文摘

为了调查一个简化的方法来预测绍兴不饱和粉质粘土的抗剪强度,测试方法结合非饱和土固结仪和常规直剪仪用于研究剪切强度,和方法比较和验证的结果等于吸入直接剪切试验。研究结果表明,土壤水分特征曲线拟合测量数据点和VG模型具有明显的阶段特征的范围0 ~ 38 kPa, 38 ~ 910 kPa, 910 ~ 10000 kPa。非饱和土的抗剪强度衡量整合计结合常规直剪试验是在良好的协议与平等的吸力直接剪切试验的测量范围为0 ~ 500 kPa。结果表明,抗剪强度,土壤总凝聚力,有效内摩擦角与基质吸力的增加略有增加的范围0 ~ 38 kPa。当基质吸力增加来自38个kPa 500 kPa,土壤的抗剪强度和总内聚力与SWCC有相似的阶段特征,首先增加了,然后趋于稳定,而有效内摩擦角略有变化。最后,以空气进口价值为分界点,提出一种改进的非饱和抗剪强度模型,通过分析错误值。与测量值相比,相对误差的绝对值基本保持在5% ~ 10%的范围,这是接近测量值。

1。介绍

不饱和土壤中广泛存在于自然界,他们从饱和土的工程性质有很大的不同。地下水位上方的土壤通常被认为是不饱和土壤。随着季节的变化和降雨,不饱和状态是不断变化的。轻易的失败基础和边坡发生,它对建筑物、构筑物的安全带来了巨大威胁(1,2]。Ciabatta et al。3)表明,大量的降雨引起的全球气候变化可能会导致更频繁的滑坡。它已经严重影响人类生命和财产的安全。Rahardjo et al。4残积土边坡进行了研究,他们发现,高和陡峭的残积土边坡安全干燥的时期,只有在雨季中倒塌。现象表明,边坡的稳定性与额外的抗剪强度的非饱和区地下水位以上。降雨期间雨水的渗透影响负的孔隙水压力降低了额外的非饱和土的抗剪强度,导致滑坡容易(1,5- - - - - -7]。

为了提高饱和和不饱和土壤的性质,一些学者尝试将水泥等无机胶结材料添加到土壤(8,9]或添加水泥,纳米纤维,和其他混合材料(10- - - - - -12]。显然,在理论和实践中,是非常重要的理解和研究特点直接特别是不饱和土的抗剪强度,在自然界中广泛存在。Mohr-Coulomb强度理论已经证实了大量的测试和工程实践。它可以准确地确定饱和土的抗剪强度。然而,在20世纪初,非饱和土的强度是由莫尔-库仑同样预测饱和土抗剪强度公式。直到后来,非饱和土力学的发展,许多学者做了大量研究非饱和土的抗剪强度之间的关系和基质吸力13- - - - - -18]。Idinger和吴19]显示,基质吸力降低颗粒土壤的收缩效果,增加总凝聚力,而有效内摩擦角并没有改变太多;Rasool和Kuwano20.]研究了基质吸力对非饱和土的抗剪强度,他们发现基质吸力和抗剪强度之间的关系是非线性的;Pujiastuti et al。21)指出,总凝聚力的有效内摩擦角不饱和砂随基质吸力的增加将会增加,但抗剪强度增加。哈利利的et al。22]研究了非饱和土的力学行为,发现总凝聚力高基质吸力的增加线性范围内。Cokca和Tilgen23]研究了安卡拉压实粘土的抗剪强度之间的关系和基质吸力,发现基质吸力和剪切强度正相关。针对摩尔-库仑抗剪强度公式将不可避免地导致错误时用来预测非饱和土的抗剪强度。

在岩土工程实践中,渗透系数、抗剪强度、和其他相关索引描述非饱和土的行为可以获得间接利用水保特性曲线(24- - - - - -30.]。根据基质吸力对非饱和土的内聚力和内摩擦角,许多学者采用莫尔-库仑强度失效准则的饱和土壤和水保测量饱和土的抗剪强度参数特性曲线来预测非饱和土的抗剪强度。例如,Vanapalli et al。31日)提出了一个非线性抗剪强度计算模型与工程水土特征曲线的土壤质量。奥伯格和Sallfors32]介绍了非饱和土的抗剪强度计算公式结合土壤饱和和基质吸力。唐et al。33]讨论了使用常规直剪仪结合的可行性最初水保0压力特性曲线来估算非饱和土的强度。

本文进行了三个实验,分别对非饱和土固结试验、常规直剪试验,等于吸入直接剪切试验。非饱和土的固结试验可以获得工程水土特征曲线,它描述了土壤基质吸力与含水量之间的关系,反映了土壤的持水能力下吸(33]。传统的直接剪切试验是获取土壤的抗剪强度与含水量不同,它反映了不同的水分含量和抗剪强度之间的关系;平等的吸力直接剪切试验可以直接获得土壤的抗剪强度在不同基质吸力状态。很难测量所需的测试分析数据在短时间内因为耗时的常数吸入直接剪切试验。然而,非饱和土固结试验结合常规直剪试验可以达到相同的测试目的的直接剪切试验与平等的吸力,和消费是相对较短的时间。基质吸力的影响,土壤的抗剪强度进行了分析,结合非饱和土固结试验与常规直剪试验,通过比较和检查部分等于吸入直接剪切试验。与此同时,基于工程水土特征曲线拟合通过VG模型,三种典型的剪切强度的预测价值模型计算,并通过误差分析模型改进。

2。测试材料和准备

2.1。测试材料

试验土样来自底部Keqiao区,减少基坑的绍兴,测试材料的基本物理性质指标如表所示1。从表中可以看出,土壤样品的粒径主要是0.005毫米和0.075毫米之间,其中含砂量平均为21.43%,平均泥沙含量是64.52%,粘土含量是14.05%,塑性指数是12.5,10至17岁。根据代码的土的工程分类标准(GB / t50145 - 2007) [34),判定为低液限粉质粘土。

2.2。样品制备

在这个实验中,重塑土样干,碾碎,和已筛为2毫米,然后,自然堆积四等分法用于对角线抽样。通过理论计算,所需的蒸馏水是表面均匀喷洒重塑土样和充分混合,然后,土壤样品准备成一个松散的形状,留住塑料袋密封在水分,水分和放置在一个容器超过48小时,所以土壤中的水分可以完全运输和混合均匀。根据土壤样品制备的要求岩土工程测试方法标准(35),一个碟状样品直径61.8毫米和20毫米的高度是由不同干密度分层压实方法。

2.3。测试计划

非饱和土固结仪(SDSWCC)中使用的测试是在南京TKA公司,如图1。根据代码的公路路基施工技术规范(36),城市二级主干道路密实度不小于93%,和分支道路不低于90%。含水量接近最佳含水量 %。因此,本试验选择最低的压实度( )粉质粘土的基地。在各种自然不饱和土壤中,基质吸力范围影响土壤的抗剪强度通常是0 ~ 500 k Pa (17,37- - - - - -39]。因此,在这项研究中,非饱和土的基质吸力范围固结试验被认为是0 ~ 500 kPa。饱和样本放入非饱和土固结仪,并应用的基质吸力路径1 kPa, 25 kPa, 50 kPa, 75 kPa, 100 kPa, 150 kPa, 200 kPa, 250 kPa, 300 kPa, 400 kPa, 500 kPa的样本序列脱水试验。在测试期间稳定的变形和排水标准如下:垂直形变和位移不超过0.01毫米/ 2 h和0.01厘米³/ 2 h,分别和每个阶段的抽吸时间不小于48 h。为了减少位移的误差计算,管道底部的陶瓷板泡沫清洗每1 d在测试期间,以消除空气的影响底部的陶瓷板。

这个测试是非饱和土直剪试验与相同的压实度( , g·厘米³)在不同含水量下的测试仪器是由南京TKA生产全自动饱和土壤直剪仪,如图2。基于获得的工程水土特征曲线在上面的测试(图2),样品是根据体积含水量与基质吸力对应25 kPa, 38 kPa, 50 kPa, 75 kPa, 100 kPa, 150 kPa, 200 kPa, 300 kPa, 400 kPa,和500 kPa,和体积含水量相应吸力路径是43.3%,41.8%,40.4%,37.4%,34.8%,30.8%,28.8%,24.4%,22.3%,和20.9%,分别。三个样品的含水量准备,垂直压力50,100和200 kPa实施的直接剪切试验。剪切速率的测试是0.0032毫米/分钟。干燥的水分测量方法。确保水含量保持不变,一个不透水塑料薄膜放置在透水石和土壤样品在测试期间减少水损失。

平等吸入直剪试验设备从非饱和土直剪仪由南京TKA有限公司,如图3使用axis翻译技术实现的直接剪切试验以及不同饱和度的基质吸力控制。为了进行比较研究,样品准备的最佳含水量18.4%,密实度的0.90 ( g·厘米³)。测试包括三个阶段,分别吸平衡阶段,等于吸入整合阶段,等于吸入剪切阶段。结合区域特点,绍兴不饱和粉质粘土,基质吸力是设置在0 kPa, 25 kPa, 50 kPa, 75 kPa, 100 kPa, 150 kPa, 200 kPa, 300 kPa, 400 kPa,和500 kPa,和净垂直压力是50 kPa, 100 kPa,和200 kPa,分别。为了适应均匀而缓慢的特点的孔隙压力和孔隙水压力消散在非饱和土直剪试验,样品的剪切速率为0.0032毫米/分钟和水平位移是6毫米。每个样本剪切后,土壤的一部分来自剪切面,由干燥和剪切后含水量测量方法。

3所示。测试结果和分析

3.1。非饱和土固结试验结果和分析

不同的基质吸力的作用下,质量含水量相应样品的平衡和稳定的非饱和土的固结试验如表所示2。测量质量含水量转化为相应的体积含水量建立体积含水量与基质吸力之间的关系,如图4。可以看出,体积含水量显示了显著下降的趋势随基质吸力的增加。开始时,体积含水量下降缓慢,曲线将趋于陡峭,下降的速率明显增加。然而,随着基质吸力的进一步增加,含水率的降低率样本体积逐渐减慢。

因为大多数模型的方程描述工程水土特征曲线是基于经验和曲线的形状,很多学者提出了不同的模型方程。代表工程水土特征曲线方程包括加德纳方程(40],Brooks-Corey模型[41),范Genuchten模型(29日],Fredlund和兴模型(30.]。其中,Van Genuchten模型的参数有一个亲爱的物理意义,其拟合效果是完美的,所以在实践中广泛应用。因此,基质吸力和体积含水量之间的曲线不饱和粉质粘土在本文中装有Van Genutchen模型,及其表达式如下: 在哪里是体积含水量(%);是饱和体积含水量;剩余体积含水量;基质吸力(kPa);入口参数相关值(kPa吗¹);参数相关排水的程度;是一个参数与残余含水量有关,在哪里 。

基质吸力的对数作为横坐标,和体积含水量作为纵坐标,VG模型用于测试数据。该工程水土特征曲线拟合测量数据点和VG模型如图4。其中,基质吸力0 ~ 500 kPa测量值拟合区间,而500 ~ 10000 kPa模型预测范围内。拟合的基本参数如表所示3。其中,参数 , , , ,和通过输入VG模型公式和相应的值的基质吸力与含水量测量实验起源软件拟合。从图可以看出4、工程水土特征曲线拟合VG模型展示了一个反“S”型有明显的三个阶段。这个结果类似于把工程水土特征曲线法脱水过程分为三个阶段:边界效应区、过渡区和不饱和残余区。土壤样品的空气进口价值38 kPa,残余体积含水量是12.4%,基质吸力对应工程水土特征曲线的转折点是150 kPa。内的价值500 kPa基质吸力,水保特性曲线拟合的测量值显示明显的两阶段特征,相应的边界区和过渡区典型的工程水土特征曲线,分别。在边界区域( kPa),土壤体积含水量与基质吸力的增加没有明显减少。这是因为样品的初始含水量接近饱和,和土壤孔隙压力很小的气体只能悬浮在水中的形式封闭的泡沫和水一起流动。此时,土壤失去更少的水和土壤接近饱和。当基质吸力增加空气进口价值和达到过渡区( ),土样开始失去水迅速以一定的速度。这是由于孔隙压力的增加,土壤和水将逐渐排出气体和占领更大的孔隙通道。与孔隙压力的进一步增加,更多的水会从土壤中排放,土壤水分含量会迅速减少。当基质吸力的非饱和剩余区域( kPa),孔隙压力继续增加,土壤里的水很少或不再排放,认为土壤已达到残余含水量。

与典型的土壤水分特征曲线相比,由于测试仪器的限制,陶土板的最大进气值是500 kPa,和残余区相应的数据无法测量的仪器,所以剩余的样品只能预测的拟合。目前,许多残留基质吸力的定义是基于经验。他们没有明确的物理意义和理论支持。例如,金钱和Fredlund和银等。42,43)认为,相对应的基质吸力残余水分含量是3000 kPa。他们还认为残余状态是土壤孔隙水的状态变化从毛细管作用吸附力。这个定义是目前很受欢迎的。基于银的建议和Fredlund和银等。42,43),本文假定3000 kPa残留基质吸力是拟合的曲线所示的测量值在图C点4。很明显,体积含水量与基质吸力对应3000 kPa残余体积含水量。通过反复拟合计算,最后残留基质吸力是假定为10000 kPa,曲线在点D所示图4,这个地区的拟合效果更好,和相应的残余体积含水量是12.4%。

3.2。直接剪切试验和结果分析

3.2.1之上。抗剪强度与基质吸力之间的关系

表4显示相应的常规直剪试验的剪切强度值在不同体积含水量和不同基质吸力下吸入直接剪切试验。其中,相应的基质吸力的数据列常规直剪试验得到的基质吸力与体积含水量工程水土特征曲线。

相应的常规直剪试验的剪切强度和等于吸入直接剪切试验在不同基质吸力所示相同的图,如图5。从图可以看出,样本不饱和粉质粘土的抗剪强度随基质吸力变化在不同垂直压力正常,边界效应的变化趋势区和过渡区与土壤水分特征曲线基本上是一致的。在边界效应区(0 ~ 38 kPa),一个小基质吸力仍然可以稍微增加土壤的抗剪强度,当基质吸力小于空气进口价值比较完全饱和状态。土壤处于不饱和状态,在过渡区(38 ~ 500 kPa)。两个阶段的抗剪强度变化与基质吸力的变化。当基质吸力增加来自38个kPa 200 kPa,剪切强度迅速增加,相应的体积含水量在这个阶段是41.8% ~ 28%,体积含水量下限是接近塑性极限。抗剪强度的增长速度逐渐减小后,基质吸力超过200 kPa。结合工程水土特征曲线,可以发现过渡区也可以分为两个阶段,即主过渡区和次要的过渡区。以基质吸力200 kPa为分界点,抗剪强度的主要过渡区迅速增加与基质吸力比较次要的过渡区。这类似于Cokca和Tilgen[的结果44),白和刘45),迪亚et al。13],哈利利的et al。22]。

它可以发现,剪切强度变化趋势来衡量两种方法相对比较这两个测试结果一致。当基质吸力小于空气进口价值,等于吸入直剪试验的剪切强度基本上等于常规直剪试验。当基质吸力的过渡区,平等吸入直剪试验的剪切强度通常高于常规直剪试验。由于基质吸力的有限范围适用于这个测试仪器,基质吸力的结果超过500 kPa不能相比。

3.2.2。抗剪强度与基质吸力之间的关系

为了避免主教方程的局限性,银等。43)使用两个独立的应力状态变量来研究非饱和土的力学性能。通过大量的实验测试和理论分析,非饱和土抗剪强度的理论公式与净法向应力和基质吸力作为两个变量: 在哪里代表的速率剪切强度随基质吸力 ,它只是被称为吸附的内摩擦角。如果 取而代之的是在公式(1),非饱和土的抗剪强度公式可以写成公式(2): 在哪里 ,在这是总凝聚力的拦截,在本文中称为总凝聚力。总凝聚力非饱和土的凝聚力在饱和状态和抗剪强度引起的基质吸力的非饱和状态。

基于上述公式,总凝聚力和有效内摩擦角的土样在不同体积含水量得到根据常规直剪试验的结果。通过将工程水土特征曲线转换为相应的基质吸力,总凝聚力之间的关系和有效内摩擦角与基质吸力。平等的强弱指标吸入直接剪切试验获得通过应用相应的抗剪强度不同的基质吸力。通过计算,相应的常规直剪试验和抗剪强度参数等于吸入直接剪切试验在不同体积含水量和矩阵吸入如表所示5。其中,相应的基质吸力的数据列常规直剪试验得到的基质吸力与体积含水量工程水土特征曲线。

数据6和7显示之间的关系总有凝聚力和有效内摩擦角相等的基质吸力吸直剪试验和常规直剪试验。从这些数据可以看出,总凝聚力和有效内摩擦角有不同的规则与基质吸力的变化。随着基质吸力的增加,总凝聚力增加非线性和逐渐趋于稳定,与抗剪强度及其特点是同步的。有效内摩擦角与基质吸力的增加略有增加,而内摩擦角的大小接近饱和土壤时,及其变化特征与抗剪强度不同步。根据岩土工程勘察报告的绍兴地区,典型的绍兴地区粉质粘土是海洋沉积土壤颗粒在薄板的形状。粒子通过边到边边,和安排是定向,絮状结构的特点。它包含植物碎片,少量的片状颗粒填充粗粒子,粘土矿物,泥沙颗粒,吸附的腐殖质。但显微镜下,仍有少量的气体存在于个别毛孔的小角落,结果非常低的吸水力在连接过程中发挥作用的土壤颗粒,和土壤颗粒之间的润滑水减少。因此,相比之下,完全饱和状态,总凝聚力和土的有效内摩擦角略有增加。过渡区,土壤处于不饱和状态,空气进入毛孔逐渐增加,孔隙中的水分减少相应的,生成的基质吸力的不同孔隙压力和水压力的增加,与空气界面收缩膜的变化,产生的表面张力增加逐渐增加的空气孔隙,所以土壤总凝聚力的增加。 At the same time, as the pore gas entering the soil increases, the moisture gradually decreases, and the lubrication between soil particles is reduced due to moisture, so the effective internal friction angle of the soil increases slightly. However, when the matric suction increased to a certain extent, the water content in the soil would not be discharged any more, and the water content in the soil would remain unchanged, eventually making the total cohesion in the soil gradually stabilized.

通过比较从两个测试获得的数据,可以发现,在边界区域( kPa),总凝聚力和有效内摩擦角等于吸下直剪试验和常规直剪试验几乎没有变化,这基本上是一样的,在饱和状态。在过渡区( ),当基质吸水力低于100 kPa,总凝聚力以平等的吸力直接剪切试验小于总凝聚力的常规直剪试验,当吸入直剪试验超过100 kPa,测量的总凝聚力大于常规直剪试验。然而,平等的有效内摩擦角测量吸入直剪试验总是大于有效内摩擦角测量的常规直剪试验。

从上面的分析,可以得出结论,与基质吸力的增加,土壤的抗剪强度和总凝聚力显著增加,有效内摩擦角变化更少。可以考虑基质吸力的贡献的剪切强度总体上更反映在增加凝聚力。

4所示。预测模型和改进模型,基于工程水土特征曲线的剪切强度

根据上述分析,随着基质吸力的增加,土的有效内摩擦角仅略有变化,而凝聚力显著变化,因此有效内摩擦角的变化将被忽略。为了只考虑基质吸力对剪切强度的贡献,净垂直正应力对剪切强度的影响应该被排除在外。因此,如果网络垂直正应力是0,凝聚力的增量从饱和状态到不饱和状态获得的贡献值是基质吸力剪切强度。基于非饱和土的研究,哈利利和Khabbaz [46),Vanapalli et al。31日],Lamborn [47),和其他早期提出不同的非饱和土抗剪强度的预测模型,具有广泛的适用性。不考虑净垂直正应力的影响,只考虑基质吸力对剪切强度的贡献,三个模型的抗剪强度的贡献可以获得的,也就是说,模型1、模型2和模型3,(4)~ (6): 在哪里是贡献值基质吸力的剪切强度。

根据直剪试验的结果,测量可以得到抗剪强度的贡献值。内摩擦角 在饱和土壤和工程水土特征曲线参数 kPa, %, %安装VG模型代入方程(4)~ (6)计算抗剪强度的贡献值在模型1 ~ 3,如表所示6。结果显示在表中6,计算抗剪强度的贡献值的三个模型与测量值相比,如图8。从柱状图可以清楚地看到,抗剪强度的贡献价值计算模型1、模型2和模型3大大不同的测量值比测量值显著降低。这三个模型的误差分析,执行和计算结果如表所示6。绝对相对误差之间的关系的三个模型和基质吸力的变化是由一个条形图,如图9。从图可以看出9的绝对值计算的相对误差三种模式有一个很大的色散。绝对相对误差计算模型1和模型2达到最大边界地区,67.2%和54.8%,分别在绝对相对误差计算模型3是接近0的边界地区,拟合效果好。然而,在过渡区,相对误差的绝对值计算模型1和模型2大多在20% ~ 35%的范围,而模型3的大多在35% ~ 60%的范围。这三个模型的平均误差为33.2%,26.5%,40.5%。由于大错误,三种计算模型不能直接用于计算过渡区基质吸力的抗剪强度的贡献,和一个新的改进的模型需要建立。

根据文献[48),基质吸力值对应于空气进口价值和剩余体积含水量为分界线,土壤可分为边界区,过渡区和不饱和区残留。根据计算的绝对相对误差的比较模型1到3以上,在边界区域,也就是说,基质吸力小于空气进口价值,只有模型3的绝对相对误差约为5%,这是符合实际的容许误差范围内。因此,以土壤的空气进口价值38 kPa为分界线,基于提出的公式Lamborn [47),当基质吸力小于进气值,基质吸力之间的关系和抗剪强度的贡献值公式(6);当基质吸力大于38 kPa,随着基质吸力继续增加,基质吸力的贡献率的剪切强度逐渐降低。因此,38个kPa用作初始零点,和随后的基质吸力- 38个kPa用作基质吸力增加。根据基质吸力之间的转换关系和体积含水量在文献[31日),基质吸力的贡献的表达剪切强度可以给出如下:

结合方程(6)和(7),基质吸力的贡献价值的计算模型对剪切强度可以得到如下:

根据上述,替换 °, kPa, , ,和 为改进模型(8),抗剪强度在不同基质吸力可以获得的贡献值和测量值和预测值的比较三个模型,如图10。之间的关系的相对误差的绝对值模型1、模型2,模型3,改进的模型和基质吸力如图11。从图可以看出,除了绝对相对误差之间的实际测量值与计算值的改进模型,超过10%,其余的绝对相对误差模型的测量值和计算值在10%。的平均相对误差的绝对值改进模型是5.4%的基质吸力范围内通过计算测量。而相对误差的绝对值模型1到3,相对误差的绝对值的平均值得到改进的模型减少了27.8%,21.1%,和35.1%,分别显示了改进模型的有效性。

因此,改进的模型绍兴不饱和粉质粘土的抗剪强度公式如下:

5。结论

(1)土壤水分特征曲线拟合VG模型结合强度衡量常规直剪试验是在良好的协议与衡量平等吸力的非饱和土直剪试验。在一定范围内,土壤的抗剪强度和总凝聚力基质吸力的增加而非线性增加,有类似的工程水土特征曲线的阶段特征,和有效内摩擦角变化小(2)通过分析空气进口的物理意义价值和空气进口价值作为分界点,一种改进的非饱和粉质粘土抗剪强度的模型本文提出了。之间的误差的绝对值计算的抗剪强度的贡献值改进模型和测量值基本上是10%以内。与模型1的平均绝对相对误差模型3中,改进模型的绝对相对误差降低了27.8%,21.1%,和35.1%,分别显示了改进模型的有效性

本文研究可以简化非饱和土抗剪强度的测试方法,节省时间,并提供新思想的普及和非饱和土抗剪强度理论在工程实践中的应用。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由浙江省自然科学基金资助(批准号Q20E080042)和浙江教育部门的科研项目(批准号Y201839206)。