非饱和土的抗剪强度 土力学课 syk.pptx

非饱和土的抗剪强度 孙月凯 目录 l 理论的研究与进展 l 基质吸力与吸附强度 l 基质吸力对非饱和土抗剪强度影响 l 总结 理论的研究进展  非饱和土分布十分广泛，与工程实践密切 联系的地表土几乎全都是非饱和土，含水量 或饱和度的变化常使非饱和土的工程特性发 生巨大变化，导致非饱和土边坡滑移失稳地 表隆起或沉降，并给其上的建筑物和构筑物 的安全带来威胁，每年造成的很大经济损失. 理论的研究进展  非饱和土的强度是土体粒间作用力的宏观 反映，是非饱和土理论研究最主要的内容之一 ，土的抗剪强度是土的一个重要力学性质，它 的准确确定对土坡和地基稳定分析及土压力计 算至关重要  在非饱和土强度研究进程中，众多学者对 非饱和土的抗剪强度进行了大量的试验和理论 研究!提出了各自的抗剪强度公式!并逐渐考虑 了更多因素的影响 BISHOP 理论 式(2)中c′和φ'是饱和土的有效凝聚力和有效内摩擦角；U(w) 为空隙水 压力；U(a) 为空隙气压力；χ是与土的饱和度有关的参数,称为非饱和土 有效应力参数,χ =0~1.0，饱和土的 χ=1.0 ，干土的χ=0 Khalili等(1998)利用 14 种土的实验结果给出 了14 种土的有效应力参数 χ 和基质吸力 的关系，通过对这 14 种土的实验数据分析， 绘出了参数χ 和基质吸力比  非饱和土有效应力参数χ与非饱和土的结 构、应力历史、饱和度及问题性质(是变形问 题还是强度问题)等因素有关,不易精确测定；  可以看出Bishop等试图用线性理论来描述 ，而实验结果在基质吸力比较低的时候比较符 合，基质吸力大时是非线性的. FEDLUND的理论及修正 参数tanφb为基质吸力的内摩擦系数，对于同 一种土样为常数. 这一理论公式提出时假设非饱和土抗剪强度与 基质吸力成线性正比关系，对于基质吸力恒定 的非饱和土样，其摩尔圆与饱和土的摩尔圆一 样，当基质吸力变化时非饱和土的摩尔圆也随 着变化。

 非饱和土抗剪强度公式提出后，及其领导 的非饱和土研究小组通过实验对这一理论公式 进行验证，大量实验结果表明非饱和土抗剪强 度与基质吸力并不成线性正比关系，对同一土 样吸力内摩擦系数也不是常数而是随基质吸力 的变化而变化, 当土样的饱和度降低基质吸力 增大时的tanφ(b)值逐渐减小 FEDLUND的理论及修正 非饱和膨胀土 卢肇钧等(1992，1997)通过实验对非饱和膨胀 土的膨胀力与吸力及含水量、非饱和膨胀土的 膨胀力与抗剪强度的关系进行了研究，得到了 用膨胀力表示的非饱和膨胀土抗剪强度 非饱和黄土  黄土遇水产生湿陷变形，是另一类典型的 非饱和土，含水量的变化对抗剪强度有很大影 响党进谦和李靖(1997)以陕西关中地区的马 兰黄土为对象进行了大量的实验测定和分析， 研究了非饱和黄土的抗剪强度随基质吸力变化 的特征，给出的抗剪强度公式为 从粒间吸力对非饱和土抗剪强度理论的解释  汤连生(2001)通过对非饱和土粒间吸力的 研究，将作用于非饱和土颗粒上的并对颗粒间 相互作用有贡献的吸力(简称粒间吸力)分为： 本征结构吸力 、可变结构吸力 、有效基质吸 力(孔隙气压力ua ，孔隙水压力uw )、湿吸力 和牵引力 五类吸力，如下图 示。

抗剪强度公式的特点  非饱和土抗剪强度由有效粘聚力，净法 向应力引起的抗剪强度以及基质吸力引起的吸 附强度三个部分所组成  与饱和土的区别主要在于因基质吸力而 产生的吸附强度，抗剪强度公式的差异主要表 现在吸附强度公式的不同，进而导致抗剪强度 公式的多样化，同时也表明当前非饱和土抗剪 强度研究的广泛性和差异性. 基质吸力与吸附强度 基质吸力通常同水的表面张力引起的毛细现象 有关!其大小等于孔隙气压力和孔隙水压力之 差!即基质吸力对于粘性土和砂土来说!基质吸 力通常为吸力的主要组成部分!且易受外界环 境的影响“基质吸力能反映以非饱和土的结构 土颗粒成分及孔隙大小和分布形态等为特征的 基质对土中水分的吸持作用!是控制非饱和土 力学性状的关键因素 基质吸力与吸附强度  吸附强度来源于基质吸力所产生的负孔隙 水压力，负孔隙水压力在土骨架的内部产生有 效应力，因而产生这种与外力无关的强度，由 于吸附强度与外力无关，当用常规试验方法进 行试验时，吸附强度与一般粘聚力的性质相似 ，所以又可称之为表观粘聚力. 土-水特征曲线 土壤水分特征曲线一般也叫做土壤特征曲线或 土壤pF曲线，它表述了土壤水势（土壤水吸力 ）和土壤水分含量之间的关系。

通常土壤含水 量Q以体积百分数表示，土壤吸力S以大气压表 示 基质吸力对非饱和土抗剪强度影响  无黏性土的凝聚力来自土中水的毛细作用，毛 细作用主要发生在土-水特征曲线的过渡区， 此时土 体中的水和空气是连通的，均可以发生流动，属于 双敞开体系， 气-水界面的收缩膜上的表面张力的反 作用力作用在土粒上，对土粒产生压应力，从而造 成土的凝聚力增加 当土中的水逐渐减少时(从主要 过渡区到次要过渡区)，气-水界面的收缩膜也相应 减少，使得作用在土体内的总压应力逐渐减少，凝 聚力也逐渐减少  在土-水特征曲线的进气值之前的部分， 由于土体接近饱和，土中少量的气体被水所包 围，属于气封闭体系， 这部分的气-水界面的 收缩膜的表面张力并不直接作用在土体上因 此，不会产生明显的凝聚力，且由于土粒完全 被水所包围，起到润滑的作用土的内摩擦角 几乎不变，其后随着基质吸力的增加，摩阻力 增加，土的内摩擦角也增加 在边界效应区与过渡区的部分，黏性土凝聚力 随基质吸力增加而增加，且增加的斜率近似于 tanφ b 值，斜率随吸力增加而稍减内摩擦 角的变化趋势与无黏性土相同在进气值之前 ，土的内摩擦角几乎不变，其后随着吸力的增 加而增加。

但在非饱和残余区，凝聚力将随土 的状态路径的不同而改变 总结 l研究了非饱和土在脱湿(或干燥)过程、基质吸力增大的过程 中非饱和土抗剪强度随吸力的的变化规律由于非饱和土在 干、湿循环过程中存在“滞回”现象，要准确的从理论上估 算一种非饱和土的抗剪强度，还需要研究这种土在浸湿过程 中抗剪强度的变化 l 线性强度理论更加简洁易懂，具有代表性，但也有很多缺陷 l所有理论都是对于部分土的，不同土的类型表现出来的抗剪 强度特性有很大区别，针对不同土的理论才更加适用 谢谢谢谢 。