為空隙水壓力；U(a)為空隙氣壓力；χ是與土的飽和度有關(guān)的參數(shù),稱為非飽和土有效應(yīng)力參數(shù),χ=0~1.0，飽和土的χ=1.0，干土的χ=0。Khalili等(1998)利用14種土的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了14種土的有效應(yīng)力參數(shù)χ和基質(zhì)吸力的關(guān)系，通過(guò)對(duì)這14種土的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，繪出了參數(shù)χ和基質(zhì)吸力比非飽和土有效應(yīng)力參數(shù)χ與非飽和土的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力歷史、飽和度及問(wèn)題性質(zhì)(是變形問(wèn)題還是強(qiáng)度問(wèn)題)等因素有關(guān),不易精確測(cè)定；

可以看出Bishop等試圖用線性理論來(lái)描述，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果在基質(zhì)吸力比較低的時(shí)候比較符合，基質(zhì)吸力大時(shí)是非線性的.fEDLUND的理論及修正參數(shù)tanφb為基質(zhì)吸力的內(nèi)摩擦系數(shù)，對(duì)于同一種土樣為常數(shù).這一理論公式提出時(shí)假設(shè)非飽和土抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力成線性正比關(guān)系，對(duì)于基質(zhì)吸力恒定的非飽和土樣，其摩爾圓與飽和土的摩爾圓一樣，當(dāng)基質(zhì)吸力變化時(shí)非飽和土的摩爾圓也隨著變化。非飽和土抗剪強(qiáng)度公式提出后，及其領(lǐng)導(dǎo)的非飽和土研究小組通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)這一理論公式進(jìn)行驗(yàn)證，大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明非飽和土抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力并不成線性正比關(guān)系，對(duì)同一土樣吸力內(nèi)摩擦系數(shù)也不是常數(shù)而是隨基質(zhì)吸力的變化而變化,當(dāng)土樣的飽和度降低基質(zhì)吸力增大時(shí)的tanφ(b)值逐漸減小fEDLUND的理論及修正非飽和膨脹土盧肇鈞等(1992，1997)通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)非飽和膨脹土的膨脹力與吸力及含水量、非飽和膨脹土的膨脹力與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行了研究，得到了用膨脹力表示的非飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度非飽和黃土黃土遇水產(chǎn)生濕陷變形，是另一類典型的非飽和土，含水量的變化對(duì)抗剪強(qiáng)度有很大影響。黨進(jìn)謙和李靖(1997)以陜西關(guān)中地區(qū)的馬蘭黃土為對(duì)象進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)定和分析，研究了非飽和黃土的抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力變化的特征，給出的抗剪強(qiáng)度公式為從粒間吸力對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度理論的解釋

湯連生(2001)通過(guò)對(duì)非飽和土粒間吸力的研究，將作用于非飽和土顆粒上的并對(duì)顆粒間相互作用有貢獻(xiàn)的吸力(簡(jiǎn)稱粒間吸力)分為：本征結(jié)構(gòu)吸力、可變結(jié)構(gòu)吸力、有效基質(zhì)吸力(孔隙氣壓力ua，孔隙水壓力uw)、濕吸力和牽引力五類吸力，如下圖示。

抗剪強(qiáng)度公式的特點(diǎn)

非飽和土抗剪強(qiáng)度由有效粘聚力，凈法向應(yīng)力引起的抗剪強(qiáng)度以及基質(zhì)吸力引起的吸附強(qiáng)度三個(gè)部分所組成

與飽和土的區(qū)別主要在于因基質(zhì)吸力而產(chǎn)生的吸附強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度公式的差異主要表現(xiàn)在吸附強(qiáng)度公式的不同，進(jìn)而導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度公式的多樣化，同時(shí)也表明當(dāng)前非飽和土抗剪強(qiáng)度研究的廣泛性和差異性.基質(zhì)吸力與吸附強(qiáng)度基質(zhì)吸力通常同水的表面張力引起的毛細(xì)現(xiàn)象有關(guān)!其大小等于孔隙氣壓力和孔隙水壓力之差!即基質(zhì)吸力對(duì)于粘性土和砂土來(lái)說(shuō)!基質(zhì)吸力通常為吸力的主要組成部分!且易受外界環(huán)境的影響"基質(zhì)吸力能反映以非飽和土的結(jié)構(gòu)土顆粒成分及孔隙大小和分布形態(tài)等為特征的基質(zhì)對(duì)土中水分的吸持作用!是控制非飽和土力學(xué)性狀的關(guān)鍵因素基質(zhì)吸力與吸附強(qiáng)度吸附強(qiáng)度來(lái)源于基質(zhì)吸力所產(chǎn)生的負(fù)孔隙水壓力，負(fù)孔隙水壓力在土骨架的內(nèi)部產(chǎn)生有效應(yīng)力，因而產(chǎn)生這種與外力無(wú)關(guān)的強(qiáng)度，由于吸附強(qiáng)度與外力無(wú)關(guān)，當(dāng)用常規(guī)試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，吸附強(qiáng)度與一般粘聚力的性質(zhì)相似，所以又可稱之為表觀粘聚力.土-水特征曲線土壤水分特征曲線一般也叫做土壤特征曲線或土壤pF曲線，它表述了土壤水勢(shì)（土壤水吸力）和土壤水分含量之間的關(guān)系。通常土壤含水量Q以體積百分?jǐn)?shù)表示，土壤吸力S以大氣壓表示?；|(zhì)吸力對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度影響

無(wú)黏性土的凝聚力來(lái)自土中水的毛細(xì)作用，毛

細(xì)作用主要發(fā)生在土-水特征曲線的過(guò)渡區(qū)，此時(shí)土

體中的水和空氣是連通的，均可以發(fā)生流動(dòng)，屬于

雙敞開體系，氣-水界面的收縮膜上的表面張力的反

作用力作用在土粒上，對(duì)土粒產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而造

成土的凝聚力增加。當(dāng)土中的水逐漸減少時(shí)(從主要

過(guò)渡區(qū)到次要過(guò)渡區(qū))，氣-水界面的收縮膜也相應(yīng)

減少，使得作用在土體內(nèi)的總壓應(yīng)力逐漸減少，凝

聚力也逐漸減少。在土-水特征曲線的進(jìn)氣值之前的部分，由于土體接近飽和，土中少量的氣體被水所包圍，屬于氣封閉體系，這部分的氣-水界面的收縮膜的表面張力并不直接作用在土體上。因此，不會(huì)產(chǎn)生明顯的凝聚力，且由于土粒完全被水所包圍，起到潤(rùn)滑的作用。土的內(nèi)摩擦角幾乎不變，其后隨著基質(zhì)吸力的增加，摩阻力增加，土的內(nèi)摩擦角也增加。

在邊界效應(yīng)區(qū)與過(guò)渡區(qū)的部分，黏性土凝聚力

隨基質(zhì)吸力增加而增加，且增加的斜率近似于

tanφb值，斜率隨吸力增加而稍減。內(nèi)摩擦角的變化趨勢(shì)與無(wú)黏性土相同。在進(jìn)氣值之前，土的內(nèi)摩擦角幾乎不變，其后隨著吸力的增加而增加。但在非飽和殘余區(qū)，凝聚力將隨土的狀態(tài)路徑的不同而改變。總結(jié)研究了非飽和土在脫濕(或干燥)過(guò)程、基質(zhì)吸力增大的過(guò)程中非飽和土抗剪強(qiáng)度隨吸力的的變化規(guī)律。由于非飽和土在干、濕