非饱和土强度试验：第四章成果

非饱和土的强度是土体抵抗外部荷载作用能力的表征，地基承载力、路堤和土坝等边坡稳定性以及支挡建筑物土压力等许多岩土工程问题都与非饱和土的抗剪强度有关，所以研究非饱和土的抗剪强度极为重要。在非饱和土中，因为吸力的存在，使得土的有效应力不再等于粒间压力，其力学性质远比饱和土要复杂。

土的强度指标包括凝聚力c和摩擦角φ，是试样处于饱和状态下获得的确定值。如果试样非饱和，测得的强度指标将会是变量，因为会受土体的饱和度的影响。一般来讲，饱和度越低，强度指标越高。例如，淤泥处于饱和状态很软，强度很低，但风干后却十分坚硬。因此，非饱和土强度指标的确定及其随饱和度或吸力的变化规律，是非常值得研究的课题。

Fredlund等（1978）根据非饱和土的双应力变量理论提出了非饱和土抗剪强度理论公式为

式中 φ″——强度随吸力变化的摩擦角，为饱和状态摩擦角φ′以外的第二个摩擦角，它对应于破坏面的剪力-吸力[τ-（ua-uw）]平面上的倾斜角。φ″的大小反映了抗剪强度随吸力的增加而增大的情况。

非饱和土的破坏包面如图4.1所示。

图4.1　非饱和土的破坏包面

非饱和土的强度是由有效凝聚力c′，外荷引起的净应力（σ-ua）产生的剪阻力和内部有效应力（ua-uw＝s）产生的剪阻力3个部分组成。吸力产生的剪阻力增加了纵轴的截距，可把它归于凝聚力项，定义吸力引起的非饱和凝聚力为c″。由此，非饱和土的总凝聚力c*可写成(www.xing528.com)

式（4.1）中的c′和φ′可由饱和土的常规固结排水（CD）试验测定。φ″值的测定可以取若干相同初始状态的试样进行相同净围压、不同吸力的三轴剪切试验。试验中施加不同围压σ3，并调整ua值，以保持对所有试样的（σ3-ua）值为某特定常数。在施加附加轴向压力时，仍应随时调整ua值，始终保持（σ3-ua）值不变，直至试样剪破。试验中孔隙水压uw始终为大气压，于是可得到一系列具有相同（σ3-ua）值、不同s＝ua-uw值的极限应力圆，如图4.2所示，平行作这些圆的切线，倾角为φ′，交纵轴于τf1（τf1＝c′）、τf2、τf3、…。不同的（ua-uw）值对应其相应的τf值，在τ-（ua-uw）坐标图上将数据点连接成线，其倾角即为φ″，如图4.2所示。通常，φ″约为φ′的1/2，即φ″＝φ′/2。φ″的值也可用非饱和土直剪试验来测定，对3个具有相同初始状态的试样施加相同净竖向压力，分别在吸力为s1，s2，s3下进行吸力控制的直剪试验，得到与吸力s1，s2，s3相对应的直剪强度如图4.3所示。

图4.2　三轴试验确定φ″的方法

图4.3　直剪试验确定φ″的方法

φ″可用来衡量吸力对非饱和土抗剪强度的贡献。Fredlund等（1978）首先假设φ″是个常量，即抗剪强度会随着吸力线性增加。Gan等（1988）通过对击实冰碛土（Glacial Till）进行非饱和直剪试验。试验结果表明，非饱和土抗剪强度与基质吸力呈非线性关系，φ″随着吸力的增加而减小，即由吸力引起的凝聚力不随吸力线性地无限增加，而是趋向一定值。

非饱和土的抗剪强度指标可以通过直剪试验和三轴试验得到。下面将对非饱和土直剪试验和非饱和土三轴试验分别进行说明。