基于GDS的非饱和粉质粘土抗剪强度试验研究

发布时间：2018-12-28 18:08

【摘要】：目前,非饱和土的研究己成为当今世界研究的热点问题,非饱和土的力学性质与经典的饱和土力学存在很大差异,其工程性质更为复杂。工程实践中,我们遇到的土大多都处于非饱和状态,尤其是地下水位以上的土,随着季节的更替和降水量的变化其非饱和状态也是在不断变化的。因此,对非饱和土工程性质的研究是非常必要的。非饱和土的抗剪强度问题是非饱和类工程稳定性分析中的一个关键问题,尤其是非饱和类边坡工程,其抗剪强度研究是分析边坡失稳变形的必要条件。马家沟地区的边坡常年受到库水位波动的影响,使得该地区的边坡工程与非饱和土的工程性质紧密的联系在一起。为此,本文以马家沟Ⅰ号滑坡的滑体土为研究对象,对该区的非饱和粉质粘土进行了系统而深入的非饱和土力学性质的研究,为分析马家沟地区边坡工程在库水位波动和地表降雨过程中的破坏变形提供基础资料。本文所取得的研究成果如下： (1)对非饱和土的基本理论做了详细的概述,介绍了两类国内外公认的非饱和土的应力理论,总结了前人对非饱和土强度理论的研究成果,并对非饱和土的本构模型及其适用性做了分析总结,使初学者对非饱和土的理论有了初步的认识。 (2)土水特征曲线是非饱和土力学性质研究的基础工作,研究非饱和土的工程性质首先要了解其土水特征曲线的基本形态。在岩土工程中,由于边坡稳定性评价以及库水位波动对边坡稳定性的重要作用等方面都需要用到土-水特征曲线方面的相关理论,所以近年来土-水特征曲线理论在岩土工程领域中得到了飞速发展。除此之外,非饱和土的强度、渗透性以及体积变化等重要工程性质均可以从土-水特征曲线中间接得出。本文介绍了土水特征曲线的基本特性及其影响因素,并对土水特征曲线的方程进行了详尽的总结,用5Bar的压力板仪对马家沟的滑体土及0.2%纤维土进行了土水试验,并对试验曲线进行了详细的对比分析。从拟合曲线中可知,0.2%纤维土的进气值低于粉质粘土,残余体积含水量高于粉质粘土,其脱湿过程中的脱湿速率也较为平缓。说明0.2%纤维土的持水能力较强,水稳性较好。 (3)利用GDS非饱和反压剪切仪对马家沟地区的非饱和粉质粘土进行了控制基质吸力的非饱和直剪试验研究。对GDS非饱和反压剪切仪做了详细的介绍,指出了进行非饱和直剪试验的试验步骤及制样过程,最后对不同基质吸力下的试验结果从固结变形、剪胀性、剪应力和剪切强度多方面进行了总结分析,并对非饱和土的抗剪强度随基质吸力变化的机理进行了详细的分析。①在相同的基质吸力下,随着竖向荷载的增加,试样的固结量明显增大。②基质吸力的增大会增加土体的剪胀势,竖向荷载的增加可以压制土颗粒在剪切过程中的翻转,从而使得试样的剪胀性减少。③试样的剪应力与剪切位移关系曲线呈剪切硬化型。试验中的粉质粘土试样均为重塑样,均匀性较好,所以在外力作用下土体内部的受力较为均匀。当剪切到一定位移后,土体并没有发生剪切脆性破坏,而是保持着一定的剪切强度趋于稳定。④土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力,是土的重要力学指标之一。非饱和粉质粘土的抗剪强度与法向应力呈较好的线性关系,随着基质吸力的增大,粉质粘土的抗剪强度逐渐增大,尤其是粘聚力的增加非常明显。⑤随着竖向荷载的增加,非饱和粉质粘土的抗剪强度随基质吸力变化的速率逐渐增大,说明土中的基质吸力对土体抗剪强度的影响随着竖向荷载的增加而增大。⑥由于基质吸力的存在使得土体骨架内部产生了附加的摩擦力(表观粘聚力)。含水量的增加使得非饱和土中基质吸力减小,导致其附加的表观粘聚力的降低,从而使得土体的抗剪强度随基质吸力的减小(含水量的增加)而降低。这是马家沟地区粉质粘土的抗剪强度随基质吸力减小而降低的主要原因之一。另外,水分进入到土体中后会破坏±中胶结物质的结构,使粘粒成分的吸附水膜增厚,土颗粒之间的胶结减弱,导致粉质粘土中的结构凝聚力降低,颗粒间易于滑动。 (4)同样用GDS非饱和反压剪切仪对0.2%纤维土进行了控制基质吸力的非饱和直剪试验研究,主要是为了研究纤维对不同基质吸力下的非饱和土的改良效果。①在非饱和粉质粘土中掺入纤维后,土颗粒与纤维丝之间发生咬合摩阻力,使得土体更易发生翻转,从而使得纤维试样的剪胀现象更加明显。②纤维材料能够改变土体的结构,使土体内的孔隙不均。在剪切过程中,纤维材料达到其最大的摩阻力之后,纤维丝与土颗粒之间的咬合力会出现迅速下降,从而使得部分试样的剪应力曲线表现为软化型。③在不同的基质吸力下,非饱和粉质粘土中掺入纤维后土体的抗剪强度均有明显的提高,土体的抗剪强度最高可提高29.52%。④随着基质吸力的增加(即含水率的减少)土体的抗剪强度的提高值逐渐降低。⑤通常,人们只是研究纤维对土抗剪强度的改良效果,而忽视了土中基质吸力(即饱和度)的影响。在非饱和土工程中,单纯的以某一饱和度下土的改良效果而应用到工程实践中是不合理的,由于土中基质吸力的存在和不断变化,使得纤维对非饱和土抗剪强度的改良效果是随基质吸力变化而变化的。因此,在工程实践中,尤其是对于加筋工程,考虑基质吸力的影响,对保证工程质量和提高工程效益都是非常有必要的。
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【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU411.7

【参考文献】