1、非飽和土的抗剪強(qiáng)度及參數(shù)的確定摘要：非飽和土的抗剪強(qiáng)度值確定與其有效應(yīng)力原理和孔隙壓力特性密切相聯(lián)系，而這又離不開(kāi)對(duì)非飽和土中氣相和液相以及土粒與液、氣相接觸面形態(tài)的分析。本文對(duì)Bishop等提出的抗剪強(qiáng)度理論及參數(shù)的測(cè)試方法進(jìn)行了分析，為今后非飽和土的抗剪強(qiáng)度研究從理論轉(zhuǎn)向?qū)嵱锰峁┝死碚摶A(chǔ)。關(guān)鍵詞：非飽和土；抗剪強(qiáng)度；有效應(yīng)力非飽和土的有效應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度是非飽和土研究的重要內(nèi)容之一。迄今為止已有了四十多年的歷史。在這四十多年中，人們基于不同的出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合被研究土體的性質(zhì)，提出了各種各樣的抗剪強(qiáng)度公式。非飽和土的抗剪強(qiáng)度值的確定與其有效應(yīng)力原理和孔隙壓力特性密切相聯(lián)系，而這又離不開(kāi)對(duì)非飽和土

2、中氣相和液相以及土粒與液、氣相接觸面形態(tài)的分析。開(kāi)展非飽和土抗剪強(qiáng)度問(wèn)題較早的美國(guó)墾務(wù)局研究者們?cè)谔幚砥鋸?qiáng)度問(wèn)題時(shí)采取的是強(qiáng)度參數(shù)，即c,9和c,9。兩者的主要差別在c上，而9值兩者較為接近。工uauauwuw程設(shè)計(jì)中究竟采取何種參數(shù)視工程具體情況而定。這種處理方法較為簡(jiǎn)單，但機(jī)理分析不足。在非飽和土的抗剪強(qiáng)度理論中，有代表性的是畢肖普(Bishop)于1959年提出的非飽和土的有效應(yīng)力表達(dá)式=+X(U-U)U(1)awat=c+Gu丿tan9+X(uu)tan9(2)faaw式中X參數(shù)，u與u分別為氣相和液相的孔隙壓力。aw然后，在此基礎(chǔ)上獲得了非飽和土的抗剪強(qiáng)度為(od)/2=a+(ou)

3、+X(xu)tan9(3)13f3afawf式中所有腳標(biāo)式(1)存在著同樣的問(wèn)題，即它沒(méi)有從理論上充分得到驗(yàn)證。畢肖普所做的驗(yàn)證試驗(yàn)中并未檢驗(yàn)土的強(qiáng)度性質(zhì)是否與(d-u)和X(u-u)的變化無(wú)關(guān)，而認(rèn)為3aawo=常數(shù)，那么土的強(qiáng)度性質(zhì)也就完全確定了，事實(shí)上并未得到證明。所以Bishop所定義的%u+(1X)u與總應(yīng)力差并非是真正的有效應(yīng)力，而僅僅是一個(gè)粒間壓力。面積系數(shù)waX原來(lái)按Bishop的定義是：氣相與土粒的接觸面面積和液相與土粒接觸面面積之比?？墒牵@樣的概念以及土粒接觸的概念等對(duì)粘土來(lái)說(shuō)，其物理含義仍是含糊不清的。因此，系數(shù)X僅僅是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。且因多種因素的影響，X值的確定也存在

4、著困難。Gulhati曾指出，XS間的惟一性關(guān)系是有疑問(wèn)的。同時(shí)，非飽和土體中有封閉氣體和開(kāi)敞氣體之分，Xr值沒(méi)有對(duì)這兩種氣相形態(tài)加以區(qū)分，而事實(shí)上只有當(dāng)土中氣相與外界大氣沒(méi)有交換，即氣相處于內(nèi)部連通狀態(tài)和完全封閉狀態(tài)時(shí)或飽和度s大于臨界值時(shí)，X值才有意義。Golemanr還指出，X值對(duì)于土的強(qiáng)度問(wèn)題和體變問(wèn)題是不同的。有人還發(fā)現(xiàn)土的結(jié)構(gòu)和體積變化取決于飽和方向（或飽和路徑，指含水率增加還是減小的變化方向）。有效應(yīng)力原理在非飽和土中的局限性，促使人們直接從bb、u、u等值的變化,13wa研究它的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，而不必求助于人為的參數(shù)x。加拿大的Fredlund等人1978年比較系統(tǒng)地研究了這個(gè)

5、問(wèn)題。認(rèn)為非飽和土的法向應(yīng)力變量9-u）和（u-u）這一組合最能滿意地表征非飽和土的應(yīng)力狀態(tài)。用上述兩個(gè)變aaw量并參照莫爾一庫(kù)倫方程得出了非飽和土的抗剪強(qiáng)度表達(dá)式4）t=c+Gu）tanp+（uu）tanpbfaaw當(dāng)土趨于飽和時(shí)u-u=0，u=u，則該式退化為G%waw5）-u）tanPfw式（4）中參數(shù)P的含義與飽和土相似。參數(shù)Pb相當(dāng)于土的基質(zhì)吸力（u-u）對(duì)抗強(qiáng)度aw的貢獻(xiàn)大小。Fredlund還建議以三維空間工-b-C-u）坐標(biāo)來(lái)表達(dá)破壞面。從式（5）形式可fawf知，該破壞面為一平面，其在縱軸（I軸）上的截距為凝聚力c。式（4）的物理意義十分明確清楚。它把由于外荷的有效應(yīng)力9-u

6、）所引起的剪阻a力與由于土內(nèi)部的有效應(yīng)力（u-u）的剪阻力分開(kāi)來(lái)，因?yàn)檫@兩種有效應(yīng)力的物理概念aw和作用其實(shí)是不相同的。參數(shù)Pb的求法如下：當(dāng)取（G-u）為常數(shù)時(shí)，改變（u-u）值可以得到不同的JC、afawf-u丿圖上求得Pb值。可以看出式（3）中三個(gè)參數(shù)C、P和Pb三個(gè)參fawf數(shù)均需由試驗(yàn)求出,這就避免了像畢肖普公式所遇到的x值的不確定性和求x的值的困難了。因此，這個(gè)公式不論在概念上還是使用上都優(yōu)越，概念更合理清晰，使用更方便準(zhǔn)確。該方程不僅適用于土內(nèi)孔隙空氣處于內(nèi)部連通階段，而且也適用于孔隙空氣處于部分連通階段。式（4）的驗(yàn)證工作已有許多國(guó)家的研究者進(jìn)行過(guò)。所有成果都顯示出相關(guān)性極好的

7、規(guī)律，每一種土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本上都落在一個(gè)三維空間工-C-u）的一個(gè)平面上。例faw如薩蒂迦（Satija）用Dhanauri粘土試驗(yàn)求得c=11.3327.3/kpaP=28.5。29。Pb=12.6。22.6。又如霍（D.Y.H。）采用一個(gè)試樣分級(jí)加荷的方法進(jìn)行的試驗(yàn)得出：對(duì)于風(fēng)化花崗巖，Pb的平均值和標(biāo)準(zhǔn)值為15.3。士5.7。；對(duì)風(fēng)化花崗巖，Pb=18.8。土2.4。把試驗(yàn)求的pb值與外荷引起的值相比可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)一般土P值高于Pb值，Pb約為P的一半或更多一些。如霍所求得的風(fēng)化花崗巖和風(fēng)化火山巖的P值33。35。以上。值得指出的是，由于土的基質(zhì)吸力（u-u）所增長(zhǎng)的強(qiáng)度實(shí)際上是相當(dāng)于增大

8、了凝aw聚力c。因此，非飽和土的總凝聚力表達(dá)式為c二c+(u-u)tan申b(6)aw近年來(lái)，我國(guó)的學(xué)者也對(duì)非飽和土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了深入的研究，并且取得了突破性的進(jìn)展。我國(guó)的學(xué)者盧肇鈞提出吸附強(qiáng)度理論(由吸力產(chǎn)生的抗剪強(qiáng)度稱為吸附強(qiáng)度)，強(qiáng)度表達(dá)式為t=c+G-u)tan屮+mPtan屮(7)fas式中P為膨脹力：m為試驗(yàn)參數(shù)s后來(lái)一些研究者提出了吸附強(qiáng)度t的第三種表達(dá)式st=mPtanp(8)ss1960年A.W.Bishop等和1978年D.G.Fredlund等分別提出了他們各自的非飽和土抗剪強(qiáng)度的有效應(yīng)力表達(dá)式:Bishop公式2)t=c+G-u)tanp+X(u一u)tanpawfa

9、Fredlund公式t=c+Gu)tanp+(u一u)tanpb(4)faaw其中X(u-u)tanp及(u-u)tanpb稱為非飽和土的吸附強(qiáng)度,這兩項(xiàng)(u-u)awawaw及X和pb的測(cè)試儀器和試驗(yàn)方法均十分復(fù)雜，而膨脹力P則更容易測(cè)定，所以文獻(xiàn)3將非s飽和土的吸附強(qiáng)度用膨脹力來(lái)表示,這無(wú)疑具有重要的實(shí)用價(jià)值和學(xué)術(shù)意義,但研究者通過(guò)試驗(yàn)與觀察，對(duì)文獻(xiàn)3中吸附強(qiáng)度t的表示方法和有關(guān)結(jié)論進(jìn)行了進(jìn)一步的探討，結(jié)果分析s得出吸附強(qiáng)度與膨脹力的關(guān)系為t=KP(9)ss其中K為常數(shù)，資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果為0.425。表達(dá)式t=mPtanp與表達(dá)式t=KP形似相同，但t=KP中的k值約為0.425,ssssss

10、幾乎為一不變的常數(shù)，而t=mPtanp中的m值卻是一變化數(shù)，并且m值的獲取也比較麻ss煩，因此，將吸附強(qiáng)度與膨脹力歸結(jié)為式(9)將更簡(jiǎn)單、實(shí)用。關(guān)于Z(u-u)的表示方法,Bishop公式中X(u-u)tanp中的p角是非飽和土的awaw有效內(nèi)摩擦角，這與文獻(xiàn)3中關(guān)于p角的概念是一致的，而p角通過(guò)直剪儀或通過(guò)改裝的三軸試驗(yàn)即可比較容易地獲得，只要測(cè)出膨脹力P，通過(guò)式(9)就可知道吸附強(qiáng)度T。ss按Bishop公式：t=X(uu)tanpsaw按研究者建議：t=KPss令以上兩式相等，則KP=X(u-u)tanpsawKP/tanp=X(u-u)Saw其中K為常數(shù)，資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果為0.425。關(guān)于K值,表達(dá)式e二KP中的K值約為0.425是根據(jù)文獻(xiàn)3中的室內(nèi)試驗(yàn)資料得到ss的,對(duì)除廣西、山東濰坊地區(qū)以外的其他地區(qū)的膨脹土這一結(jié)論是否適用,還需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究資料的檢驗(yàn)。參考文獻(xiàn)：盧