非飽和黃土變形模量的研究

田甜　劉蘭蘭

【摘要】在非飽和土力學(xué)中，應(yīng)力理論和強度理論是非飽和土力學(xué)變形與穩(wěn)定性分析理論及計算方法中的重要基礎(chǔ)。非飽和土力學(xué)的研究水平目前還未進入實用階段，主要原因在于吸力量測的困難。鑒于此，提出了用等效吸力代替真實吸力的試驗方法并進行了驗證。

【關(guān)鍵詞】非飽和土；等效吸力；三軸試驗；變形等效お

Research on Modulus of Deformation of Unsaturated Loess

Tian Tian，Liu Lan—lan

（1.Changchun College of ArchitectureChangchunJilin130000；

2.Construction Engineering， Jilin UniversityChangchunJilin130000）

【Abstract】Until now the research activities in the field of unsaturated soils have been still in the academic stage. The key point of troubles is the measurement of suction. To avoid the difficulties in the determination of soil suction，the so—called equivalent suction has been advanced recently.

【Key words】Unsaturated soils；Equivalent suction；Triaxial compression tests；Equivalence of deformationお

1. 前言

（1）非飽和土力學(xué)的發(fā)展是圍繞吸力這一基本概念而開展的。 [1～3]眾所周知，吸力的量測十分困難，一組控制吸力的三軸試驗，往往需要幾個月的時間。理論是為工程實踐服務(wù)的，非飽和土的實用較為合理的實際做法應(yīng)該是選擇合適的物理量以避免吸力的量測和計算的困難，達到工程服務(wù)的目的。在工程實踐中，含水率這一物理量是非常容易確定的，如鉆孔取樣，簡單的室內(nèi)試驗即可確定。在非飽和土計算模型中引入含水率，雖然需要一些補充假定，建立的也是經(jīng)驗公式，但非常直觀，易于接受，作為一種近似而實用的處理方法值得深入研究和進一步發(fā)展。

（2）從非飽和土理論實用化的觀點出發(fā)，本文選擇含水量（飽和度）作為物理量來研究水分對強度和變形的影響。為了既能避免吸力量測的困難，又避免不考慮吸力而對非飽和土強度特性產(chǎn)生的影響。由兩組曲線（即非飽和黃土在 σ3=const條件下以及不同 σ3下飽和黃土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線）在相同 σ1—σ3 下產(chǎn)生同一ε1 — 的等效原則確定某一 S璻相當(dāng)?shù)?σ3即為 S【3】，尋求飽和度S璻 與等效吸力 S之間的變化規(guī)律，并求取參數(shù)。

表1 黃土的主要物理力學(xué)指標(biāo)

比重G璖含水ち縒 （%）干密度 ρ （g/cm3 ）液限W1 （%）塑限W璸 （%）塑性 指數(shù) I璓孔隙 比e顆粒組成（%）>0.05ぃ╩m）0.05～0.005ぃ╩m）<0.005ぃ╩m）

2.7119.811.17330.920.510.51.026.561.432.1

2. 試驗部分

2.1試驗土物理性質(zhì)：

取原狀黃土進行試驗研究，試驗黃土取自陜

西楊凌高新中學(xué)對面的某工程基坑，取土深度為現(xiàn)地面以下2～3.5米，為 Q3黃土，土樣上有肉眼可見的大孔隙。主要物理指標(biāo)如下（見表1）：

2.2試驗方案：

根據(jù)試驗規(guī)程制成多個三軸原狀試樣，采用滴定法及水膜轉(zhuǎn)移法將制成的試樣配置成含水量為5%、10%，15%，20%、25%及通過抽氣飽和法制定充分飽和的多組三軸試樣。試驗在應(yīng)變控制式常規(guī)三軸儀上進行，采用固結(jié)排水（CD）法，剪切速率0.0550mm/min ，圍壓控制為50KPa 、100KPa 、200KPa 、400KPa，試樣在各級圍壓下的破壞強度取峰值強度或應(yīng)力應(yīng)變曲線上15%應(yīng)變所對應(yīng)的強度，分別測定每一含水率下原狀試樣應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

圖1（a～e）原狀黃土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

3. 試驗結(jié)果及分析

3.1試驗結(jié)果：

比較相同圍壓不同含水量的原狀黃土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，可以看到隨著含水量增大，發(fā)生相同的變形量，含水量低時所對應(yīng)的軸向應(yīng)力大，同時變形速率也在增大。說明含水量和圍壓對非飽和黃土的強度有明顯的影響，可以使土體的結(jié)構(gòu)性發(fā)生軟化，增濕溶解了部分膠質(zhì)和鹽基，同時使吸力連結(jié)喪失。

3.2從圖1（a—e）中，得到不同飽和度的原狀黃土產(chǎn)生同一變形ζ1，ζ2，ζ3，ζ4， 時，飽和度S璻與σ1—σ3 的關(guān)系曲線以及飽和原狀黃土σ1—σ3～ σ3 關(guān)系曲線。由上述兩組曲線，即非飽和黃土在σ3=const條件下以及不同 σ3下飽和黃土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，在相同σ1—σ3下產(chǎn)生同一ε1 —的等效原則確定某一S璻 相當(dāng)?shù)摩? 即等效吸力S 。

圖2

圖3不同圍壓下原狀黃土 ～ 關(guān)系曲線

圖4吸力歸一化曲線

3.3將曲線歸一化后應(yīng)用商業(yè)軟件Origin對該曲線進行非線性擬合，得到吸力同飽和度以及圍壓的關(guān)系：

由等效吸力與圍壓及飽和度的關(guān)系曲線可以看出， 等效吸力隨著圍壓的增大逐漸減小，曲線比較平緩，說明土體的應(yīng)力狀態(tài)對土體中的等效吸力有很大的影響；而原狀黃土的等效吸力與飽和度（含水量）的曲線所反映的特點為上陡下緩，說明土體含水量越低時，較小的含水量的增大，可引起土體中較大的吸力降低，土體的含水量越大時，含水量的較大增加只會引起土體較小的吸力降低。

S—S璻=a×exp（—[S璻—（│要3pa）琻]+bc）（3）

即：S—=[a×exp（—[S璻—（│要3pa）琻]+bc）]×S璻（4）

3.4試（3）（4）中 均a，b，c，n為試驗常數(shù)，本次試 驗結(jié)果分別為68.1，0.73，10.89，1.8。

不同圍壓下原狀黃土 S—～ S璻關(guān)系曲線見圖3。

吸力歸一化曲線見圖4

圖5（a～d） 吸力公式驗證

4. 驗證

本文所提供的根據(jù)變形等效的原則確定吸力的方法，與傳統(tǒng)的進行非飽和土進行吸力的量測試驗相比較簡單，方便，并與試驗結(jié)果較吻合。但在低圍壓（ σ3=50KPa）時計算結(jié)果與試

驗值還是存在一定偏差。

（a～d） 吸力公式驗證見圖5。

5. 變形模量的研究

Duncan—Chang模型是典型的 E～μ 型模型。它以常規(guī)三軸的固結(jié)排水試驗（CD試驗）得到 （σ1—σ3 ）～ ε1曲線和 ε璿～ ε1曲線為確定 E璽和 μ璽的基礎(chǔ)。但是當(dāng)σ3=0 時，E璽=0 ，這并不符合實際情況。同時為了考慮非飽和黃土吸力對變形模量的影響，將等效吸力引入變形模量的計算中，對模型進行修正，即：

E''璱 =KPa（σ3+f﹕r猵a） （5）

將式（4）代入式（5）中就可以得到飽和度與變形模量之間的關(guān)系：

E''璱 =KPa（σ3+[a×exp（—[S璻—（│要3pa）琻]+bc）]×S璻

Pa）

在實際工程中，含水量的數(shù)值非常容易得到，鉆孔取樣后通過簡單的室內(nèi)試驗便可確定。因此上式的運用是非常方便的，由土層含水量分布就可方便地確定強度，避免了吸力的直接量測和計算困難。非飽和黃土隨著飽和度的增加，其強度降低，且飽和度與呈非線性關(guān)系。這種非線性關(guān)系反映了黃土由于環(huán)境變化而表現(xiàn)為強度變化的特征。非飽和黃土的等效吸力強度與飽和度間非線性關(guān)系的建立，簡化了非飽和土黃土的試驗方法，便于非飽和黃土理論在工程實踐中的應(yīng)用。非飽和黃土飽和度與變形模量之間確實有指數(shù)函數(shù)關(guān)系，這為非飽和土體抗剪強度的研究提供了數(shù)量上的依據(jù)，這一規(guī)律是否適用于其他土質(zhì)尚待進一步研究證實。

6. 結(jié)論

（1）本文針對黃土的變形模量研究，建議了一種以變形等效為原則的等效吸力測試的新方法。

（2）本文所提供的等效吸力的測試方法只需通過兩組常規(guī)的三軸試驗就能確定。

參考文獻

[1]沈珠江.廣義吸力非飽和土的統(tǒng)一變形理論[J].巖土工程學(xué)報，1996，18（2）：1～9.

[2]沈珠江.非飽和土簡化固結(jié)理論及其應(yīng)用[J].水利水運工程學(xué)報，2003（4）：1～6.

[3]沈珠江.非飽和土力學(xué)實用化之路探索[J].巖土工程學(xué)報，2006，28（2）：256～259.