非飽和云南紅黏土排氣及不排水強度試驗研究

陳 超 楊立凡 羅 雄 李 建

(1.云南大學建筑與規劃學院，云南 昆明 650500；2.云南農業大學水利學院，云南 昆明 650500；3.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610000；4.西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川 成都 610000)

非飽和云南紅黏土排氣及不排水強度試驗研究

李 建(1990- )，男，在讀碩士

陳 超1楊立凡2羅 雄3李 建4

(1.云南大學建筑與規劃學院，云南 昆明 650500；2.云南農業大學水利學院，云南 昆明 650500；3.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610000；4.西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川 成都 610000)

選取云南紅黏土，對其進行強度試驗研究，通過三軸試驗方法，對飽和度：50%,60%,70%,80%非飽和土進行排氣、不排水三軸試驗，利用Origin軟件，將試驗數據結果對比分析，研究出了分別在排氣、不排水情況下飽和度對剪切強度影響。

非飽和土，飽和度，三軸試驗，剪切強度

0 引言

土力學所研究的領域可以細分為非飽和土力學和飽和土力學。通常傳統的土力學分析和設計方法都是建立在兩個極端有代表性的假設上，假設土體是完全干燥狀態，相反假設土體是完全飽和狀態。這樣假設，在工程中力學強度計算時偏向安全，例如，經過大量研究，路基浸水飽和后，路基強度會明顯減弱，并產生變形。非飽和土是由固相，液相和氣相組成的三相復合體系，它的力學性質遠比飽和土復雜很多，因此有必要對飽和土和非飽和土區別研究。

1 非飽和土強度理論研究現狀

建立非飽和土的力學理論必須要解決兩個最基本問題：一是建立場變量之間的關系，二是建立控制方程。隨著非飽和土的強度理論研究的不斷深入，有兩類非飽和土強度理論公式得到了巖土界的廣泛認可。一類是Bishop強度理論[1]，采用有效應力表示；另一類是Fredlund強度理論[2]，采用這兩個獨立的應力狀態變量表示。

2 非飽和土強度三軸強度試驗

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

孟長江[3]通過對重塑土殘積強度進行試驗研究，通過土水特征曲線，建立了強度與含水率公式測試出了非飽和土重塑殘積土的強度。葉為民、陳寶[4]研究了上海地區軟土強度特性，進行了控制吸力的非飽和土三軸試驗研究工作，給上海軟土提供了參考指導意義。凌華等在非飽和土的應力—含水率—應變關系試驗研究中引入含水率的強度公式和非線性模型繞開了吸力，避免了吸力的量測和計算上的困難，同時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。

2.1試驗材料

該試驗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個土樣。土樣的直徑為39.1 mm、高度為80 mm。

三軸試驗標準土樣見圖1。試驗用土的基本性質及級配見表1。

表1 試驗用土的基本物理參數

2.2試樣計算及試驗情況

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。

通過注射油調節體變見圖2，正在排除壓力室的氣體見圖3。

主應力偏差(即偏應力)為：

(σ1-σ3)=CR/A0。

代入數據得：

其中，C為量力環系數(本實驗為723.8 N/mm)；R為量力環百分表讀數,mm；σ1為大主應力,kPa；σ3為小主應力，即試驗過程中所施加的圍壓,kPa。

在普通三軸儀上共進行了4組控制含水率不變的非飽和土強度和變形力學性能試驗。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。第二天再進行三軸試驗，分別在圍壓100 kPa,200 kPa,300 kPa,400 kPa下進行三軸試驗，如圖4所示。

3 三軸試驗結果與分析

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

三軸試驗結果分析。

根據上面繪制的強度包絡線，不難看出紅土在不同情況下的內摩擦角和粘聚力，如表2所示。

表2 紅土內摩擦角和粘聚力

1)處理完數據后，繪制出摩爾應力圓，求解出各種情況下的內摩擦角和粘聚力，表2不難得出這個規律：紅土試樣的飽和度越大(相對應于這種紅土試樣的含水率也就越高)，對應粘聚力越大。紅土試樣的飽和度越大，對應的內摩擦角越小。

2)紅土，在飽和度、排水條件相同的情況下，圍壓越大，變形峰值趨勢就會越大，偏應力峰值應力強度越大。這說明偏應力和體變曲線的形態與圍壓的大小有關。

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

4)在相同圍壓下，紅土的偏應力和體變的變化都是開始的增大速率大，到達某個點時，增大的速率逐漸變小。但我們做實驗的時候，隨著軸變的變大，當偏應力和軸變到達最大值之后，偏應力和軸變的值回降很小，盡管試樣已經出現剪切破壞或者鼓脹破壞。這個說明試樣在破壞后仍然存在殘余應力強度，之所以這樣，可能試樣里的紅土顆粒在破壞后，顆粒進行重新組合，因此還能承受壓應力，還能發生形變。

4 結語

在排氣，不排水狀態下，飽和度越大，抗變形性能力就會越小，抗剪強度也會隨著減小。

[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] 孟長江.非飽和土土水特征曲線與強度的試驗研究及其應用[D].大連：大連理工大學，2006.

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

[5] 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[J].巖土力學，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；