基于吸应力的强度分析_刘岩.pdf

第 14 卷 第 4 期2023 年 2 月黑龙江科学HEILONGJIANG SCIENCEVol.14Feb.2023基于吸应力的强度分析刘岩，邵彦平(甘肃林业职业技术学院 建筑工程学院，甘肃 天水 741020)摘要:土中含水量或孔隙水压力与孔隙气压力变化引起的有效应力可通过吸应力特征曲线表示，与土 水特征曲线相互联系，通过非饱和黄土压力板仪试验结果拟合出吸应力与有效饱和度之间的关系曲线。与直剪试验和三轴剪切试验结果进行对比分析发现，对于非饱和黄土来说，吸应力特征曲线可通过剪切强度试验来确定，从而为压力板仪试验得出的吸应力特征曲线提供参照。关键词:抗剪强度;土水特征曲线;吸应力特征曲线中图分类号:TU43文献标志码:A文章编号:1674 8646(2023)04 0009 04Strength Analysis Based on Suction StressLiu Yan，Shao Yanping(School of Civil Engineering，Gansu Forestry Polytechnic，Tianshui 741020，China)Abstract:The effective stress part caused by the change of water content or pore water pressure and pore gas pressure inthe soil can be represented by suction stress characteristic curve.The suction stress characteristic curve and the soil-water characteristic curve are interrelated.The relationship between the suction stress and the effective saturation fittedby the pressure plate test results is compared with the results of unsaturation and loess pressure plate test.The results ofdirect shear test and the triaxial shear test are compared.For unsaturation and loess，suction stress characteristic can bedetermined through shear strength.This provides good reference for the suction stress characteristic curve obtained by thepressure plate test.Key words:Shear strength;Soil-water characteristic curve;Suction stress characteristic curve收稿日期:2022 12 21基金项目:2022 年甘肃省教育科技创新项目“基于吸应力下非饱和黄土强度分析”(2022B 354)作者简介:刘岩(1982 )，男，本科，讲师。0引言基于 Terzaghi 的饱和土有效应力原理，Bishop1 于 1959 年提出了最具代表的单应力变量的抗剪强度准则:f=c+(ua)+(ua uw)tan(1)式中:f为破坏时的剪应力，c为有效黏聚力，ua为净应力，uw、ua为孔隙水压力和孔隙气压力，uauw为基质吸力，为有效内摩擦角，从 0 1 变化，与饱和度一一对应，为有效应力参数。Aitchison2、Jennings3 和 Donald4 对单应力变量强度准则进行了进一步的推导，指出单应力变量强度准则不能很好地解释非饱和土的湿陷现象，而 Khalli5 等认为，公式(1)中的有效应力参数 与饱和度没有唯一的关系，只是在饱和土有效应力基础上提出的宏观、经验性的关系式，物理机制不明确，最大缺点是只对应力变化进行了描述，不能解释含水量变化对土的内部结构与工程性质的影响，但因在一定的条件下能较好地应用于工程实际而被采纳。基于单应力变量的不足，人们开始探讨采用双应力变量来描述非饱和土性质，典型代表有 Coleman6(1962)、BishopBlight7(1963)、Blight8(1967)等提出的。Fredlund 和 Morgestern9(1977)通过试验验证了基质吸力可作为独立变量，故而采用 ua和 uauw的双应力变量得以被广泛接受，提出的抗剪强度准则如下:f=c+(ua)tan+(ua uw)tanb(2)式中:b为摩擦角，其大小与抗剪强度随基质吸力增加的速率有关，等式右边第三项表示吸力对强度的贡献。这两个独立应力变量在三轴试验中是可控的，加载路径明确，且不含有效应力参数，减少了变量，增大了试验结果的准确性。但该理论存在以下缺点:理论基础不够完善，不能转化为饱和土有效应力。Wheeler10(2003)等认为，采用这两个独立应力变量不能唯一地确定土体的有效应力，还会受到饱和度对土体的影响，由于高吸力的局限性，很难处理强度随吸力的变化。9Lu11 15 将由负孔压和表面张力综合作用在非饱和土骨架上的净粒间作用力定义为吸应力，用 s表示，提出土体的抗剪强度是摩擦强度。该摩擦力主要是饱和土中的范德华力和双电层力及非饱和土中的基质吸力产生的法向力形成的，由此提出了抗剪强度公式:f=c0+f(ua uw)tan+(ua)tan=c0+c+(ua)tan(3)式中:c0与 c为非饱和土表观黏聚力，其中 c是由吸应力引起的毛细黏聚力，有效黏聚力 c=c0+c通过常规试验所得。Lu 提出的吸应力强度理论不需要测定基质吸力，通过常规直剪试验就可实现，能更好地应用于工程实际中。基于这一思路，测得 5 种不同含水率的常规直剪试验条件下的强度参数，绘制出吸应力曲线，与利用压力板仪测得的土水特征曲线得出的吸应力特征曲线进行对比分析，将其用于预测非饱和黄土吸应力值。1应力状态变量基于单应力变量的有效应力及 Fredlund 提出的采用两个独立应力变量来表示非饱和土有效应力，Lu 和Likos(2006)12 在有效应力方程中定义了一个新的应力变量，称为吸应力 s，取代有效应力参数 和基质吸力(ua uw)来定义粒间应力。根据吸应力概念，非饱和土中有效应力可以描述为:=(ua)s(4)式中:s定义为土的吸应力，一般形式为:s=(ua uw)ua uw0f(ua uw)ua uw0(5)式中:f(ua uw)表示与基质吸力有关的函数。因此，抗剪强度公式可表示为:f=c+(ua)s tan(6)由式(3)、(6)可知:c=f(ua uw)tan=stan(7)因此，吸应力和有效强度参数之间的关系由式(7)可知:s=ctan(8)Lu 认为基质吸力作为状态变量，需转换为吸应力这一应力变量，并根据土水特征曲线试验结果计算非饱和状态下的吸应力，如下式:s=(ua uw)Se(9)土水特征曲线通过 Van Genuchten(1980)提出的三参数模型得到了很好的拟合，表达式为:Se=11+(ua uw)nm(10)式中:m=1 1n，=1ub;ub为进气压力值，n 与土的孔径分布有关，通常情况下 n 值越大，孔径范围越大，取决于地质条件和气候条件，具有各种粒径的土可能导致各种孔径，Se为有效饱和度，有效饱和度由下式可得:Se=w rs r(11)式中:w为体积含水率，s为饱和体积含水率，r为残余体积含水率。根据式(9)、(10)，吸应力可用封闭形式的曲线方程来表示，可作为有效饱和度的函数，如公式(12):s=Se(Sn1 ne1)1n0Se1(12)2试验设备及原理2.1试验设备非饱和土土 水特征曲线(SWCC)试验所用仪器为FSTY 1 型非饱和土土水力特征曲线压力板仪(江苏永昌科教仪器制造有限公司生产)，轴向荷载 0 10 kN，孔隙气压为0 10 kPa，应变速率为 0.01 10 mm/min，轴向位移通过试样顶部的轴向位移计量测，排水量通过控制面板上的体变管读出。试验过程通过电脑读数，采集结果包括土体的轴向压力、孔隙气压、孔隙水压、轴向位移和排水。在室内使用三联式非饱和土直剪仪(江苏溧阳市永昌工程实验仪器设备有限公司生产)进行直剪试验，研究黄土的强度特性，试验过程不加气压。2.2试验方案考虑到黄土的孔隙特性，取施工现场的原状黄土削成土柱，在相同位置取部分重塑土，包装运输至实验室。采用环刀切样，小心用力，尽量保持原状黄土的完整性，通过常规试验得到该土样的基本物理力学性质，天然含水率 10.82%，最大干密度为 1.733 g/cm3，比重为 2.72，孔隙比为 0.8，开始制样。由于试验仪器的局限性，只展开黄土脱水过程的土水特征曲线测试，试样尺寸为 90 mmx25 mm，面积A=63.62 cm2，控制最大干密度制好试样后，打开空压机，通过气压调节阀向土体施加第一级气压为 10 kPa，由于装土样容器是密闭的，当气压逐渐增大时，土体中的水会通过试样底部的陶土板向外排出水分，直到排出的水能够平衡容器中的气压，此时认为该气压与土体吸力相等，即该气压下土体中的水不再排出，一般需015 7 d，电脑采集系统中的排水量将不再增加，因此在该状态下土体吸力与容器内的气压大小相等、方向相反，试样此时的吸力同样为 10 kPa。通过公式计算出该吸力下的含水率，即基质吸力为 10 kPa 时对应的含水率。之后继续以上过程，通过调压阀增加气压，得到一系列吸力和含水率数据点，控制基质吸力分别为10 kPa、25 kPa、50 kPa、75 kPa、100 kPa、140 kPa、180 kPa、220 kPa、260 kPa、300 kPa、350 kPa、400 kPa。直剪试验主要包括两部分:制样与剪切。制样时试样尺寸为 61.8x20 mm，面积 A=30 cm2。共做5 组控制最大干密度不同含水率土样的试验，轴向荷载为50 kPa、100 kPa、200 kPa。试样装入剪切盒后，对试样施加 50 kPa、100 kPa、200 kPa 的竖向压力，快速施加水平剪应力，使试样达到剪切破坏，标准是出现剪应力峰值或剪切位移达到 10 mm 为止，由于剪切速率较快，近似模拟了不排水剪切过程。3试验结果分析3.1土水特征曲线试验结果根据图 1，土水特征曲线用 VG 模型进行拟合，可得拟 合 参 数 分 别 为 n=1.355，=0.042，s=0.390 2，r=0.033，均方差为0.002 018，将参数代入式(12)可得出吸应力与有效饱和度之间的关系曲线为:s=Se0.042(S1.3550.355e1)11.3550Se1(13)图 1土水特征曲线Fig.1Soil water characteristic curve3.2直剪试验结果根据 Lu 基于吸应力的强度公式，由式(8)可知，在剪切力 正应力()坐标系下，吸应力可看成是与正应力轴的交点值，即可得到5 组不同含水率下的吸应力，如表1 最后一行所示。从图2 可以看出，5 组不同含水率下的()线近似为以有效内摩擦角作为斜率的一组平行线，并通过所得的吸应力值绘制出吸应力和体积含水率的关系曲线(SSCC)，如图2 所示:表 1原状黄土直剪试验结果Tab.1Direct shear test results of undisturbed loess/%18.4120.5824.4929.3732.37c/kPa605337.52415.5/()34.2133.8235.3735.7535.18s/kPa92.9283.9457.6934.1723.03图 2Mohr Coulomb 破坏线和吸应力特征曲线Fig.2Mohr Coulomb failure