浅谈重塑非饱和粘性土的强度习性研究

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1、分类号VDC博士学位论文密级Y835399重塑非饱和粘性土的强度习·I生研究StudyonStrengthBehaviorofRemoldedUnsaturatedCohesiveSoil作者姓名：学科专业：学院：指导教师：副指导教师：熊承仁岩土工程资源与安全工程学院刘宝琛院士张家生教授论文答辩日期答辩委员会主席中南大学二00五年五月摘要目前非饱和土力学的理论框架、实验技术的选择还处于基础研究阶段，离成熟的实际应用还有很长一段距离。本文旨在通过不同含水量、不同干密度的重塑粘性土的三轴实验、吸力的测试计算以及土样细微观结构的观察分析，来认识不同水分状态和

2、密度状态的重塑非饱和粘性土的强度习性，探讨基质吸力随土的水分状态和密度状态变化的规律，以及土的微细观结构对基质吸力和强度的影响。为非饱和土力学的研究积累资料、提供观点。试验用士为粘性土。采用分层击实的方法重塑制备三轴试验土样。设计按6个含水量系列4个干密度等级，打制出24组不同水分状态和密度状态的三轴试验土样。实际成型23组共计138个圆柱状样，其中115个试样用于三轴实验，另23个试样作为平行试样以各进行显微结构观察。先后按5级围压(100kPa，200kPa，300kPa，450kPa，600kPa)完成了该23组UU三轴压缩试验，试验前测试了土样

3、的温湿度，计算了相应的基质吸力。试验结束后，选取12个代表性试样进行扫描电镜观察，拍摄了4种比例尺的SEM照片。重塑非饱和粘性土的破坏形式归结为两种，即剪切破坏和侧向膨胀破坏。破坏机制主要有水因素主导的软化机制和结构因素主导的解构机制。破坏形态的选择性因素是围压，破坏机制的选择性因素是水分状态。实验表明，尽管在高、低围压条件下重塑非饱和粘性土的变形形态有所不同，但其破坏摩尔圆大体上可以用一条近似直线的包络线联系起来。在这里库仑强度理论仍然适用。非饱和土的抗剪强度可表达为物理状态变量的函数，强度曲面在水分密度状态空间具有明显的规律，但不易用简单函数表达，

4、c=c(w，pa)为一倾伏的不规则背斜面，咖=西(w，pd)为一变形的w型折曲面；就单因素的影响而言，抗剪强度存在随水分状态变化的复杂性。极限强度和变形模量的变化规律也表现了随水分状态变化的复杂性。重塑非饱和粘性土的基质吸力在水分密度状态空间的分布具有明显的规律，基质吸力曲面s=s(w，pd)为一变形的w型折曲面，曲面形态变化主要受水分状态变量控制。对照粘聚力、内摩擦角、极限强度、变形模量，特别是基质吸力随含水量的非线性变化规律，沿含水量变化轴可确定该重塑粘性土的三个特征含水量：WI=16．34％．w2=18．16％．w3=20．13％。由于特征含水量

5、Wl、Wz、W3的区隔，可将非饱和域分划为三个不同的区域，即低水分状态(ww3)，分别对应强非饱和土、典型非饱和土和弱非饱和土。在不同的水分区间重塑非饱和粘性土的强度习性具有不同的特点。分段描述产f(w)的结果表明，强非饱和土、弱非饱和土的强度参数c、砂随含水量的变化具有线性变化特征；典型非饱和土的强度参数c、曲随含水量的变化具有极值曲线的特点，为典型的非线性变化。强非饱和土、弱非饱和土近乎二相介质；典型非饱和土为三相介质。由于相组成和相界面作用方式的差异，不同类型的非饱和土，其强度参数随含水量

6、的变化从而具有不同的特点。不同水分状态下非饱和土具有不同的强度制约模式。在高水分状态下水对强度的影响起主导作用，低水分状态下结构对强度起控制作用，中等水分状态下非饱和土的强度受水与结构的共同作用所制约。土的孑L隙结构形态和分布特征对土的变形和强度有着非常重要的影响。非饱和土的微观结构形态不仅与土的密度状态有关，而且与土的水分状态相关。SEM照片的形貌以及其中蕴涵的数量化的结构信息，表明土的微细观结构与土的物理状态有关。作者首次提出了孔隙充水结构的概念，借助此概念，可以从孔隙结构和毛细凝结两方面来准确理解非饱和土的水一气界面效应，从而利于认识和把握非饱和

7、土中基质吸力的变化规律。孑L隙充水结构的变化将极大地影响毛细管体系的吸持水的能力，进而对非饱和土的强度产生重要影响。饱和度是基于土的水分状态变量和密度状态变量的一个衍生变量，比较而言，在分析水因素对非饱和土强度的影响时，选择含水量作为水分状态变量更为适宜。典型非饱和土具有5个相组成，其土永效应包括水气界面效应和水土(粒)界面效应。基质吸力主要与水气界面有关，基质吸力在特征含水量w2时出现极值变化对重塑非饱和土的强度习性的非线性变化有重要影响。关键词：重塑非饱和粘性土：三轴压缩试验：抗剪强度参数；水分状态；密度状态；特征含水量；基质吸力；孔隙充水结构2A

8、bstractTheoreticfranleandexperimentaltechnology