陳 超 楊立凡 羅 雄 李 建

(1.云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650500；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610000；4.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610000)

非飽和云南紅黏土排氣及不排水強(qiáng)度試驗(yàn)研究

李 建(1990- )，男，在讀碩士

陳 超1楊立凡2羅 雄3李 建4

(1.云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650500；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610000；4.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610000)

選取云南紅黏土，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)研究，通過(guò)三軸試驗(yàn)方法，對(duì)飽和度：50%,60%,70%,80%非飽和土進(jìn)行排氣、不排水三軸試驗(yàn)，利用Origin軟件，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比分析，研究出了分別在排氣、不排水情況下飽和度對(duì)剪切強(qiáng)度影響。

非飽和土，飽和度，三軸試驗(yàn)，剪切強(qiáng)度

0 引言

土力學(xué)所研究的領(lǐng)域可以細(xì)分為非飽和土力學(xué)和飽和土力學(xué)。通常傳統(tǒng)的土力學(xué)分析和設(shè)計(jì)方法都是建立在兩個(gè)極端有代表性的假設(shè)上，假設(shè)土體是完全干燥狀態(tài)，相反假設(shè)土體是完全飽和狀態(tài)。這樣假設(shè)，在工程中力學(xué)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)偏向安全，例如，經(jīng)過(guò)大量研究，路基浸水飽和后，路基強(qiáng)度會(huì)明顯減弱，并產(chǎn)生變形。非飽和土是由固相，液相和氣相組成的三相復(fù)合體系，它的力學(xué)性質(zhì)遠(yuǎn)比飽和土復(fù)雜很多，因此有必要對(duì)飽和土和非飽和土區(qū)別研究。

1 非飽和土強(qiáng)度理論研究現(xiàn)狀

建立非飽和土的力學(xué)理論必須要解決兩個(gè)最基本問(wèn)題：一是建立場(chǎng)變量之間的關(guān)系，二是建立控制方程。隨著非飽和土的強(qiáng)度理論研究的不斷深入，有兩類(lèi)非飽和土強(qiáng)度理論公式得到了巖土界的廣泛認(rèn)可。一類(lèi)是Bishop強(qiáng)度理論[1]，采用有效應(yīng)力表示；另一類(lèi)是Fredlund強(qiáng)度理論[2]，采用這兩個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力狀態(tài)變量表示。

2 非飽和土強(qiáng)度三軸強(qiáng)度試驗(yàn)

在進(jìn)行直接研究非飽和土的強(qiáng)度隨著含水量變化，建立引入含水量強(qiáng)度變化公式，由土體含水量分布就可以利用三軸試驗(yàn)較為方便地確定強(qiáng)度，同時(shí)也避免了吸力量測(cè)和計(jì)算上的困難。

孟長(zhǎng)江[3]通過(guò)對(duì)重塑土殘積強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過(guò)土水特征曲線，建立了強(qiáng)度與含水率公式測(cè)試出了非飽和土重塑殘積土的強(qiáng)度。葉為民、陳寶[4]研究了上海地區(qū)軟土強(qiáng)度特性，進(jìn)行了控制吸力的非飽和土三軸試驗(yàn)研究工作，給上海軟土提供了參考指導(dǎo)意義。凌華等在非飽和土的應(yīng)力—含水率—應(yīng)變關(guān)系試驗(yàn)研究中引入含水率的強(qiáng)度公式和非線性模型繞開(kāi)了吸力，避免了吸力的量測(cè)和計(jì)算上的困難，同時(shí)也模擬了工程施工期間氣壓力能夠迅速消散，并且水壓力變化不大的特點(diǎn)。

2.1試驗(yàn)材料

該試驗(yàn)所用的土材料為云南非飽和紅土和粉土，干密度為1.4 g/cm3，含水量為5%，飽和度分別為50%，60%，70%，80%總共32個(gè)土樣。土樣的直徑為39.1 mm、高度為80 mm。

三軸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)土樣見(jiàn)圖1。試驗(yàn)用土的基本性質(zhì)及級(jí)配見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用土的基本物理參數(shù)

2.2試樣計(jì)算及試驗(yàn)情況

高度h0=80 mm，直徑D=39.1 mm;

面積A0=πD2/4=3.14×39.12/4=1 200.12 mm2;

體積V0=h0A0=80×1 200.12=96 009.27 mm3。

通過(guò)注射油調(diào)節(jié)體變見(jiàn)圖2，正在排除壓力室的氣體見(jiàn)圖3。

主應(yīng)力偏差(即偏應(yīng)力)為：

(σ1-σ3)=CR/A0。

代入數(shù)據(jù)得：

其中，C為量力環(huán)系數(shù)(本實(shí)驗(yàn)為723.8 N/mm)；R為量力環(huán)百分表讀數(shù),mm；σ1為大主應(yīng)力,kPa；σ3為小主應(yīng)力，即試驗(yàn)過(guò)程中所施加的圍壓,kPa。

在普通三軸儀上共進(jìn)行了4組控制含水率不變的非飽和土強(qiáng)度和變形力學(xué)性能試驗(yàn)。在干密度為1.4 g/cm3，同組試樣含水率相同，各組試樣的飽和度分別為50%，60%，70%，80%。每組等含水率試樣分別在密閉的缸里放置一夜，使水分在試樣中分布均勻。第二天再進(jìn)行三軸試驗(yàn)，分別在圍壓100 kPa,200 kPa,300 kPa,400 kPa下進(jìn)行三軸試驗(yàn)，如圖4所示。

3 三軸試驗(yàn)結(jié)果與分析

紅土的試驗(yàn)過(guò)程以及選用飽和度也一樣最終做試驗(yàn)后得出所繪制的軸變—偏應(yīng)力圖像，軸變—體變圖和莫爾應(yīng)力圓如圖5所示。

三軸試驗(yàn)結(jié)果分析。

根據(jù)上面繪制的強(qiáng)度包絡(luò)線，不難看出紅土在不同情況下的內(nèi)摩擦角和粘聚力，如表2所示。

表2 紅土內(nèi)摩擦角和粘聚力

1)處理完數(shù)據(jù)后，繪制出摩爾應(yīng)力圓，求解出各種情況下的內(nèi)摩擦角和粘聚力，表2不難得出這個(gè)規(guī)律：紅土試樣的飽和度越大(相對(duì)應(yīng)于這種紅土試樣的含水率也就越高)，對(duì)應(yīng)粘聚力越大。紅土試樣的飽和度越大，對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角越小。

2)紅土，在飽和度、排水條件相同的情況下，圍壓越大，變形峰值趨勢(shì)就會(huì)越大，偏應(yīng)力峰值應(yīng)力強(qiáng)度越大。這說(shuō)明偏應(yīng)力和體變曲線的形態(tài)與圍壓的大小有關(guān)。

3)在施加相同圍壓的情況下，飽和度越大，抗變形性能力就會(huì)越小，抗壓能力也會(huì)變小。

4)在相同圍壓下，紅土的偏應(yīng)力和體變的變化都是開(kāi)始的增大速率大，到達(dá)某個(gè)點(diǎn)時(shí)，增大的速率逐漸變小。但我們做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，隨著軸變的變大，當(dāng)偏應(yīng)力和軸變到達(dá)最大值之后，偏應(yīng)力和軸變的值回降很小，盡管試樣已經(jīng)出現(xiàn)剪切破壞或者鼓脹破壞。這個(gè)說(shuō)明試樣在破壞后仍然存在殘余應(yīng)力強(qiáng)度，之所以這樣，可能試樣里的紅土顆粒在破壞后，顆粒進(jìn)行重新組合，因此還能承受壓應(yīng)力，還能發(fā)生形變。

4 結(jié)語(yǔ)

在排氣，不排水狀態(tài)下，飽和度越大，抗變形性能力就會(huì)越小，抗剪強(qiáng)度也會(huì)隨著減小。

[1] BISHOP A W，BLIHT G E.Factors controlling the strength of partly saturated cohesive soils[A].Researcher Conference on Shear Strength of Cohesive Soils[C].London,1960：503-532.

[2] FREDLUND D G，D G，MORGENSTERN N R.The shear strength of unsaturated soils[J].Canadian Geotechnical Journal，1978,15(3)：313-321.

[3] 孟長(zhǎng)江.非飽和土土水特征曲線與強(qiáng)度的試驗(yàn)研究及其應(yīng)用[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[4] 葉為民，陳 寶.上海軟土的非飽和三軸強(qiáng)度[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(3)：317-321.

[5] 凌 華，殷宗澤，蔡正銀.非飽和土的應(yīng)力—含水率—應(yīng)變關(guān)系試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2008，29(3)：651-655.

ExperimentalstudyondrainedandundrainedstrengthofunsaturatedredclayinYunnan

ChenChao1YangLifan2LuoXiong3LiJian4

(1.YunnanUniversity，SchoolofArchitectureandUrbanPlanning，Kunming650500，China;2.YunnanAgriculturalUniversity，SchoolofWaterConservancy，Kunming650500，China;3.SouthwestJiaotongUniversity，SchoolofCivilEngineering，Chengdu610000，China;4.SouthwestJiaotongUniversity，SchoolofGeosciencesandEnvironmentalEngineering，Chengdu610000，China)

Selection of red clay in Yunnan, adopt the three axis test method of studying its strength, saturation:50%,60%,70%,80%, unsaturated soil to exhaust and the undrained three triaxial test, finally, to use Origin software, the comparative analysis of the experimental data results and the effect of in the exhaust gas, drainage under saturation on shear strength are respectively studied.

unsaturated soil, saturation, three axis test, shear strength

TU411.3

A

1009-6825(2017)26-0075-03

2017-07-01

陳 超(1990- )，男，在讀碩士；楊立凡(1993- )，男，在讀碩士；羅 雄(1992- )，男，在讀碩士；