非饱和黄土的强度特征(5)

饱和黄土的抗剪强度与基质吸力的关系,由该曲线可明显看出,非饱和黄土的抗剪强度随基质力的增大而增大,在高吸力下的增大幅度较低吸力下的小。非饱和黄土的抗剪强度随法向应力及基质吸力的这种变化特征与试验测定结果相似,图3中给出在S=300kPa时彬县土样的抗剪强度与法向应力关系的实测点与理论曲线,图4中给出在 =200kPa时彬县土样的抗剪强度与基质吸力关系的实测点与理论曲线。

库伦定律表征为土抗剪强度的一种临界值,则图2所示的空间曲面可表征为非饱和黄土抗剪强度的一种临界状态,该空间曲面称为非饱和黄土的强度曲面,强度曲面实质上是库伦定理所表示的 - 直线在S坐标轴方向上变化所形成的轨迹曲面。图2中的P点是强度曲面上的一点,在 =PP , =0A ,S=A P 条件下,该点应力处于极限平衡状态。如果S=A P 不变,则 和 将以DE直线为其临界状态线;如果 =0A 不变,则 和S将以AB曲线为其临界状态线。

5 临界基质吸力

天然状态下,黄土的基质吸力较大,一定的应力水平假定为图2中的一点P ( =0A 、 =B P ,S=A B ),该点位于强度曲面之下,应力水平未达到临界状态。如果土的基质吸力逐渐减小,而应力水平不变,则土的极限强度将沿着强度曲面上的BP线降低,P 将水平的沿着S轴方向移动,与逐渐降低的强度曲面交于P点处于极限平衡状态,则P点所对应的基质吸力为该应力水平下的临界基质吸力,当土的基质吸力小于临界基质吸力时,给定的应力水平在强度曲面之上,则土不具有承受给定应力的能力。临界基质吸力S cr可用下列方法求得。

图3所示随S变化的一系列抗剪强度关系线,随S的减小,抗剪强度关系线降低。对处于某种应力状态(图3所示应力圆)的土来说,当基质吸力减小到某一值时,抗剪强度关系线与应力圆相切达到极限平衡状态,此时的基质吸力即为临界基质吸力S cr,临界基质吸力S cr与大、小主应力的关系可表示为

sin =

1- 3

1+ 3+2(c w+bS d cr)ctg (6)

整理式(6),即得到临界基质吸力S cr的计算公式为

S cr=[ 1

2b

ctg(45 +

2

)-

3

2b

tg(45 +

3

)-

c w

b

]1/d(7)

6 结 语

(1)非饱和黄土的粘聚力c值中包括土在饱和状态时的粘聚力c w和由基质吸力产生的吸附强度bS d两部分。

(2)非饱和黄土的抗剪强度随法向应力和基质吸力的变化过程可用强度曲面描述,即非饱和土的抗剪强度规律可表示为 f=c w+ tg +bS d。

(3)对处于某一应力状态的非饱和黄土,其稳定性可用临界基质吸力S cr判断。

需要说明的是,试样在剪切过程中,随应变量的增加,试样的原始结构发生变化,即使试样的含水量不变,试样在剪破时的基质吸力与起始条件下也有差别。文中研究所用基质吸力为直剪试验中试样受剪的初始基质吸力,本试验仅为进一步采用控制吸力试验,揭示非饱和黄土60岩 土 工 程 学 报 1997年