- 非饱和特殊土的工程特性及应用
- 邢义川 赵卫全 张爱军等
- 3522字
- 2021-10-23 00:34:46
3.1 水分滞回对应力-应变关系的影响
3.1.1 水分滞回对初始屈服的影响
许多作者通过试验研究了水分滞回对非饱和土力学性质的影响,如Sharma、Alshihabi、Monroy、Sivakumar、Chen等,他们的试验涉及膨胀土和非膨胀性黏土。一个典型例子是Sharma对高岭黏土(非膨胀性黏土)的三轴压缩试验中的试验17和试验18(图3.2)。两个试验试样的初始状态都为吸力200kPa和平均净应力10kPa。但试验18接着经历吸力200kPa→20kPa→200kPa循环,在吸力减小过程中体积一直膨胀,没有观察到体缩现象,表明没有达到LC屈服线,而试验18在吸力循环后发生微小体积膨胀。随后两个试样都将平均净应力加载到300kPa。三轴压缩试验曲线如图3.2(a)所示。从图3.2中看出,两个试样虽然在屈服前具有相同的压缩系数,并且在屈服后应力-应变曲线逐渐重合在一起,但两者屈服应力有明显差异。试验18中确定的屈服应力约为85kPa,而试验17中确定的屈服应力约为100kPa。屈服应力的差异可以归咎于加载前形成的不同饱和度。从图3.2(b)中可以看出,加载前试验18中饱和度明显高于试验17,但在屈服前两者饱和度曲线基本平行。
图3.2 高岭黏土的三轴压缩试验
非饱和土的水分特征通常用土水特征曲线表示,即饱和度-吸力关系曲线,或体积/重量含水率-吸力关系曲线。土水特征曲线的两个分支表明非饱和土具有相同吸力的时候也可以具有不同含水率,即水分滞回。在本例中,试验18的饱和度先减小,然后增大,可能从吸水曲线变化到了脱水曲线,因此高于试验17的饱和度。因此可以认为,较高的饱和度导致了较低的屈服应力。
Sivakumar等的试验也表明,在s-pnet空间中,由于饱和度不同,存在不同LC屈服轨迹。他们对高岭黏土做了系列三轴压缩试验,初始含水率为24.5%,在1300kPa静压力下形成试样干密度为1.68g/cm3,饱和度为67%,初吸力为800kPa。两组试验的路径如图3.3所示。第1组试验,将试样从吸力800kPa分别吸水平衡至0kPa、200kPa和300kPa;然后再控制吸力保持不变做压缩试验。第2组试验将试样从高吸力吸水平衡至吸力50kPa;接着脱水提高试样吸力分别达到100kPa、200kPa、300kPa和450kPa;然后控制吸力保持不变做压缩试验。两组试样吸力平衡过程中都保持平均净应力(p-ua)=50kPa,净应力加载速率为15kPa/d。
图3.3 高岭黏土试样试验路径
图3.4所示为试样达到吸力平衡后的比水体积和比体积。可见,两组试样在相同吸力上比水体积和比体积有较大差别,已经形成明显的水分滞回。第2组试样的比水体积大于第1组。这说明第2组位于土水特征曲线的脱水曲线上,第1组位于吸水曲线上。
图3.4 高岭黏土的比水体积和比体积
图3.5 试样等吸力纯压缩曲线
图3.5是两组试样等吸力纯压缩曲线。可见,两组试样的吸力相同,但屈服应力明显不同。第1组试样的初始屈服应力分别为85kPa、157kPa和205kPa,对应s=0kPa、200kPa和300kPa。第2组试样初始屈服应力分别为84kPa、128kPa和139kPa,对应s=100kPa、200kPa和300kPa(这里采用的初始屈服应力是从图上直接采点得到,和Sivakumar等文中提供的初始屈服应力数据稍有差别)。这些屈服应力,在平均净应力和吸力构成的平面上可以连接为屈服轨迹,形成两条而不是一条LC屈服线,如图3.6所示。从图3.6中可以观察到,第2组试样的LC屈服轨迹在第1组试样LC屈服轨迹以内。这说明在s-pnet平面上,非饱和土在等吸力条件下由于水分滞回影响形成了两条不同LC屈服轨迹,具有较大含水率试样的初始屈服面在具有较小含水率试样的初始屈服面内侧。
图3.6 在平均净应力和吸力平面上LC屈服轨迹
以上两个例子都是非膨胀性黏土的例子。对膨胀性黏土,也有类似试验现象。一个例子是Monroy在固结仪上对伦敦黏土的试验。该黏土液限83%,塑限54%,为初始含水率23.5%。在试验o27(o代表固结仪oedometer)中,试样先由吸力870kPa吸水至饱和状态;接着施加30kPa压力,然后脱水至吸力80kPa并保持不变;最后再重新加载至425kPa,试验路径如图3.7所示,其中图3.7(a)所示为应力路径,图3.7(b)所示为饱和度变化。图3.7(a)中也标出了控制试样体积和不控制试样体积得到的两条LC屈服线。图中o27的屈服点用箭头标出,可以观察到o27在重新加载过程中屈服应力小于同吸力下两条LC上的屈服应力。这表明屈服应力对饱和度的依赖性。另一试验o21也观察到与o27类似的现象。
图3.7 o27试验路径
3.1.2 强化过程中水分变化的影响
图3.8 试验10吸水-脱水循环后经历各向等压
Sharma对膨胀土-高岭黏土混合试样(膨胀土占20%质量)开展了试验,其中试验9和试验10涉及在强化过程中的水分滞回,这些试验现象由Wheeler和Sharma等做了介绍。试验路径如图3.8(a)所示,试验10中试样的初始状态为吸力200kPa和平均净应力10kPa,各向等压加载至100kPa(ab),接着卸载至平均净应力10kPa(bc);然后将吸力从200kPa减小到20kPa再增加到200kPa(cde)。经过这个水分滞回后,再各向等压至250kPa(ef)。图3.8(b)所示为此过程中比体积变化,图3.8(c)所示为饱和度变化。在图3.8(b)、(c)中观察到,试样经历吸水-脱水循环后,虽然饱和度明显增大,但比体积却没有明显变化(c-d-e几乎重合)。这可能是一个吸力循环没有引起体积变化的特例。这表明在这个过程中没有发生不可恢复的塑性变形。然而,在图3.8(b)中观察到,在重新加载过程中,试样的屈服应力约为80kPa,明显小于第1次加载时的屈服应力100kPa。这可能表明屈服面的缩小即LC屈服轨迹发生左移。另外,Sharma还开展了与试验10相同路径但不经历吸力循环的试验9,如图3.9所示,重新加载时在卸载点100kPa发生屈服。这表明试验10中饱和度增加导致在重新加载过程中过早发生屈服(低于卸载时的屈服应力)。在随后加载过程中,试验10的压缩曲线逐渐与试验9的压缩曲线趋于一致,表明在进一步压缩中,饱和度的影响逐渐变小。
弹塑性模型BBM采用塑性体变作为强化参数,对试验10的现象将作出如试验9一样的预测结果,即屈服面不变化。Alonso等提出的专门针对非饱和土膨胀土的模型BExM也不能合理解释这种现象。在BExM中,吸力减小通过SD线,导致非饱和土发生不可恢复的膨胀变形,从而引起LC左移即屈服面收缩。这样在重新加载中能预测到屈服应力减小的现象。然而,试验10在吸水-脱水循环结束后保持体积不变,并没有发生不可恢复的膨胀变形。这意味着在BExM里面不能引起LC左移。因此BExM也不能预测这种位置不动但屈服应力减小的现象。
另一种对试验10现象的解释是LC没有向左移动,而是发生向左倾斜,如图3.10所示。既然在水分滞回过程中没有发生不可恢复的膨胀或收缩变形,那么LC位置不发生改变。在这种情况下,LC向左倾斜才可以导致屈服应力和屈服面的收缩。这个变化类似于本章开头介绍的Alonso对最优含水率两侧试样两种不同LC线的设想。
图3.9 试验9加卸载后重新加载
图3.10 LC可能的演化过程
Wheeler等也对这个试验现象作了解释。他们将非饱和土的孔隙水分为体积水和弯液水,认为吸力主要由弯液水引起。土骨架的稳定,不仅取决于吸力大小,还取决于弯液面数量多少。可以肯定,饱和度增加将减少弯液面数目。在试验10中,卸载经历吸水-脱水循环后,吸力与先前一致。但由于饱和度增加,减少了弯液水数目,削弱了土骨架的稳定性,因此在较小的应力(与卸载前比较)下就发生颗粒间滑移,导致屈服发生。Wheeler等引入一个表示饱和度屈服的SD线,将LC线和饱和度变化联系起来模拟这种试验现象。这不同于以往的LC仅由塑性体变控制的弹塑性理论。这个概念性的模型非常复杂,考虑多种耦合运动,需要引入较多参数。
3.1.3 LC受水分滞回的影响
Thu等在BBM框架下研究了LC线和土水特征曲线的关系。这些工作也可间接表明LC线受水分滞回影响以及两者之间的关系。
Thu等将等吸力正常压缩固结线的压缩参数和等效体积含水率联系起来,有
其中:
式中:Θ为等效体积含水率。对于土颗粒不可压缩的情况,式(3.4)中θ可换为饱和度Sr。
Thu等进一步通过对高岭黏土的试验证明提出的新表达式和Alonso在BBM模型中的表达式均能对试验数据合理模拟,同时也采用Rampino等对粉沙试验结果进行了验证,如图3.11所示。
图3.11 Thu等提出的新表达式计算结果
Thu等采用一条脱水土水特征曲线来描述含水率和LC屈服线的关系。对非饱和土来说,土水特征曲线存在两个分支,脱水曲线只是其中一支,还存在一条吸水曲线。根据Thu等的研究,既然采用吸水土水特征曲线可以确定一条LC线,那么也可以推测在p-s平面上也存在与吸水土水特征曲线对应的另一条LC线。它们之间的关系同样也可以用Thu等提出的新表达式表示。
Alshihabi等考察了水分滞回对黏土压实性和强度的影响。在他们对法国Bavent的压缩试验中,在固结仪上共做了3组不同吸力值的压缩试验。第1组控制吸力为150kPa,包括试样3和试样5;压缩前,后者比前者多经历一个脱水-吸水循环,然后回到初始吸力150kPa。第2组控制吸力为300kPa,包括试样2和试样4;压缩前,后者比前者多经历一个脱水-吸水循环,然后回到初始吸力300kPa。第3组则为一个饱和试样1,直接做压缩试验。他们的试验结果如图3.12所示。
从图3.12中可以看出,在控制吸力150kPa和300kPa下,经历水分/吸力滞回后,试样的屈服应力明显提高。这说明水分滞回前后在平均净应力和吸力平面上形成两条LC屈服线。此外,较水分滞回前,弹性段和塑性段(正常固结线)的压缩系数也有减小现象。
图3.12 水分滞回对黏土压实性和强度的影响