夯实高饱和度地基土的强度特性

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2005.02.038 第27卷第2期 北京科技大学学报 VoL.27 No.2 2005年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2005 夯实高饱和度地基土的强度特性 李占强”杨为民)赵常州” 1I)中国地质大学工程技术学院，北京1000832)安徽理工大学资环系，准南232001 摘要运用改进的非饱和土三轴仪，对某地税大楼强夯后高饱和度地基土进行了控制吸 力条件下的固结排水剪切实验.实验结果表明，基质吸力对非饱和土的强度特性有重要影响， 抗剪强度参数有效内聚力和有效内摩擦角都与吸力呈良好的线性关系，随吸力增加，有效内 聚力呈线性增加，而有效内摩擦角则相应地减小.在实验吸力的范围内，有效内聚力受吸力 的影响比有效内摩擦角更明显.而实验土的破坏包线并不是平面，它随净平均应力和吸力的 增高而呈收敛状，说明对这种高饱和度击实粉土，当围压加至300kP以上时，吸力对强度的 增长不再明显，此时围压将起主导作用， 关键词非饱和土：吸力：夯实粉土：应力应变关系：强度 分类号P642.116 在近几十年里，已经有数位学者研究了吸力 独分开考虑，抗剪强度π可按下式计算： 和饱和度对非饱和土工程特性的作用.但早先 =c'+(o-u,)tano'+(u.-u)tano (1) 的研究大都集中在K,或等压固结条件下分析室 式中，σ为总应力，山为孔隙气压力，w为孔隙水压 内重塑粘土体的体变特性.己有的研究表明，按 力，c为有效内聚力，中为有效内摩擦角，中°为考 饱和土的参数进行设计并不总能反映工程安全 虑基质吸力(u,一山)的内摩擦角.目前，这种方法 的情形，例如用太沙基的有效应力原理不能预测 在非饱和土研究中广泛使用， 湿化引起的湿陷变形.近年来，基于净应力、基质 12实验设备 吸力的双变量理论，更多地研究了吸力对非饱和 实验采用的非饱和土三轴仪由河海大学岩 土强度特性的影响，依据实验得出了非饱和土 土工程研究所实验室提供，它是在SY60-1型多 的体变、应力一应变关系、抗剪强度特性，人们逐 功能三轴仪的基础上加以改进而成，包括三轴压 渐认识到吸力对非饱和土的重要影响s”,把吸 力室，调节应变速率的控制台、压力表和体变管 力作为一个独立的应力变量而广泛接受.本文的 组成的管路阀门系统，以及数据自动采集系统等 目的就是在室内非饱和土三轴实验的基础上，讨 三部分.该三轴仪在实验过程中能控制基质吸 论夯实粉土的应力一应变关系和强度变化规律， 力，即能够控制孔隙气压力和孔隙水压力，且可 1实验方法和材料 以独立测量体变和水量变化， 与常规三轴仪相比，改进后的三轴仪压力室 1.1实验方法 (图)可以直接测出试样在固结和剪切过程的体 测定非饱和土抗剪强度的方法有两种：独立 变（体变特征将另撰文论述），三轴室底座安置了 双应力状态变量方法和有效应力方法3，四.在有 高进气值陶土板，以防止土样中的气体流向排水 效应力方法中，测定抗剪强度是基于有效内聚力 管路，同时也可避免土样饱和度在实验期间降 和有效内摩擦角.在双应力变量方法中，净应力 低.为减少土样排水的时间，应依据实验过程中 (总应力中超过气压力的部分)和基质吸力被单 的最大吸力值尽可能选择渗透性好的陶土板，本 收稿日期：2004-08-31修回日期：2004-11-10 次实验采用的陶土板的进气值为500kPa.其他与 基金项目：河北省建设科技研究资助项目No.2003-249) 常规三轴仪基本相同，其剪切实验样品391 作者简介：李占强(1966一)，男，高级工程师，博士研究生 mm,高80mm.该仪器不仅能测量和控制轴压

第 ， 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 几 夯实高饱和度地基土 的强度特性 李 占强 ” 杨 为 民 ， 赵常 州 ” 中 国地 质 大学 工 程 技术 学 院 ， 北 京 安徽理 工 大 学 资环 系 ， 淮 南 摘 要 运用 改进 的 非饱 和 土 三 轴 仪 ， 对 某地税 大楼强 夯 后 高饱 和 度 地 基 土 进 行 了控 制 吸 力条件 下 的 固结排 水 剪切 实验 ， 实验 结 果表 明 ， 基 质吸 力对 非饱 和 土 的强 度特 性有 重 要 影 响 ， 抗 剪 强度 参数 有 效 内聚 力 和 有效 内摩 擦 角都 与 吸 力 呈 良好 的线 性 关系 随 吸 力增 加 ， 有 效 内 聚力 呈 线 性增 加 ， 而 有 效 内摩 擦 角 则 相 应地 减 小 在 实验 吸 力 的 范 围 内 ， 有 效 内聚 力 受 吸 力 的影 响 比 有 效 内摩 擦 角 更 明显 而 实验 土 的破 坏 包 线 并不 是 平 面 ， 它 随 净平 均应 力 和 吸 力 的 增 高 而 呈 收 敛状 ， 说 明对 这 种 高饱 和 度 击 实粉 土 ， 当 围压 加 至 沙 以上 时 ， 吸 力 对 强度 的 增 长 不 再 明显 ， 此 时 围压 将 起 主 导 作用 关键 词 非饱和 土 吸 力 夯实 粉 土 应 力应 变 关系 强 度 分 类号 在 近 几 十 年 里 ， 已 经 有 数 位 学者研 究 了 吸 力 和 饱 和 度对 非饱 和 土 工 程特 性 的作用 「卜 ， 但 早 先 的研 究 大 都 集 中在 或 等 压 固结 条 件 下 分 析 室 内重 塑 粘 土 体 的体 变 特 性 已 有 的研 究表 明 ， 按 饱 和 土 的参 数 进 行 设 计 并 不 总 能 反 映 工 程 安全 的情 形 ， 例 如用 太 沙基 的有 效应 力 原理 不 能预 测 湿 化 引起 的湿 陷变 形 近 年来 ， 基 于 净应 力 、 基质 吸 力 的双 变 量 理 论 ， 更 多地 研 究 了吸 力对 非饱 和 土 强度 特 性 的影 响 ‘侧 ， 依 据 实验 得 出 了非饱 和 土 的体变 、 应力一应 变 关系 、 抗 剪 强度特 性 ， 人 们 逐 渐 认 识 到 吸 力对 非 饱 和 土 的重 要 影 响 『， 一 ， 把 吸 力作 为一 个独 立 的应 力 变量 而广 泛 接 受 本 文 的 目的就 是 在 室 内非饱 和 土 三轴 实验 的基础 上 ， 讨 论 夯 实粉 土 的应 力一应 变 关 系 和 强度 变 化规 律 独 分 开 考 虑 ， 抗 剪 强度 可 按 下 式 计 算 。 件 一 帅 件 。 一 、 扭帅 式 中 ， ， 为总 应 力 ， 为孔 隙气 压 力 ， 。 为孔 隙水 压 力 ， ’ 为 有 效 内聚 力 ，训为 有 效 内摩 擦 角 ， 犷为 考 虑 基 质 吸 力 。 一 的 内摩 擦 角 目前 ， 这 种 方 法 在 非 饱 和 土 研 究 中广 泛 使 用 实验 方 法 和 材 料 实验 方 法 测 定 非饱 和 土 抗 剪 强度 的方法 有 两种 独 立 双应 力状 态 变 量 方法 ‘ 和 有 效应 力 方法 ‘卜， ， 在 有 效应 力方 法 中 ， 测 定抗 剪 强度 是基 于 有 效 内聚 力 和 有 效 内摩 擦 角 在 双 应 力 变 量 方法 中 ， 净 应 力 总应 力 中超 过 气 压 力 的部 分 和 基 质 吸 力 被 单 收 稿 日期 一 修 回 日期 一 基金 项 目 河 北 省建 设科技研 究 资助项 目 众 一 作者 简介 李 占强 “ 一 ， 男 ， 高级 工 程师 ， 博 士 研 究 生 实验 设 备 实 验 采 用 的 非 饱 和 土 三 轴 仪 由河 海 大 学 岩 土 工 程研 究 所 实 验 室提供 ， 它 是 在 一 型 多 功 能三轴 仪 的基础 上 加 以改进 而 成 ， 包 括 三轴 压 力 室 ， 调 节 应 变速 率 的控 制 台 、 压 力表 和 体 变 管 组 成 的管 路 阀 门系统 ， 以及 数据 自动 采集 系 统 等 三 部 分 该三 轴 仪 在 实 验 过 程 中能控 制 基 质 吸 力 ， 即 能够 控 制 孔 隙气 压 力和 孔 隙 水 压 力 ， 且 可 以独 立 测 量 体 变 和 水 量 变 化 与 常规 三 轴 仪相 比 ， 改进 后 的三 轴 仪 压 力 室 图 可 以直 接 测 出试 样 在 固结和 剪 切 过 程 的体 变 体 变特 征 将 另 撰 文 论 述 ， 三 轴 室底 座 安 置 了 高进 气 值 陶土板 ， 以防止 土样 中 的气 体 流 向排水 管 路 ， 同 时 也 可 避 免 土 样 饱 和 度 在 实 验 期 间 降 低 为减 少 土 样 排 水 的 时 间 ， 应 依 据 实验 过 程 中 的最 大 吸 力值 尽 可 能选 择 渗透 性好 的陶土 板 ， 本 次 实验采 用 的陶土 板 的进 气 值 为 妙 其 他 与 常 规 三 轴 仪 基 本 相 同 ， 其 剪 切 实 验 样 品中 ， 高 该 仪 器 不 仅 能 测 量 和 控 制 轴 压 、 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2005．02．038

Vol.27 No.2 李占强等：夯实高饱和度地基土的强度特性 ·151· 在恒定的净围压(o一u,)和吸力s下排水固结，同 活赛 时记录体积变化、排水量和孔压.前人的研究川 表明，这个过程的结束就是指比体积和体积含水 试样帽 量的稳定，一般假定含水量变化为最大含水量的 0.04%/d.值得注意的是，由于土的结构、应力一 试样 透水板 应变历史、应力路径、基质吸力的不同，在固结阶 段土可能会发生膨胀或收缩.(2)剪切阶段：改进 接孔压传感器 的三轴仪可以做不同应力路径下的排水剪切或 外室气压一 不排水剪切实验.为研究试样在剪切过程中体变 内室水压 和水量变化的特性，所有试样均采用统一的切应 排水管 变速率(0.0064mm/min),在排水条件下完成剪 施加气压 高进气值陶土板 图1改进的非饱和土三轴仪压力室示意图 Fig.1 Schematic diagram of a modified triaxial compressive cell 1.4实验材料 for unsaturated soils 实验所用材料为某地税大楼强夯后地基土， 它系太行山前第四纪冲积平原河流相沉积.这种 围压、孔隙水压力和孔隙气反压，而且能单独测 土主要由细颗粒的岩石矿物碎屑组成，碎屑颗粒 量体变和含水量变化， 之间及颗粒表面充填着风化淋滤沉积的粘土矿 13实验过程 物，矿物成分主要是长石和石英以及少量的云母 对于控制吸力下的三轴实验，每一土样在实 片，大部分长石已风化.实验用土为一含有大约 验过程中吸力保持恒定，而总净应力变化.实验 21%的粘土（≤0.005mm)成分的粉土，表1列出了 包括两个阶段：固结和剪切阶段，()固结阶段： 实验土主要的物理指标和击实后土样的特性， 表1某地税大楼夯实粉土的物理指标特性 Table 1 Physical properties of compacted silt from the foundition of the Local-tax Building in Shijiazhuang,China 实验土样的主要物理指标 击实后土样的特性 G/g.cm-)(kN.m) w,/% w/% % % w% v S,1% 2.71 16.2 15.9 25.3 9.4 20.2 14.95 1.673 81.5 注：G,为士粒的密度，为试样的干密度，Ww,I,分别为土的塑限、液限.塑性指数，w为土的天然含水量，w为击实土的最优含水量，v为土 的比体积，S,为土的饱和度 2实验结果及分析 力增加，初始切变模量和最大偏应力增加，因为 施加的吸力不大，故应力一应变曲线未出现峰 Fredlund等认为，控制吸力条件下的三轴排 值，当应变值很大时，偏应力有逐渐趋向一稳定 水剪切实验固结阶段的净围压(5一)应为1013 值的趋势.当吸力比较小(s=100kPa)时，试样的 kPa以上，否则土样在固结过程中就会倒吸陶土 初始刚度较大，且当轴向应变，≥02%左右时，试 板下的水.故所有实验土样均在恒定的净平均应 样发生屈服，屈服后的切线刚度变小；而当吸力 力(p-,)为100kPa和偏应力g为0kPa的条件下 比较大(s=200kP)时，试样的初始刚度较s=100 进行固结，考虑到现场地基土的饱和度大都在 k炉a时要小，而试样在轴向应变达1%左右后，才 70%~8S%,初始吸力值大约为100kPa,故实验采 发生屈服，土样屈服后的切线刚度则比s=100 用较低的吸力值，四组实验的吸力值s分别为0， kPa时要大得多.说明吸力越大，土体抵抗变形破 50,100,200kPa,总共测试了净围压(o-u,)为 坏的能力越强.表2是根据图2应力应变曲线计 100,200,300kPa下的14个样品，其中吸力值为 算的试样初始刚度和切线刚度，表中数据显示吸 零是采用饱和土的三轴排水剪切实验结果， 力、围压越大，切线刚度越大：而初始切线刚度则 21应力一应变关系 不然，这说明对于实验的非饱和土，在小应变范 同一围压、不同吸力条件下应力一应变关系 围内确定的初始切线刚度不可靠.至于造成这种 曲线示于图2.由图可见，同一围压条件下，随吸 现象的原因，目前的实验结果还难以解释，有待

李 占强 等 夯 实高饱 和 度地 基 土 的 强 度特性 、 弃 尸尸 二二 晰 活塞 接孔压传感器 外室气压 内室－水压 施加气压 高进气植陶土板 图 改进 的非 饱和 土 三 轴 仪压 力室 示 意图 记 邝 围压 、 孔 隙水 压 力和 孔 隙气 反 压 ， 而 且 能 单独 测 量 体变 和 含水 量 变 化 实验 过 程 对 于 控 制 吸 力下 的三轴 实验 ， 每 一 土样 在 实 验 过 程 中吸 力保 持 恒 定 ， 而 总净 应 力变 化 ， 实验 包 括 两 个 阶段 固结和 剪 切 阶 段 固结 阶 段 在 恒 定 的净 围压 仍 一 和 吸 力、 下 排 水 固结 ， 同 时记 录 体 积 变 化 、 排 水 量 和 孔压 前 人 的研 究 一 川 表 明 ， 这 个 过程 的结 束就 是指 比 体积 和 体积 含水 量 的稳 定 ， 一 般 假 定含 水 量变 化 为最 大含 水量 的 值 得 注 意 的是 ， 由于 土 的结构 、 应 力一 应 变历 史 、 应 力路 径 、 基质 吸 力 的不 同 ， 在 固结阶 段 土 可 能会 发 生膨 胀 或 收 缩 剪 切 阶 段 改进 的三 轴 仪 可 以做 不 同应 力 路 径 下 的排 水 剪 切 或 不 排 水 剪 切 实验 为研 究试 样 在 剪切 过程 中体 变 和 水 量 变 化 的特 性 ， 所 有试 样 均采 用 统 一 的切应 变 速 率 助竹 ， 在 排 水 条 件 下 完成 剪 切 实验 材 料 实验 所 用 材 料 为某地 税 大楼 强 夯 后 地 基 土 ， 它 系 太行 山 前第 四纪 冲积 平 原 河 流 相 沉积 这 种 土 主 要 由细颗 粒 的岩 石 矿 物 碎 屑组 成 ， 碎 屑颗 粒 之 间及 颗 粒 表 面 充 填 着 风 化 淋 滤 沉 积 的粘 土 矿 物 ， 矿 物 成 分 主 要 是 长 石 和 石 英 以及 少量 的云 母 片 ， 大 部 分 长 石 己 风 化 实验 用 土 为一 含 有 大 约 的粘 土 成 分 的粉 土 ， 表 列 出 了 实验 土 主 要 的物 理 指 标 和 击 实后 土 样 的特 性 表 某地税 大 楼 夯实粉 土 的物理 指标 特性 · ， 实验土 样 的 主 要 物 理 指标 副勺 · 一 ， 八州 · 一 ， 侧 吞 ” 气想么 击 实 后 土 样 的特性 呱洲 ， 注 仅为土粒的密度 ， 知为试样的干密度 ， ， ， 几分别为土 的塑限 、 液限 、 塑性指数 ， 为土 的天然含水量 ， 为击实土 的最优含水量 ， 为土 的比体积 ， 为土 的饱和度 实验 结 果 及 分 析 等‘，，认 为 ， 控 制 吸 力 条件下 的三 轴 排 水 剪 切 实验 固结 阶 段 的 净 围压 伪 一 应 为 甘 以上 ， 否 则 土 样在 固结 过 程 中就会 倒 吸 陶 土 板 下 的水 故所 有 实验 土样 均 在恒 定 的净 平 均 应 力 沙一 为 沙 和 偏 应 力 为 沙 的条 件 下 进 行 固 结 考 虑 到 现 场 地 基 土 的饱 和 度 大 都 在 一 ， 初 始 吸 力值 大 约 为 ， 故 实验 采 用 较 低 的吸 力值 四组 实验 的吸 力值 ， 分 别 为 ， ， ， 廿 ， 总 共 测 试 了净 围压 氏 一 为 ， ， 廿 下 的 个 样 品 ， 其 中吸 力 值 为 零 是 采用饱 和 土 的三 轴 排 水 剪切 实验 结 果 应 力一应 变 关 系 同一 围压 、 不 同吸 力 条件 下应 力一应 变关 系 曲线 示 于 图 由图可 见 ， 同一 围压 条 件 下 ， 随吸 力 增 加 ， 初 始 切 变 模 量和 最 大偏 应 力增 加 ， 因 为 施 加 的 吸 力 不 大 ， 故 应 力一应 变 曲线 未 出现 峰 值 ， 当应 变 值 很 大 时 ， 偏 应 力 有 逐 渐 趋 向一 稳 定 值 的趋 势 当 吸 力 比 较 小 二 时 ， 试 样 的 初 始 刚度 较 大 ， 且 当轴 向应变 左 右 时 ， 试 样 发 生 屈 服 ， 屈 服 后 的切 线 刚度 变 小 而 当吸 力 比较 大 二 时 ， 试 样 的初 始 刚度 较， 二 沙 时 要 小 ， 而 试 样 在轴 向应 变 达 左 右 后 ， 才 发 生 屈 服 ， 土 样 屈 服 后 的切 线 刚度 则 比， 廿 时要 大得 多 说 明吸 力越 大 ， 土体抵 抗 变 形破 坏 的能力 越 强 表 是根 据 图 应 力应 变 曲线计 算 的试 样 初始 刚度 和 切 线 刚度 ， 表 中数 据显 示 吸 力 、 围压 越大 ， 切 线 刚度 越 大 而初 始 切线 刚度 则 不 然 ， 这 说 明对 于 实验 的非饱 和 土 ， 在 小应 变范 围 内确 定 的初始 切 线 刚度 不可 靠 至 于 造 成这 种 现 象 的原 因 ， 目前 的实验 结 果 还难 以解 释 ， 有 待

·152, 北京科 技大学 学 报 2005年第2期 800 800 西-，=100kPa s=50kPa (a) 600 600 400 400 20u 200 (o-u.)/kPa 0 0 5 10 15 20 0 0 15 20 轴向应变，E% 轴向应变，% 1000 1200 -4=200kPa (b) 3=100kPa (b) 800 1000 800 600 600 400 400 (o-u.)/kPa 200 二：=288 200 100 二388 0 5 10 15 20 10 15 20 轴向应变，e% 轴向应变，/% 1200 1200 0,-H,=300 kPa (c) s-100 kPa (c) 1000 1000 800 800 气 600 -s=0kPa 400 ----3=50kPa 400 (o-u.)/kPa -.--s=100kPa 200 ----·3=200kPa 200 00 0 0 10 20 0 10 轴向应变，B/% 轴向应变，6/% 图2恒定围压下吸力对应力一应变曲线的影响 图3恒定吸力下净围压对应力一应变曲线的影响 Fig.2 Effect of suction on stress-strain curves under constant con- Fig.3 EfTect of net confining pressure on the stress-strain for con- fining pressure stant suction 表2根据应力一应变关系曲线拟合计算的试样刚度 似，应力一应变曲线未出现峰值，均表现为硬化 Table 2 Calculated stiffness of samples in terms of stress-strain 型，净围压越大，土体发生屈服和破坏的偏应力 fitting curves 值就越大，初始模量也随围压的增加而增加，然 试样(a,-4,)kPa s/kPa6,%初始刚度Pa切线刚度MPa N12 100 500.54 92.8 7.4 而，初始模量随围压的增加没有随吸力增加得那 N4 100 100 0.10 600.1 12.5 样明显，这主要是由于应力和吸力历史造成的： N7 100 200 1.43 129.8 32.6 在小应变区（©，<1%），施加的应力没有超过击实期 NII 200 50 0.50 77.8 19.9 间样品所遭受的最大应力（竖向应力大约为850 N5 200 100 0.11 653.3 21.3 kPa).相反，对所有样品来说，吸力值高于或等于 N8 200 200 1.05 284.6 39.2 初始的吸力值，亦即施加的吸力大于样品先前经 N10 300 50 1.38 115.9 23.8 历的吸力值，对初始切变模量有明显的影响 N6 300 100 0.13 607.4 33.0 N9 300 2001.24 230.2 43.9 2.2强度特性 己有的控制吸力和净室压力的三轴排水剪 于进一步积累资料解决 切实验结果表明：当吸力增加时，土样的破坏型 对于一个较高的围压(c-4,=200,300kPa), 式从塑性破坏过渡到脆性破坏.但本次实验获 随着吸力的增加，应力一应变曲线均未出现峰 得的应力一应变曲线均表现为前述的硬化型，未 值，初始模量和最大偏应力仍随吸力增加而增 见峰值，因此确定土样破坏的标准是取轴向应变 加，表明实验击实土有较高的韧性 等于15%时的应力为破坏应力.12个实验样品的 图3将相同吸力、不同围压的应力一应变曲 三轴排水剪切实验的破坏应力列于表3，不同吸 线绘于一起。和常规三轴饱和土的实验结果相 力条件下试样的破坏包线示于图4.由图可见，随

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 厂 二一二 气乙︸ 只侧垠立叹月 氏 一 ’ 一 ‘ ” 二 二 ” 卜’ ， 几井 ’ 夕 一 一 一 ‘ 性二二 二 目 一一 一 一一 长侧华‘习︸时 ，。 卜少少‘ 一 产 三 燕 伪 一 瓜 轴 向应变 ， 。 扩 轴 向应变声扩 仍 一 ， · 少 口 二目 脚 ，， ， 办 份洲 产一 ‘ 二丁 一－一 一 一 · 一 ， … 二 一 一 子厂 二 ， 多二 …二二一俩一 妙 只创缤越﹄招 。 盯卜，目梦 民 一 “ 轴 向应 变 声召 轴 向应 变 ，司 一 二二 厂 口 卜瞬巴 。口 乙气， 八曰︸﹄ ‘ 只垠翅﹄涅、 只侧照山召︸ ‘ 飞二 一 一 一 尸 产 一 了三公 一 一 一 了尹 ， 芬 尹 产 － 一 一 一 一 才 ‘ 乡 仍 一 瓜 二 －一 一 一 厂 一 一 一 一 匕一一一一一一 一 曰‘ 一一一习 轴 向应 变 ，。 召 图 恒定 围压 下 吸 力对 应 力一应 变 曲线 的影 响 比 一 比 碑 巴‘ 一 －一－一一 一一习 轴 向应 变 ，￡召 图 恒定 吸 力 下 净 围压 对应 力一应 变 曲线 的 影 响 闭 邝 溉 一 舀 表 根 据 应 力一应 变 关 系 曲线拟合计 算 的 试 样 刚度 口恤 妞 代 一 试样 氏 一 从 爪 瓜 ‘ 肠 初 始 刚 度 入任 切 线 刚度 ，，八︸凡了，‘ 、、 铸八”，‘曰︸气 ︸八，曰内，峥︸，月、 似 ， 应 力一应 变 曲线 未 出现 峰值 ， 均 表 现 为硬 化 型 ， 净 围压 越 大 ， 土 体 发 生 屈 服 和 破 坏 的偏应 力 值 就 越 大 ， 初 始 模 量 也 随 围压 的增 加 而 增 加 然 而 ， 初 始 模量 随 围压 的增 加 没有 随吸 力增 加 得 那 样 明显 ， 这 主 要 是 由于应 力 和 吸 力 历 史 造 成 的 在 小应 变 区 执 ， 施 加 的应 力 没 有超 过 击 实 期 间样 品所 遭 受 的最 大 应 力 竖 向应 力 大 约 为 沙 ， 相 反 ， 对 所 有 样 品 来 说 ， 吸 力 值 高于 或 等 于 初 始 的吸 力值 ， 亦 即施 加 的吸 力大 于样 品 先 前 经 历 的吸 力值 ， 对 初 始 切 变 模 量 有 明显 的影 响 ， 强度 特 性 己 有 的控 制 吸 力 和 净 室 压 力 的三 轴 排 水 剪 切 实验 结 果 表 明 当吸 力 增 加 时 ， 土 样 的破 坏 型 式 从 塑 性 破 坏 过 渡 到 脆 性破 坏 ‘” 但 本 次 实验 获 得 的应 力一应 变 曲线 均 表现 为前述 的硬 化 型 ， 未 见 峰值 ， 因此 确 定 土 样 破 坏 的标 准 是 取 轴 向应 变 等 于 时 的应 力为破 坏 应 力 个 实验 样 品 的 三 轴 排 水 剪切 实 验 的破 坏 应 力 列 于 表 ， 不 同吸 力条件 下试 样 的破坏 包 线 示 于 图 由图可 见 ， 随 协 ，山，乙，门、， 于 进 一 步 积 累 资料 解 决 对 于 一 个 较 高 的 围压 仍 一 ， ， 随着 吸 力 的增 加 ， 应 力一应 变 曲线 均 未 出现 峰 值 ， 初 始 模 量 和 最 大偏 应 力 仍 随 吸 力增 加 而 增 加 ， 表 明实验 击 实 土 有较 高 的韧 性 图 将 相 同吸 力 、 不 同 围压 的应 力一应 变 曲 线 绘 于 一起 和 常 规 三 轴 饱 和 土 的 实验 结 果相

VoL.27 No.2 李占强等：夯实高饱和度地基土的强度特性 ·153· 表3三轴排水剪切破坏应力及强度参数 Table 3 Failure stress and strength parameters measured by triaxial drained shear test 吸力kPa 净围压，(a-u,)kPa 破坏偏应力，q/kPa破坏平均应力pkPa 有效内摩擦角，中)有效内聚力，ckPa 100 306.2 202.6 0 200 486.5 362.2 32.9 3.0 300 905.1 601.7 100 341.7 213.6 50 200 566.7 388.9 32.8 27.3 300 808.3 566.1 100 533 277.7 100 200 745 448.3 27.2 63.5 300 867 589.0 100 692 3313 200 200 808 469.3 20.0 85.4 300 900 600.0 1000 破坏应力和吸力的关系示于图5，值得注意 9=0.7739p+438.78 g:-1.0789p+242.1 800 的是在实验的吸力值和围压范围内，破坏应力和 6 q=1.3238p+56.585 吸力的关系为一直线，这些直线的斜率随围压的 600 91=1.3254p+7.2739 改变而改变，且围压越大，直线的斜率越缓，这意 ---=003a 400 味着在高围压条件下吸力对抗剪强度参数的影 s-0kPa 响变小 200L 00 300 500 700 900 1000 净应力，pkPa ◆9■0.51795+799.78 图4偏应力一净应力平面内的强度包线 800+ 4q-1.66375+505.98 ◆ -u./kPa Fig.4 Strength envelope in the deviatoric stress-neat stress plane 600 R 吸力和净应力增加，强度包线彼此并不平行而呈 400 q=2.1725s+270.66 收敛状，这表明内摩擦角'并不是恒定的，它随 吸力改变而改变.而强度包线与纵轴的截距却随 200 100 200 300 400 吸力的增加而增加，即有效内案力在增加. 吸力，skPa 图4还表明吸力相同的点大致落在同一直线 图5抗剪强度与吸力之间关系 上，用直线拟合得其方程列于图4中.可用一个 Fig.5 Relationship between shear strength and suction 通用的线性方程来表示： 有效内聚力随吸力的改变示于图6.可见有 q=s+patana (2) 效内聚力与吸力之间大致成直线关系，它随吸力 式中，和tana分别是直线的截距和斜率，用线性 的增加而增加.可以解释为：当吸力增加时，孔隙 回归方法分析得出.土的有效内摩擦角中'、有效 水将变成颗粒接触处的弯液面水，这将产生内部 内聚力c可参考文献[5]提出的方法求得，计算结 颗粒接触力.增加土的吸力将导致接触力的增 果列于表3中. 加，简言之，弯液面水将起到一个封闭气泡在颗 表3中的数据说明，中'随吸力的增大而减小. 粒接触点的作用，而这将增加有效内聚力c. 文献[]的实验结果也是如此，只不过随吸力的 有效内摩擦角随吸力的改变示于图7.可见 增大，中减小幅度不大，没有此次实验的结果明 吸力与有效内摩擦角的关系呈较良好的线性，相 显.这也从另一个侧面说明了吸力对实验土强度 关系数达0.995，且吸力比较小时有效内摩擦角 的影响只发生在围压比较低的情况，当围压很高 较大 时，不同吸力条件下土的破坏应力将趋于一致， 图6及图7表明内摩擦角随吸力减小的幅度 取tana为饱和土的相应数值，利用式(2)就可计算 远小于土的凝聚力随吸力增加的幅度.这是因为 出不同吸力下的校正值. 内摩擦角主要是反映土颗粒之间摩擦力的大小

李 占强 等 夯 实 高饱 和 度 地 基 土 的强 度特 性 · 表 三 轴 排 水 剪切 破 坏应 力及 强 度参数 几 比 代 卜 吸 力 净 围压 ， 伪 一 破 坏偏 应 力 ， 声 破 坏平 均应 力 刃八于 有 效 内摩擦 角 ， 价 有 效 内聚 力 ， ’ ， 兮 ， 乃 叮 汁 ，， 如 ， 二 二 破 坏 应 力和 吸 力 的关 系 示 于 图 ， 值 得注 意 的是在 实验 的吸 力值 和 围压 范 围 内 ， 破 坏 应 力和 吸 力 的关系 为一 直 线 ， 这 些 直 线 的斜 率 随 围压 的 改变 而 改变 ， 且 围压越 大 ， 直 线 的斜 率越 缓 这 意 味 着 在 高 围压 条 件 下 吸 力 对 抗 剪 强 度 参 数 的影 响变 小 召︸﹄ 卜 只侧李 刃 仍 一 瓜 ‘内乙八石 八 八曰︸︸ 霆 ‘ 只创照 一一一一一一一一一一一一 一 一一一二 一 一 一 一一一 一口 净 应 力 ， 图 偏 应 力一净应 力平 面 内的 强 度包 线 比 卜 出 一 代 吸 力和 净 应 力增 加 ， 强度 包 线彼 此 并不平 行 而 呈 收敛 状 这 表 明 内摩 擦 角沪 ‘并 不 是 恒 定 的 ， 它 随 吸 力 改变 而 改变 而 强度 包 线 与纵 轴 的截距 却 随 吸 力 的增 加 而 增 加 ， 即有 效 内聚 力在 增 加 图 还 表 明吸 力 相 同 的点大 致落 在 同一 直 线 上 ， 用 直 线 拟 合 得 其 方程 列 于 图 中 可 用 一 个 通 用 的线 性 方 程 来 表 示 省切碑 式 中 ， 亡和 分 别 是 直 线 的截 距 和 斜 率 ， 用 线 性 回归 方 法 分 析 得 出 土 的有 效 内摩 擦 角沪 ‘ 、 有 效 内聚 力己可 参 考 文 献 【 提 出 的方法 求 得 ， 计 算 结 果 列 于 表 中 表 中 的数据 说 明 ， 沪 护随吸 力 的增 大 而 减 小 文献 【 的实验 结 果 也 是 如 此 ， 只 不 过 随 吸 力 的 增 大 ， 价 ’减 小 幅 度 不 大 ， 没 有此 次 实验 的结 果 明 显 这 也 从 另一 个侧 面 说 明 了吸 力对 实验 土 强度 的影 响只 发 生在 围压 比较低 的情 况 ， 当 围压 很 高 时 ， 不 同吸 力 条件 下 土 的破 坏 应 力将 趋 于 一 致 取 为饱 和 土 的相 应 数 值 ， 利用 式 就 可 计 算 出不 同吸 力 下 的亡校 正 值 十 石 吸 力 ， 图 抗 剪强 度 与 吸 力之 间关 系 代 有 效 内聚 力 随吸 力 的改变 示 于 图 可 见 有 效 内聚 力与 吸 力 之 间大 致成 直 线关 系 ， 它 随吸 力 的增 加 而 增加 可 以解 释 为 当吸 力增 加 时 ， 孔 隙 水将变 成 颗 粒接触 处 的弯 液 面 水 ， 这将 产 生 内部 颗 粒 接 触 力 ‘ 增 加 土 的吸 力将 导致 接 触 力 的增 加 简 言之 ， 弯 液 面 水 将 起 到 一 个 封 闭气 泡 在 颗 粒 接 触 点 的作 用 ， 而 这 将 增 加 有 效 内聚 力 “ 有 效 内摩 擦 角 随吸 力 的 改 变 示 于 图 可 见 吸 力 与有 效 内摩 擦 角 的关系 呈较 良好 的线 性 ， 相 关 系 数 达 ， 且 吸 力 比 较 小 时有 效 内摩 擦 角 较 大 图 及 图 表 明 内摩 擦 角 随吸 力减 小 的幅度 远 小 于 土 的凝 聚 力 随吸 力增 加 的幅度 这 是 因为 内摩擦 角主 要 是 反 映土颗 粒 之 间摩擦 力 的大 小

◆154· 北京科技大学学报 2005年第2期 100 在实验吸力的范围内，有效内聚力受吸力的影响 80 比有效内摩擦角更明显.而实验夯实土的破坏包 % c'=0.4172s+8.384 线并不是平面，它随净平均应力和吸力的增高而 % R=0.9353 呈收敛状，说明对实验的这种高饱和度击实粉 20 土，当围压较高时，吸力对强度的增长不再明显， 0 此时围压将起主导作用. 50 100 150 200 250 s/kPa 图6有效凝聚力与吸力关系 致谢文中所述实验是在河海大学岩土工程研究所实验室 Fig.6 Relationship between c'and suction 完成的，实验过程中得到了殷宗泽教授、朱俊高教授和其他 40 多位老师的指导和帮助，在此致谢， 0 中'=-0.0798+35.86 R=0.9896 参 考文献 20F [1]Fredlund DG,Raharduo H.Soil mechanics for unsaturated soils New York:John Weley Sons,Inc,1993. 10 [2]Rampino C,Mancuso C,Vinale F.Laboratory testing on an un- saturated soil:Equipment,procedures,and first experimental re- 50 100 150 200 250 sults.Can Geotech J,1999,36(1):1 s/kPa [3]Rampino C,Mancuso C,Vinale F.Experimental behaviour and 图7有效内摩擦角与吸力关系 modeling of an unsaturated compacted soil.Can Geotech J, Fig.7 Relationship between and suction 2000,37(7):748 [4]Alonso EE,Gens A,Josa A.A constitutive model for partially 随吸力增加，孔隙气起到了土粒间的润滑作用， saturated soils.Geotechnique,1990,40(3):405 减小了颗粒间的摩擦.虽然吸力的增加伴随着含 [5】陈正汉，重塑非饱和黄土的变形、强度、屈服和水量变化 水量的减少，可能导致颗粒间摩擦的增加，但是 特性.岩土工程学报，1999,21(1)：82 实验土具高饱和度，且实验在低吸力值条件下进 [6]Vanapalli S K,Fredlund D G.Model for the prediction of shear strength with respect to soil suction.Can Geotech J,1996,33 行，因而，有效内摩擦角随吸力增加而减小.在剪 (3379 切过程中，虽然应变速率很小，但由于含水量的 [7]Wheeler S J.Inclusion of specific water volume within an elasto- 变化，因而内摩擦角也可能会轻微变化. plastic model for unsaturated soil.Can Geotech J,1996,33(1): 42 3结论 [8]Fredlund D G,Morgenstern N R.The shear strength of unsatu- rated soils.Can Geotech J,1978,15(3):313 [9]Fredlund D G,Xing A.The relationship of unsaturated soil shear 本文研究实际饱和度和吸力下非饱和击实 strength to soil-water characteristic curve.Can Geoteeh J,1996. 粉土的强度特性，实验结果初步证实了改进的非 33(3:440 饱和土三轴仪的功效和实验过程的准确性，而且 [10]Cui Y J,Delage P.Yielding and plastic behaviour of an unsatu- 实验过程简单，易于操作，数据采集基本实现了 rated compacted silt.Geotechnique,1996,46(2):291 [11]Wheeler S J,Sivakumar V.An elasto-plastic critical state frame- 自动化，特别是采用了排水管路和孔压测量系统 work for unsaturated soil.Geotechnique,1995,45(1):35 连通，可以很方便地排除高进气值陶土板下的微 [12]BishopA W,Blight GE.Some aspects of effective stress in satu- 气泡，从而保证了孔压和水量测量的精度. rated and partly saturated soils.Getechnique,1963,13(3):177 实验结果表明基质吸力对非饱和土的强度 [13]Hines W B.Studies in the physical properties of soils.J Agric Sci Camb,17:464 特性有重要影响，随吸力增加，土的强度增加.在 [14]Burland J B.Some aspects of the mechanical behavior of partly 不同的围压条件下，抗剪强度和吸力的关系表现 saturated soils.In:Moisture Equilibria and Moisture Change in 为一线性关系.相应地，土的有效内聚力和有效 Soils Beneath Covered Areas,Butterworths,Australia,1965. 270 内摩擦角都与吸力呈良好的线性关系，有效内聚 力呈线性增加，而有效内摩擦角则相应地减小

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 在 实验 吸 力 的范 围 内 ， 有 效 内聚 力 受 吸 力 的影 响 比 有 效 内摩 擦 角 更 明显 而 实验 夯 实土 的破 坏 包 线 并不 是平 面 ， 它 随净 平 均 应 力 和 吸 力 的增 高而 呈 收 敛 状 ， 说 明对 实 验 的这 种 高饱 和 度 击 实粉 土 ， 当 围压 较 高 时 ， 吸 力对 强度 的增 长 不 再 明显 ， 此 时 围压 将 起 主 导 作 用 劝二 ‘石，八︸ ︵ 巡﹄ ‘ 勺 图 有 效凝 聚 力 与 吸 力 关 系 俪 ， 柱 致谢 文 中所述实验是在河海大学岩土工程研究所实验室 完成的 ， 实验过程中得到了殷宗泽教授 、 朱俊高教授和其他 多位老师的指导和 帮助 ， 在此致谢 参 考 文 献 价 ’ 一 刀 名 ︸气，八 ︵ 。︾ ﹄今 图 有效 内摩擦 角 与吸 力 关 系 价 ’ 随 吸 力 增 加 ， 孔 隙气 起 到 了土 粒 间 的润 滑 作 用 ， 减 小 了颗 粒 间 的摩 擦 虽 然 吸 力 的增 加 伴 随着 含 水 量 的减 少 ， 可 能 导致 颗 粒 间摩 擦 的增 加 ， 但 是 实验 土 具 高饱 和 度 ， 且 实验 在 低 吸 力值 条 件 下 进 行 ， 因而 ， 有 效 内摩 擦 角 随吸 力增 加 而 减 小 在 剪 切 过 程 中 ， 虽 然 应 变 速 率很 小 ， 但 由于 含 水 量 的 变 化 ， 因 而 内摩 擦 角 也 可 能会 轻 微 变 化 ， 七 ， ， ， ， 甲 城 ， ， ， 别旧 ， ， ， ， ， ， ， ， 陈 正 汉 重 塑 非 饱和 黄 土 的 变形 、 强 度 、 屈 服 和 水量 变化 特 性 岩 土 工 程 学 报 ， ， 结 论 本 文 研 究 实 际 饱 和 度 和 吸 力 下 非 饱 和 击 实 粉 土 的强度 特 性 实验 结 果初 步证 实 了 改进 的非 饱 和 土 三 轴 仪 的功 效 和 实验 过 程 的准 确 性 ， 而 且 实验 过 程 简 单 ， 易 于 操 作 ， 数 据 采 集 基 本 实 现 了 自动 化 特 别 是采 用 了排 水 管路 和 孔 压 测 量 系统 连 通 ， 可 以很 方 便 地 排 除高进 气 值 陶土 板 下 的微 气 泡 ， 从 而 保 证 了孔 压 和 水 量 测 量 的精度 实 验 结 果 表 明基 质 吸 力 对 非 饱 和 土 的 强 度 特 性 有 重 要 影 响 ， 随 吸 力增 加 ， 土 的强度 增 加 在 不 同的 围压 条件 下 ， 抗 剪 强度 和 吸 力 的关 系表 现 为 一 线 性 关 系 相 应 地 ， 土 的有 效 内聚 力 和 有 效 内摩 擦 角 都 与 吸 力 呈 良好 的线性 关系 ， 有 效 内聚 力呈 线 性 增 加 ， 而 有 效 内摩擦 角 则 相 应 地 减 小 由 叩 ， ， ， ， ， ， ， ， ， 能 一 众 ， ， ， 叭 吹 ， ， 川 ， 一 ， ， ， ， ， ， ， ， 】 民