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孔隙比变化对非饱和土的力学行为影响研究

郑国锋  
【摘要】:非饱和土广泛存在于世界上绝大多数国家和地区,全面了解其力学行为是经济且有效地解决与非饱和土相关工程问题的基础。尽管最近几十年来,学者们对非饱和土的性质进行了大量的研究,也提出了大量的本构关系去描述非饱和土的力学行为,仍然还有很多需要解决的问题。非饱和土的很多力学性质都与土水特征曲线(Soil-water characteristic curve,SWCC)有着密切的联系,而孔隙比影响非饱和土的SWCC。本文主要从强度、体变以及渗透系数三个方面研究孔隙比变化对非饱和土基本力学性质的影响。结合数字图像测量系统,将常规的非饱和土三轴仪进行必要的改进。假定标准的三轴试样在变形时是侧面形状为抛物线型的旋转体,根据全表面应变场将试样进行三维重构,提出一种非接触式的体积测量方法。在饱和土试验中用该方法与天平的排水体积进行比较,证明所提出的方法在测量三轴试样体积的准确性并可直接应用于非饱和土的试验中。应用此方法并测量试样的排水量,可以直接或间接地获得非饱和土在三轴试验中的所有物理力学指标。选取一种高岭土和尾矿的混合土料作为试验材料,进行一系列的SWCC试验、控制吸力的等向固结试验和控制吸力的三轴试验,除了常规的试验结果以外,在试验中观察到初始近似饱和的混合土在吸力平衡时的体变行为具有三个明显的阶段,即初始固结阶段、稳态渗流阶段和二次固结阶段。整理文献中的若干组强度试验数据,发现当使用单一的SWCC去描述非饱和土的土水状态时,基于有效应力的抗剪强度公式能比较准确地预测大部分非饱和土的强度,但是对一些砂性土,尤其是密度较低或相对松散的土,传统的强度公式预测误差比较大。分析SWCC形态变化对非饱和土抗剪强度的影响,将状态曲面函数引入传统的强度公式,提出一个孔隙比相关的抗剪强度准则。根据新的强度准则,精确确定特定净应力下的吸力强度曲线需要将对应净应力下的收缩曲线引入状态曲面函数;而精确确定净应力强度曲线时,需要将不同吸力的等向固结曲线引入状态曲面函数来准确描述非饱和土的土水状态。整理混合土的试验数据发现,当考虑孔隙比变化对SWCC的影响时,强度公式能更精确地预测混合土的抗剪强度,也能合理地解释吸力影响净应力强度曲线的斜率、净应力改变吸应力强度曲线的形状等一些相对复杂的非饱和土力学形为,表明该混合土料的净应力和吸力对抗剪强度的贡献并非独立。随后,选取文献中的数据,对新的抗剪强度准则进行了进一步的验证。对混合土料和另外一种标准高岭土在自然状态下进行一系列的干燥收缩试验,结合收缩曲线和相应的等向固结曲线得到吸应力固结曲线,数据表明吸应力固结曲线与相应饱和土的等向固结曲线近似重合,形态也一致。因此,认为在等向受力条件下,作为内力的吸应力和作为外力的净应力对土体变形的作用效果是相同的。为了描述非饱和土在等向受力条件下发生湿化的体变行为,将有效饱和度作为一个变量,在有效应力、有效饱和度和比体积三维空间内建立一个虚拟的等向固结曲面。非饱和土在湿化时,其体积变化是有效应力降低的卸载过程和屈服应力降低共同作用的结果,而湿陷发生时屈服应力降低在其体积变化中占据主导作用。由于状态曲面函数描述了非饱和土在湿化稳定后的土水状态,因此结合等向固结曲面和状态曲面函数,可以确定土体湿化的体积变化。对刚性土,孔隙比对渗透系数的影响主要是由初始孔隙比决定,分别提出考虑初始孔隙比影响的相对渗透系数和饱和渗透系数模型,并通过文献中的若干组试验数据对提出的模型进行验证,表明这两种模型均能比较精确地预测相应的渗透系数,也就能精确地预测非饱和刚性土的渗透系数。预测结果表明,在试验吸力范围内,刚性土在进气值以后的相对渗透系数与吸力在双对数坐标系下可以近似看成一条直线,不同孔隙比的相对渗透曲线的斜率几乎相同。对可变形土,考虑吸力变化同时对孔隙比和饱和度的影响,结合收缩曲线和状态曲面函数确定非饱和土在不同吸力下的孔隙比和土水状态,用数值的方法可计算出特定初始孔隙比的相对以及饱和渗透系数。


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