一种考虑物理化学作用的膨胀土强度评估模型

摘要

本发明涉及一种考虑物理化学作用的膨胀土强度评估模型。该模型基于土颗粒和水之间的物理化学作用分析，首先根据膨胀土的脱湿或增湿试验数据，得到传统的土水特征曲线；其次，通过计算总吸力、吸附力(也即物理化学作用力)和饱和度之间的关系，得到总吸力和吸附力随饱和度的变化曲线；最后，利用饱和时的强度，以及一个参考吸力下的强度，实现膨胀土不同吸力下的强度预测。与现有技术相比，本发明具有能够考虑膨胀土土水之间的显著物理化学作用的效果，模型参数具有物理意义并且容易确定等优点，能够解决现有强度预测模型只能针对一种土的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及非饱和土强度领域，尤其是涉及一种考虑物理化学作用的膨胀土强度评估方法。

背景技术

膨胀土分布占我国国土面积的1/10，20余个省、市、自治区均有膨胀土的存在。实际工程中的原状膨胀土多处于非饱和状态，具有胀缩性、裂隙性和超固结特性。自然环境中降雨量或相对湿度的往复变化会引起膨胀土中含水量的变化，并且使得土体产生显著的变形，从而引起建筑物地基的不均匀沉降、边坡滑塌、输电塔隆起破坏、挡土墙破坏、路堑破坏等自然灾害。此外，将膨胀土有益地用作核废料的工程屏障也提高了学者们的兴趣。

非饱和膨胀土作为一种特殊土的类型，其行为较为复杂，产生的机理亦异于一般的非饱和土。非饱和膨胀土中集聚体的存在使得大小孔隙分布明显，通常具有多尺度的孔隙结构特征，土中液相的性质随孔隙的尺寸和其在孔隙中的位置的不同而变化，黏土小孔隙之间的物理化学作用明显。

由于含有高含量的强亲水矿物(即蒙脱石和伊利石)，它们的力学行为对吸力变化特别敏感，并且受到水和粘土矿物之间的物理化学作用的强烈影响(Lu和Likos，2006；Baker和Frydman，2009)。这就是为什么对这类膨胀土的研究一直是一个重要而富有挑战性的问题。

膨胀土的非饱和抗剪强度对于理解和解释膨胀土的力学行为具有重要作用。由于非饱和土抗剪强度试验采用的是吸力控制设备，造价高、耗时长，而且需要训练有素的人员，因此人们提出了利用不同的预测公式来获得抗剪强度的简单和间接的方法。其中许多公式使用土水特征曲线(SWCC)和饱和剪切强度参数来评估土体的非饱和剪切强度(Vanapalli等人，1996；Oberg和Sallfors，1997；Khalili等人，1998；Lee等人，2003；Tekinsoy等人，2004；han和Vanapalli，2016)。其他有采用双曲线关系来表示非饱和剪切强度的非线性破坏包络线的强度评估方法(沈和余，1996；徐，1997；苗等人，2002；江等人，2004)。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑物理化学作用的膨胀土强度评估模型。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：首先基于土颗粒和水之间的物理化学作用分析，根据膨胀土的脱湿或增湿试验数据，得到传统的土水特征曲线；其次，通过计算总吸力、吸附力(也即物理化学作用力)和饱和度之间的关系，得到总吸力和吸附力随饱和度的变化曲线；最后，利用饱和时的强度，以及一个参考吸力下的强度，实现膨胀土不同吸力下的强度预测。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)膨胀土作为一种特殊土的类型，由于含有高含量的强亲水矿物(即蒙脱石和伊利石)，水和粘土矿物之间存在明显的物理化学作用，这一作用在本评估模型中得到了考虑；

(2)本发明评估模型可以考虑外力、土体结构对膨胀土强度的影响，可以评估直剪、三轴状态、排水或者不排水状态下的膨胀土强度；

(3)本发明评估模型所需要的数据来源于常规的剪切试验，不需要额外的试验支撑(例如压汞试验)，模型参数具有物理意义且容易确定。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为FX土水特征曲线；

图3为物理化学作用大小；

图4为枣阳膨胀土的强度评估曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本实施例以枣阳膨胀土为例，说明本发明评估模型的适用性及具体计算分析步骤。

如图1所示，本发明涉及一种考虑物理化学作用的膨胀土强度评估模型，该方法包括以下步骤：

步骤1：确定FX形式土水特征曲线；

进行枣阳膨胀土的脱湿试验，得到吸力和饱和度之间的关系，如下表1所示。

表1枣阳膨胀土的脱湿试验

利用FX土水特征曲线的拟合公式，编写MATLAB小程序进行参数的拟合，具体使用fittype函数，给定FX拟合公式中合理的参数取值范围：下界为opts.Lower＝[0.4，1，0，0]；上界为opts.Upper＝[0.5，2000，12，12]；起始点为opts.StartPoint＝[0.68，100，1，1]；从而确定土水特征曲线传统模型，如图2。

步骤2：确定物理化学作用大小；

根据热力学之间的平衡关系推导(Wei，2014；Ma et a1，2016，2019)，孔隙水和土颗粒之间的物理化学作用可以表示为：

Π＝Π

其中ρ

对于一般的工程问题而言，由于离子浓度变化不大，渗透吸力Π

Π≈-ρ

根据吸附力和总吸力之间的关系，编写MATLAB小程序进行量化，具体使用quad函数，利用已知的FX土水特征曲线公式，求得物理化学作用(也即吸附力)的大小，如图3。

步骤3：确定饱和强度和参考吸力下的强度；

对枣阳膨胀土进行饱和情况下的三轴剪切试验，以及吸力为200kPa下的非饱和三轴剪切试验，围压设置50kPa和200kPa。试验数据如表2所示。

表2枣阳膨胀土的三轴试验数据

值得注意的是，所选取的参考吸力可以是随机值，对结果影响不大。但所有的强度试验应当做到试验精确。

步骤4：评估枣阳膨胀土的非饱和强度；

工程情况膨胀土多为非饱和状态，非饱和土的强度可以分为饱和强度和吸力贡献的强度：

Q＝Q

Q

Q

其中Λ表示外力、试验技术和土体结构对强度的贡献，S

Q

利用参考吸力下的强度公式将Λ消去之后得到膨胀土的强度公式：

根据以上膨胀土的强度评估模型，得到枣阳膨胀土的强度评估曲线，如图4。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。