非饱和土的吸力与强度理论研究及其试验验证

摘要

本文基于理论分析，对于非饱和的理想颗粒组成体系建立了吸力理论与强度理论，并试图利用这些理论阐明实际非饱和土的强度特性，进而采用非饱和土的试验研究对所提出的基本概念与理论体系进行验证，为非饱和土的工程特性及其本构模型研究奠定基础。研究工作主要包括下列内容。 1.在水封闭情况下，基于圆形弯液面假设、接触角协调性要求和热力学基本理论，针对规则等直径球形颗粒建立了颗粒间弯液面方程，运用迭代法对这一非线性方程组进行了求解，进而确定了理论意义上的基质吸力。基质吸力实际上是一个分布面力，其总体作用效应同时包括面力的大小及其作用面积两个因素。将作用于颗粒局部表面积上的基质吸力在整个颗粒表面上进行平均后作为等效基质吸力。进一步地，类似于描述吸力与饱和度之间关系的土—水特征曲线，将等效基质吸力与饱和度之间的关系曲线定义为广义土—水特征曲线。基于最松散堆积状态的理想模型分析表明，与基质吸力相比，由于考虑了面积效应，等效基质吸力较小，且随饱和度的变化并不象基质吸力那样十分显著；无论基质吸力还是等效基质吸力，均随颗粒空间排列间隙的增大而迅速减小；另外，土—水特征曲线和广义土—水特征曲线都依赖于孔隙水与固体颗粒之间接触角的变化。 2.目前，普遍接受的非饱和土分类方法把非饱和土分为水封闭、双开敞和气封闭等三类。液体表面存在表面张力作用，液面在颗粒表面的搭接使得表面张力对颗粒产生拉结作用。这种拉结作用类似于基质吸力的作用，但与基质吸力是两个完全不同的概念，其在基质吸力作用面积上的等效作用定义为张力吸力。孔隙水弯液面与土颗粒表面是否搭接决定了这种张力吸力存在与否。因此根据孔隙水弯液面与土颗粒表面的搭接状态，将双开敞非饱和土细分为搭接双开敞非饱和土和不搭接双开敞非饱和土。在水封闭非饱和土和搭接双开敞非饱和土中，由于孔隙水弯液面搭接在颗粒表面上，同时存在基质吸力与张力吸力，因此在本质上可以将这两类非饱和土归并为搭接非饱和土。类似地，在不搭接双开敞非饱和土和气封闭非饱和土中，由于孔隙水弯液面与颗粒表面不搭接，此时可能存在或不存在基质吸力，依赖于孔隙水的状态，但一定不会存在张力吸力，因此在本质上可以将这两类非饱和土合并为不搭接非饱和土。根据张力吸力存在的可能性，非饱和土可以分为搭接非饱和土和不搭接非饱和土两种体系。这种分类体系将非饱和土的孔隙形态与相间相互作用机理相联系，因而具有更严密的科学基础。 3.为了考察非饱和土的吸力特性，针对水封闭条件下规则等直径球形颗粒最松散堆积状态和最紧密堆积状态，根据热力学理论与几何关系，通过理论分析，分别建立了基质吸力与张力吸力的理论算式。同时为了揭示张力吸力和基质吸力之间的相对关系，将张力吸力与基质吸力之比定义为吸力比。在颗粒间距为0的条件下针对不同的饱和半径计算了这两种吸力，并对此进行了分析，通过计算考察了吸力比对于饱和半径或饱和度的依赖性。计算表明，在水封闭状态，吸力比远远大于0，而且在多数情况下一般大于1。将此结果推广到一般非饱和土得出：在水封闭非饱和土中，和基质吸力一样，张力吸力的作用是不容忽略的。基于球形颗粒最松散堆积状态，基于曲线拟合分别建立了吸力比与饱和半径之间的指数型经验关系、吸力比与饱和度之间的非线性关系。进一步地，将基质吸力与张力吸力之和定义为合吸力，同时考虑作用面积效应，建立了等效张力吸力和等效合吸力。在水封闭状态，随着饱和度的增大，等效基质吸力减小，等效张力吸力增大，等效合吸力变化不大。 4.基于理想化颗粒排列模型，建立了水封闭状态、搭接双开敞状态和不搭接双开敞状态三者之间的临界条件。进一步地，针对搭接双开敞状态，在不同接触角情况下，通过计算探讨了基质吸力和张力吸力特性，得到了基质吸力和张力吸力及其相应等效吸力随饱和度的变化规律。由此发现：在搭接双开敞阶段，张力吸力高于基质吸力；两种吸力均随饱和度的增大而迅速降低，其中基质吸力在不太高的饱和度(约30％左右)条件下消失；张力吸力在基质吸力已经消失的情况下仍然会发挥一段作用，此时成为合吸力的唯一来源，但在饱和度约为35～45％时也将全部消失。各种吸力随着孔隙液体与颗粒之间接触角的增大显著地变化，因此上述吸力概念及其确定方法能够在一定程度上反映颗粒的矿物成分对各种吸力及土—水特征曲线的影响。考虑到当饱和度未超过水封闭状态和搭接双开敞状态之间的临界饱和度之前，液面与颗粒表面的搭结长度随着饱和度的增大而增大，而当饱和度超过水封闭状态和搭接双开敞状态之间的临界饱和度之后，液面与颗粒表面的搭结长度随着饱和度的增大而迅速减小，因此，随饱和度增大，这个水封闭状态与搭接双开敞状态之间的临界点是张力吸力由增大变为减小的转折点。随着含水量从0逐步增大到100％，等效基质吸力随饱和度增加而单调地减小，等效张力吸力则先随饱和度的增加而增大，当超过水封闭状态和搭接双开敞状态之间临界点之后，等效张力吸力则随饱和度的增大而减小直至完全消失。 5.对于理想排列的单元体系，分别针对存在颗粒缺位和没有颗粒缺位两种情况下分析了外加平均均等压力和粒间吸引力对变形和强度的作用效应。由此表明，在没有颗粒缺位的理想条件下，Bishop假设是成立的。而在存在颗粒缺位的条件下，与粒间吸引力作用效应相比，外加平均均等压力对粒间摩擦力、咬合力及体变的贡献较大。但是，考虑到目前实验与测试技术的局限性，定量地探讨这两种作用力对松散介质变形和强度的影响及其相互关系还是非常困难的。因此，这里在分析各种吸力对非饱和土工程性质的影响时仍然借助Bishop的等效性假设。考虑到在线性Mohr-Coulomb破坏准则中抗剪强度线性地依赖于周围的约束压力，因此可以认为等效吸力对强度的贡献也是线性的。当考虑了作用面积的效应之后，张力吸力和基质吸力对强度的贡献可以合并为等效合吸力对强度的贡献。由于张力吸力和两种吸力的作用面积无法直接测定，因此为了确定等效合吸力，必须首先建立等效合吸力与基质吸力之间的相互关系。根据理论分析与计算结果，通过曲线拟合，得到了各种非饱和状态下球形颗粒最松散堆积时的等效合吸力与基质吸力之间的经验关系。对于水封闭非饱和状态，等效合吸力线性地依赖于基质吸力，于是可以采用线性方程表达抗剪强度对于基质吸力的依赖关系。对于搭接双开敞非饱和状态，当既使不存在基质吸力时，由于张力吸力的作用，使得等效合吸力并不为0，因此在等效合吸力与基质吸力之间的线性关系中含有一定初始截距，从而抗剪强度与基质吸力之间的关系可以采用含有一定截距的斜直线近似地表示。对于不搭接非饱和状态，不存在相间吸力，非饱和性对强度没有任何影响。 6.根据正交试验原理，分别对重塑黄土和南阳膨胀土的非饱和三轴剪切试验结果、重塑Madrid灰粘土的非饱和直剪试验结果、重塑西安黄土的非饱和抗压试验结果进行了正交分析，以此论证了非饱和土强度对于净正应力和基质吸力依赖性的相互独立性，因此可以认为净正应力和基质吸力对非饱和土强度的贡献没有耦合或交互作用，因而可以单独探讨净正应力和基质吸力对强度的贡献，并将这两部分效应直接通过代数叠加确定非饱和土的总体强度。根据理想模型中基质吸力与等效合吸力之间的依存关系，在饱和度由0至100％之间的变化范围内，非饱和状态可以划分为水封闭和搭接双开敞状态(广义的搭接非饱和状态)、不搭接双开敞和气封闭状态(广义的不搭接非饱和状态)等2类，进一步地根据各个状态下基质吸力与张力吸力的存在性及其依存关系和强度对于吸力的线性依赖关系中的斜率，非饱和土的强度可划分为水封闭直线阶段、搭接双开敞直线阶段(基质吸力与张力吸力始终同时存在)、搭接双开敞中阶梯阶段(基质吸力不存在而张力吸力始终存在)、不搭接双开敞常数阶段等4个阶段。考虑到实际中土颗粒大小的非均等性、颗粒形状的不规则性、颗粒级配的多样性和颗粒矿物成分的复杂性及多变性，以基质吸力为基本参数，建议了连续和可导的非饱和土强度公式。由于张力吸力的存在，在基质吸力消失的情况下，强度对于基质吸力的导数可能为无穷大；同时考虑到在水封闭状态下等效合吸力对于基质吸力的线性依赖性，因此此时强度曲线应存在一条斜的渐近线。鉴于土的强度一般认为由凝聚分量、咬合分量和摩擦分量三部分组成，凝聚分量和咬合分量由土本身的性质决定，而摩擦分量依赖于外加正应力或基质吸力和张力吸力，因此基于理想化模型建立起来的土的非饱和性对强度的贡献可以应用于真实的土体。 7.为了验证所提出的上述非饱和土吸力理论和强度理论的正确性和合理性，利用普通三轴剪切试验仪、压力板仪和GDS非饱和土三轴仪，针对饱和土、高饱和度非饱和土、自然风干的低饱和度非饱和土，设计并进行了一定量的试验，以此探讨了高饱和度和低饱和度或水封闭两种极端状态下非饱和土的强度特征和破坏特点。试验表明，在高饱和度条件下，非饱和土的吸力摩擦角大于与净正应力对应的摩擦角；在低饱和度或水封闭条件下，强度基本上随基质吸力的增加线性地增大。由此可以论证，在非饱和土中，除了基质吸力之外，还存在一种额外内力对强度产生影响，可以认为是张力吸力。通过观察试样宏观破坏形态，可以发现非饱和土试样的破坏发生在某个明显的斜截面上。 8.利用非饱和土的抗剪强度理论，建立了基质吸力变化时K0状态下非饱和土竖向压缩的一维本构模型，考虑干燥裂缝时分析了垂直切坡的临界自稳高度。

目录

文摘

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1 绪论

2 水封闭非饱和土的基质吸力研究

3 水封闭非饱和土的张力吸力理论

4 搭接双开敞非饱和土中的吸力分析

5 基质吸力与强度的关系

6 理论和实用强度关系表达式的研究

7试验验证

8 非饱和土强度理论的应用

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文和主持参加科研情况

创新点摘要

致 谢