預壓縮對非飽和土強度的影響試驗研究

董紅艷　代啟亮　王寶龍　高貴全　雷騰云　宋永正

(1.云南農業大學水利學院，云南 昆明　650201；　2.云南農業大學教務處，云南 昆明　650201)

?

預壓縮對非飽和土強度的影響試驗研究

董紅艷1代啟亮1王寶龍1高貴全2雷騰云1宋永正1

(1.云南農業大學水利學院，云南 昆明650201；2.云南農業大學教務處，云南 昆明650201)

摘要：通過三軸剪切試驗和直接剪切試驗，分析了預壓縮和排氣狀態對非飽和土強度的影響規律，試驗結果表明：對試樣預先進行壓縮和排氣不排水的試驗條件，均能提高土體的抗剪強度，且排氣狀態對粘土強度的影響較粉土的明顯。

關鍵詞：非飽和土，預壓縮，排氣狀態，抗剪強度

0引言

非飽和土是由固相、液相和氣相共同組成的一種多孔介質材料，孔隙氣的存在使得其物理力學性質極為復雜。對非飽和土的強度和變形等進行研究時，控制吸力的三軸試驗[1，2]或控制吸力的直剪試驗[3，4]能夠較準確的描述出非飽和土的力學特性。但孔隙氣和孔隙水的共同作用，決定了吸力測量的繁復和困難性[5，6]。致使控制吸力測量非飽和土強度的現場試驗少有，積累的實測資料相對匱乏[7]。研究非飽和土的強度時，有學者將土—水特性曲線引入其中，并取得了較好的試驗成果[8，9]，但土—水特性曲線量測需時較長，且存在明顯的滯回效應。為避免吸力的測量，一些學者將含水率(飽和度)引入非飽和土強度試驗[10，11]中并在實際工程中得到了廣泛應用。但由含水率和飽和度的計算原理可知，二者體現的是不同的變量關系。在土樣受剪過程中，含水率保持不變，但飽和度發生變化，致使土體結構發生改變，吸力值隨之變化，因此使二者作為一個變量反映非飽和土強度存在不可忽略的誤差[12]。也有學者從實用的角度出發，在常規直剪儀和改進的常規三軸儀上對非飽和土進行試驗[13-15]，得出的結論為實際工程提供了經驗基礎。

非飽和土中三相介質的分布狀態決定了其強度、變形等力學性質。預壓縮和排氣狀態對固相、液相和氣相的分布情況存在重要影響，從而影響其工程性質。故本文將進行以飽和度為常數，預壓縮和排氣狀態為控制變量，對粘土和粉土在常規三軸儀和直剪儀上進行剪切試驗。通過試驗結果的對比，探討粘土和粉土的強度隨預壓縮和排氣狀態的變化情況，并進行分析、總結。

1試驗步驟與方法

試驗用土采自呼倫貝爾市海拉爾區謝爾塔拉工業園區，粘土為紫褐色，粉土為灰黃色。將采回的粘土和粉土的原狀土樣碾散、曬干并過2 mm篩，試驗用土取其細粒部分。試驗粘土、粉土的基本物理參數指標見表1。

直剪試驗和三軸試驗，均分別進行試驗前預壓縮和未預壓縮兩組對比分析，三軸試驗的控制條件還存在排氣不排水和不排氣不排水兩組。由《土工試驗規程》規定，直接剪切試驗的試樣剪切速率為0.06 mm/min,施加的豎向壓力分別為100 kPa,200 kPa,300 kPa和400 kPa四個等級；三軸剪切試驗試樣的剪切速率為0.036 mm/min，施加的圍壓分別為100 kPa,200 kPa,300 kPa和400 kPa四個等級。

制備的試驗試樣的干密度和含水率(初始飽和度)均相同，其中干密度ρd=1.4 g/cm3，(初始)飽和度Sr=60%。共制備粘土直剪試樣8個，粘土和粉土三軸試樣各16個。在制備試樣前根據干密度和飽和度等已知條件，配制符合條件的散狀土樣。將配制好的散狀土樣放到保濕器中12 h，以便散狀土中的水分分布均勻。直剪試驗的試樣分兩層夯實，采用環刀取樣，試樣尺寸為高2 cm，直徑為6.18 cm的圓柱體；三軸試樣分5層夯實，試樣尺寸為高8 cm，直徑為3.91 cm的圓柱體。在粉土試樣的制備過程中，由于粉土的物理特性使得Sr=60%的試樣制作非常困難。所以制備Sr=75%的試樣，然后將試樣置于恒溫恒濕的條件下進行風干脫水，實時稱重，直至Sr=60%，達到目標含水率的試樣置于保濕器中12 h以上，使試樣中水分分布均勻。試樣制備完畢以后，要對直剪試樣、三軸試樣各一組進行24 h的預壓縮，在預壓縮的過程中要將試樣用橡皮膜包裹起來，以保證試樣的含水率(初始飽和度)保持不變。

2結果與分析

2.1預壓縮對非飽和土強度的影響

在對飽和土體進行研究時，固結可以增大飽和土的有效應力，提高其強度[16]。非飽和土在進行直剪試驗和三軸試驗前，若對試樣進行預壓縮，由圖1～圖3的試驗結果表明：預壓縮可以小幅度提高非飽和土的強度。

非飽和土體的孔隙中不僅存在水，同時存在氣體。在對非飽和土體進行預壓縮的過程中，由于橡皮膜的包裹作用使得孔隙水和孔隙氣均未排出土體。但孔隙比減小，所以預壓縮的實質是孔隙中的孔隙水和孔隙氣重新分配的過程。含水率不變，所以主要的變化為孔隙中孔隙氣的變化。施壓使得孔隙氣部分溶于孔隙水中，孔隙體積減小。土顆粒間的間距減小互相靠攏，土骨架更加緊密，作用面積增大。對非飽和土而言有效應力即為其土骨架的應力，因此更加緊密的土骨架的結構性更強，有效應力增大，土體抗剪強度增大。

2.2排氣狀態對非飽和土強度的影響

為研究排氣狀態對非飽和土強度的影響，對粘土和粉土進行控制條件分別為排氣不排水和不排氣不排水的三軸試驗，由圖4和圖5的試驗結果可知：排氣較不排氣狀態試驗結果的強度大，這是由于在排氣的條件下，孔隙氣壓力等于大氣壓力，對非飽和土體的力學特性起關鍵控制作用的基質吸力ua-uw=-uw(其中，ua為孔隙氣壓力；uw為孔隙水壓力)，即產生負的孔隙水壓力。在不排氣狀態下，ua>0,基質吸力小于排氣狀態的基質吸力。排氣使得土體的有效應力增大，所以強度較不排氣狀態有所增大。對粉土而言，排氣狀態對強度的影響沒有粘土的效果顯著，這是由于粉土的結構較為松散，氣體的排放速度相對較快，故孔隙氣對其影響程度較小。而粘土的結構更為密實，其強度受排氣狀態的影響更為顯著。

3結語

1)對粘土和粉土進行抗剪強度試驗可知，預壓縮使得土體孔隙減小，土骨架更加緊密，作用面積增大，從而有效應力增大，土體抗剪強度增加。

2)通過控制排氣狀態的三軸試驗結果對比分析，充分證實了在排氣的試驗條件下粘土和粉土的有效應力增大，土體抗剪強度增加。

3)從粘土與粉土的三軸試驗結果對比分析可知，由土體結構不同的密實程度的作用，使得結構相對密實的土體受排氣狀態的影響更為顯著。

參考文獻：

[1]朱寶龍,馮君,巫錫勇.合肥地區重塑非飽和黏性土強度特性試驗研究.地下空間與工程學報,2014(2):290-294.

[2]葉為民,陳寶,卞祚庥,等.上海軟土的非飽和三軸強度.巖土工程學報,2006(3):317-321.

[3]陳正漢,扈勝霞,孫樹國,等.非飽和土固結儀和直剪儀的研制及應用.巖土工程學報,2004(2):161-166.

[4]申春妮,方祥位,陳正漢.Q-2黃土的非飽和直剪試驗研究.地下空間與工程學報,2010(4):724-728.

[5]BULUT R,LEONG E C.Indirect measurement of suction.Geotechnical and Engineering,2008,26(6)：633-644.

[6]LEONG E C,WIDIASTUTI S,LEE C C,et al.Accuracy of suction measurement.Geotechnique，2007,57(6)：547-556.

[7]NG C W W,ZHAN L T,BAO C G,et al.Performance of anunsaturated expansive soil slope subjected to artificial rainfall infiltration.Geotechnique,2003,53(2)：143-157.

[8]PHOON K K,SANTOSO A,QUEK S T.Probabilistic analysis of soil-water characteristic curves.Juornal of Geotechnical Engineering,2010,136(3):445-455.

[9]PRIVANTO D G,SIEMENS G A,BLATZ J A.Evaluation of two constitution models to simulate behavior during constant volume infiltration on a swelling clay soil.Geotechnicai Special Publication,2006(147):985-996.

[10]李廣信,司韋,張其光.非飽和土的清華彈塑性模型.巖土力學,2008(8):2033-2036，2062.

[11]凌華,殷宗澤,蔡正銀.非飽和土的應力—含水率—應變關系試驗研究.巖土力學,2008(3):651-655.

[12]熊承仁,劉寶琛,張家生.重塑粘性土的基質吸力與土水分及密度狀態的關系.巖石力學與工程學報,2005(2):321-327.

[13]繆林昌，仲曉晨，殷宗澤.膨脹土的強度與含水率的關系.巖土力學，1999,20(2)：71-75.

[14]龔壁衛.非飽和擊實膨脹土總應力強度探討.長江科學院院報，1998,15(3)：40-42.

[15]龔壁衛，詹良通，劉艷華，等.非飽和膨脹土的抗剪強度特性研究.長江科學院院報，2000,17(5)：19-22.

[16]錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算[M].北京：中國水利水電出版社，2000.

Experimental study on the effect of precompression on the strength of unsaturated soil

Dong Hongyan1Dai Qiliang1Wang Baolong1Gao Guiquan2Lei Tengyun1Song Yongzheng1

(1.YunnanAgriculturalUniversity，CollegeofWaterConservancy，Kunming650201，China；2.YunnanAgriculturalUniversity，TeachingAdministrationOffice，Kunming650201，China)

Key words:unsaturated soil, precompression, exhaust condition, shear strength

Abstract:Through the triaxial shear test and direct shear test, to research the precompression and exhaust condition the influence of the strength of unsaturated soil. Experimental results show that the sample in advance for the experiment of compression and exhaust undrained condition, all can improve the shear strength of soil mass, and exhaust condition effect on the strength of clay is more obviously.

文章編號：1009-6825(2016)14-0060-02

收稿日期：2016-03-06

作者簡介：董紅艷(1990- )，女，在讀碩士；代啟亮(1983- )，男，碩士，講師；王寶龍(1990- )，男，在讀碩士；

中圖分類號：TU411

文獻標識碼：A

高貴全(1968- )，男，教授；雷騰云(1986- )，男，碩士，講師；宋永正(1990- )，男，在讀碩士