非饱和土的系列强度试验研究

工 程 力 学 ENGINEERING MECHANICS

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非饱和土的系列强度试验研究

*

李顺群1,2，柴寿喜1,2，王 沛1,2，刘双菊1,2

(1. 天津城市建设学院土木工程系，天津 300384；2. 天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384)

摘 要：设计并运行了饱和土的常规三轴试验、压力板试验和普通三轴试验、压力板试验和GDS三轴试验与自然风干试验和普通三轴试验等四种试验，着重考察了高饱和度和水封闭两个特殊情况下非饱和土的强度特征和破坏特点。试验表明：在高饱和度条件下，与基质吸力相关联的摩擦角大于与净总应力相关联的摩擦角；在水封闭条件下，强度增长与基质吸力增加基本成线性关系。从宏观破坏特点看，非饱和试样的破坏发生在某个明显的斜截面上，这与饱和试样的破坏特点是不同的。

关键词：地基基础工程；非饱和土；非吸湿路径；GDS三轴试验；抗剪强度 中图分类号：TU411 文献标识码：A

TEST STUDY ON SHEAR STRENGTH OF UNSATURATED SOILS

*

LI Shun-qun1,2 , CHAI Shou-xi1,2 , WANG Pei1,2 , LIU Shuang-ju1,2

(1. Department of Civil Engineering, Tianjin Institute of Urban Construction, Tianjin 300384, China; 2. Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment, Tianjin 300384, China)

Abstract: In order to verify the suction constitution in unsaturated soils, some un-hygroscopic tests are designed and performed. The testes are classified into four different types including common triaxial tests, pressure plate & common triaxial tests, pressure plate & GDS triaxial tests and natural air drying & common triaxial tests. The results indicate that the friction angle related to unsaturation can be greater than that induced by net normal stress in a higher saturation state and the strength increment induced by unsaturation is linear to matric suction in a lower saturation state. Failure occurs distinctly in a slope for unsaturated soil samples but this is not true for the saturated one.

Key words: soil and foundation; unsaturated soil; un-hygroscopic path; GDS triaxial test; shear strength

一般认为，非饱和土的强度包括有效凝聚力、粒间摩擦力、以及基质吸力对强度的贡献3部分[1

―4]

张力吸力作用[7

―8]

，尽管张力吸力和两种吸力的作

，用面积难以确定，但由于都取决于土的非饱和性，因此它们之间必然存在相关关系。所以，非饱和土的强度τuf可以以基质吸力的某个函数来表示，这个

其强度理论主要有Fredlund[5]和Bishop[6]两大体系。它们都认为由非饱和性引起的基质吸力与强度的关系是线性的，即：

函数应该能综合反映基质吸力、张力吸力和它们的

(1)

面积效应，即：

τuf=c+(σ−ua)tanφ+f(ua−uw) (2)

τ=(ua−uw)tanφb=χ(ua−uw)tanφ————————————————

收稿日期：2008-06-30；修改日期：2008-09-29

非饱和土的强度应该考虑吸力的作用面积和

基金项目：中国博士后科学基金资助项目(20080430091)；天津市高等学校科技发展基金计划项目(20071005)；中国博士后科学基金特别资助项目

(200902276)

作者简介：*李顺群(1971―)，男，河南卫辉人，副教授，博士，从事非饱和土和土微结构等方面的研究工作(E-mail: shunqunli@163.com)； 柴寿喜(1962―)，男，天津人，教授，博士，从事工程地质、盐渍土和土的加筋等方面的研究工作(E-mail: chaishouxi@163.com)； 王 沛(1970―)，男，天津人，高级实验师，学士，从事土力学与地基基础等方面的教学与研究工作(E-mail: tulixue@eyou.com)； 刘双菊(1979―)，女，河北三河人，讲师，博士，从事土力学与地基基础等方面的教学与研究工作(E-mail: liusj05@yahoo.com.cn).

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当饱和度较高时，收缩膜的两个正交曲率半径之和很小，相应的基质吸力也很小甚至消失；但只要液面在颗粒表面存在搭接就一定有张力吸力。因此，在高饱和度条件下，张力吸力有可能大于基质吸力对强度的贡献。而在水封闭阶段，强度增长与基质吸力成线性关系。本文从试验角度对以上结论进行了验证。

1 试验设计

土的物理性质指标包括：液限30.7%、塑限16.4%、土粒比重2.65g/cm3。试验采用重塑试样D39.1mm×H80mm，干密度1.6g/cm3，含水量15%。含水量m(g)与饱和度Sr的关系为：

Sr=m/38.06 (3)

对于增湿和脱湿过程，土-水特征曲线的路径明显不同，而且即使同是增湿或脱湿过程，不同的循环次数或起始点也会引起土-水特征曲线的路径不同

[9―10]

。为了消除“滞回”带来的差别，本文所有

试样均严格脱湿过程，即在任何阶段，试样都处于“非吸湿”过程，这样可以保证相同含水量条件下持有相同的吸力。无论饱和还是非饱和土，剪切速率对强度均有影响，因此要求各试样的剪切速率相同。鉴于非饱和土在剪切过程中水/气平衡需要较长时间，采用的剪切速度为0.012mm/min。

试验分4种不同的类型进行，应力路径如图1所示。其中p和q均为有效应力指标，s为基质吸力，平面π1(BFJ)、平面π2(pOs)、平面π3(p平面)和

平面π4(DEF)分别为破坏曲面、0剪应力面、0基质吸力面和常基质吸力面。

q J π1F 3 3 1 B 1 π4 s 3 H D C 1 πI 3Eπ2

O A G p

图1 不同类型试验的应力路径

Fig.1 The stress paths for diverse type of unsaturated test

1) 饱和土的常规三轴试验。即饱和土的固结排

水试验，其应力路径为O→A→B。

2) 高饱和度土的压力板试验和普通三轴试验。即在普通三轴仪上完成非饱和土的强度试验，其应力路径为O→D→E→F。

3) 高饱和度土的压力板试验和GDS三轴试验。即将饱和试样置于压力板内施加10kPa基质吸力24h以排出部分孔隙水，之后装样、施加围压、施加基质吸力、固结、剪切破坏[11]，试验的应力路径为O→C→G→E→F。这里所说的高饱和度指水/气均连通的状态，而下文的低饱和度指气连通而水不连通的状态。

4) 低饱和度土的自然风干试验和普通三轴试验。将试样自然风干到一定含水量后，密封于橡皮膜内静置72h以达到水/气平衡。由含水量和土-水特征曲线，计算出基质吸力。然后将试样置于常规三轴仪上进行剪切，其应力路径为O→H→I→J。

2 饱和试样的常规三轴试验

饱和土的三轴试验在TSZ30-2.0台式应变控制三轴仪上进行。不同围压条件下的实验结果如表1所示，进一步得到的强度参数有：c=5kPa、φ =32.37o，回归系数ru=0.997。

表1 饱和试样的三轴试验结果

Table 1 Results of triaxial tests for saturated soil samples

序号

1 2 3 σ3/kPa

50 100 150 (σ1−σ3)/kPa

123.2 269.9 348.7

3 高饱和度条件下的强度试验

本试验主要用来考察非饱和土在低基质吸力条件下的强度特性，得到的主要结论是：在低基质吸力条件下可能存在φb

>φ。这与有关文献的结论是

一致的[12

―13]

。

3.1 压力板试验和普通三轴试验

首先借助压力板给饱和试样施加需要的基质吸力，然后在排水和排气的条件下进行普通三轴试验。由式(2)得到：

τuf=c′+(σ−ua)tanφ (4)

c′=c+f(ua−uw)=τuf−(σ−ua)tanφ (5) f(ua−uw)=c′−c (6)

进一步可以得到φb，即：

tanφb=f1(ua

−uw)−f2(ua−uw)

(u (7) a−uw)1−(ua−uw)2

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0.2525 520.20试样A ) 20试样B % 0(/2量 0.15 水 155含1 量0.10 010质1直线起点含水量 0.05 55直线段拟合方程: w=-0.000089s+0.14 00.00000 100100 200200 300300 400400 500500 600600 700700基质吸力/kPa 图4 试样的土-水特征曲线

Fig.4 Soil-water characteristic curves of the samples

将试样在室温下风干不同的时间，以取得不同的基质吸力。当试样的含水量达到要求后，以塑料袋密封72h以使吸力达到平衡。再次测量试样的含水量，做不固结排气常规三轴试验。试验结果如 表4所示。

表4 水封闭状态下不同含水量试样的抗剪强度 Table 4 Shear strength of samples with discontinuous water

编号

试样质量/g

含水量/(%)

s/kPa

q/kPa

a 154.60 2.35 1309.0 840.2 b 153.55 1.33 1423.6 1087 c 152.13 1.46 1409.0 1041 d 154.21 2.15 1331.5 931.3 e 153.13 1.30 1427.0 1087 f 154.85 1.46 1409.0 1052

g 155.89

2.32 1312.4 812.1

根据图4中的拟合直线可以估算出试样中的基质吸力s，它和q的关系如图5所示。 1500 15001000q=2.1s+1900 y = 2.1*x - 1.9e+0031000 1000500 y = 2.1*x - 1.9e+003500 50012501250 1300 1350 013001350 1400 1400 14501450基质吸力/kPa 图5 水封闭条件下强度与基质吸力之间的关系 Fig.5 Relation between shear strength and matric suction for unsaturated soils with discontinuous water 由图5得出，对于水封闭非饱和土，抗剪强度与基质吸力之间呈比较明显的线性关系。 5 不同饱和度时的破坏特点比较 三轴条件下，试样的破坏是剪切破坏已经广为接受，即破坏面应沿某个斜面发生。但饱和试样破坏时，试样中间部分外鼓，没有明显的破坏面。图 6是某饱和试样的破坏结果。 摩擦 试样 鼓形 图6 饱和试样破坏后的形状 Fig.6 The shape of destroyed sample initially saturated 非饱和试样的破坏却呈现明显的剪切破坏特征。图7是部分高饱和度非饱和试样的破坏结果，其中试样Ⅰ、试样Ⅱ和试样Ⅲ是由压力板试验和普通三轴试验得到的，试样Ⅰ是由压力板试验和GDS三轴试验得到的。基质吸力和围压均为40kPa和50kPa。这些试样的破坏特点最大的相似之处在于破坏均沿着某个斜面发生而非仅仅中间外鼓，这是剪切破坏最主要的特征。 破坏面破坏面破坏面 破坏面试样Ⅰ试样Ⅱ试样Ⅲ 试样1 图7 高饱和度非饱和土试样的破坏面 Fig.7 Destroyed unsaturated samples with high saturation 接近完全干燥的非饱和土试样的破坏特点更加明显的表现为剪切破坏特征，自然风干试验和普通三轴试验的部分破坏结果如图8所示。可以看出，破坏是沿着斜面发生的。有意思的是，试样d的破坏特点与双剪理论破坏特点类似[15]。 试样a试样b试样d 试样g 图8 低饱和度非饱和土试样破坏后的形态 Fig.8 Destroyed unsaturated samples with low saturation 饱和试样与非饱和试样在破坏形态上表现出来的差别主要在于相对较高的橡皮膜效应。即相对于强度较高的非饱和土，橡皮膜的环箍效应在饱和试样中发挥的更明显，这种效应增大了试样的塑性，并由此导致饱和试样在破坏时表现为外鼓而不是明显的斜截面破坏。 6 结论 为了印证非饱和土中的吸力系统，设计并运行了四类试验。试验表明，在高饱和度条件下，非饱144 工 程 力 学

和土的吸力摩擦角大于净应力摩擦角；在水封闭条件下，强度增长与基质吸力基本成线性关系。另外，非饱和试样的破坏显然发生在斜面上，这与饱和试样是不同的。 参考文献：

[1] Yoshimura Y and Kato S. Effects of suction and soil

moisture on strength and deformation of a compacted slity clay in unconfined compression test [C]. Proceeding of the 2nd International Conference on Unsaturated Soils. Beijing: International Academic Publishers, 1998: 186―191.

[2] 汤连生. 从粒间吸力特性再认识非饱和土抗剪强度理

论[J]. 岩土工程学报, 2001, 23(4): 412―417.

Tang Liansheng. New suggestion on shear strength in unsaturated soil based on suction between grains [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2001, 23(4): 412―417. (in Chinese)

[3] Blatz J A, Graham J, Chandler N A. Influence of suction

on the strength and stiffness of compacted sand-bentonite [J]. Canadian Geotechnical Journal, 2002, 39(5): 1005―1015.

[4] Fredlund D G, Morgenstern N R, Widger R A. The shear

strength of unsaturated soils [J]. Canadian Geotechnical Journal, 1978, 15(3): 313―321.

[5] 弗雷德隆德 D G, 拉哈尔佐 H. 非饱和土力学[M].

北京: 中国建筑工业出版社, 1997.

Fredlund D G, Rahadjo H. Unsaturated soil mechanics [M]. Beijing: Chinese Construction Industry Publishing House, 1997. (in Chinese)

[6] Bishop A W, Alpan I, Bliht G E. Factors controlling the

strength of partly saturated cohesive soils [C]// Boulder. Research Conference on Shear Strength of Cohesive Soils. Colorado: University of Colorado, 1960: 503―532.

[7] 栾茂田, 李顺群, 杨庆. 非饱和土的理论土-水特征曲

线[J]. 岩土工程学报, 2005, 27(6): 611―615.

Luan Maotian, Li Shunqun, Yang Qing. Theoretical soil-water characteristic curve for unsaturated soils [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 27(6): 611―615. (in Chinese)

[8] Luan Maotian, Li Shunqun, Yang Qing. Matric suction,

tension suction and their equivalence in four-grain-packed unsaturated soils with isolated pore water [J]. Geotechnical Special Publication, ASCE, 2006(147): 2162―2173.

[9] Liakopoulos. Retention and distribution of moisture in

soils after infiltration has ceased [J]. Bulletin International Association Society Hydrology, 1965, 10: 58―69.

[10] Richard L A & Fireman M. Pressure plate apparatus for

measuring moisture sorption and transmission by soils [J]. Soil Science, 1943, 56: 395―404.

[11] GDSLAB V2. The GDS Laboratory User Handbook [Z].

GDS Instruments Limited, 2003. http: //www.gdsinstruments.com

[12] Melinda F, Rahardjo H, Han K K. Shear strength of

compacted soil under infiltration condition [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 2004, 130(8): 807―817.

[13] Zhan Liangtong. Field and laboratory study of an

unsaturated expansive soil associated with rain-induced slope instability [D]. Hong Kong: The Hong Kong University of Science and Technology, 2003.

[14] 陈可君, 缪林昌, 崔颖. 不同干密度非饱和膨胀土的

三轴试验研究[J]. 岩土力学, 2005, 26(增刊): 87―90. Chen Kejun, Miao Linchang, Cui Ying. Triaxial tests on unsaturated expansive soils with different initial dry densities [J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(Supplement): 87―90. (in Chinese)

[15] 俞茂宏. 双剪理论及其应用[M]. 北京: 科学出版社,

1998.

Yu Maohong. Double-shear theory and its application [M]. Beijing: Science Press, 1998. (in Chinese)