非飽和土體變試驗研究及其在地面沉降中的應用.pdf

1、非飽和土是一種由固相、液相和氣相所組成的三相土。非飽和土在實際工程中分布十分廣泛，其工程特性相對于飽和土要更為復雜，理論尚不完善。在非飽和土力學中，非飽和土體變理論一直是非飽和土理論研究的一個重要研究內容，體積變化的本構方程將變形狀態(tài)變量與應力狀態(tài)變量聯(lián)系起來。由于非飽和土含有固相、液相和氣相，使得非飽和土的力學性質相對于飽和土要更為復雜。在試驗中，試樣孔隙水壓和氣壓的控制和測量較為復雜，非飽和土試驗資料仍然十分缺乏。并且，非飽和土力學

2、在實際工程的應用中還明顯落后于理論的發(fā)展，許多工程師仍然采用傳統(tǒng)的飽和土理論來解決非飽和工程問題。如何進一步完善非飽和土理論，將傳統(tǒng)的土力學理論發(fā)展為廣義的土力學理論，并在實際工程中得到應用和推廣是非飽和土力學領域工作者的一個重大挑戰(zhàn)。因此，本文利用GDS非飽和三軸儀在分別控制試樣凈平均應力和基質吸力條件下開展了大量試驗研究。基于試驗研究結果，根據(jù)非飽和土力學理論提出了可以全面考慮非飽和區(qū)和飽和區(qū)沉降變形的數(shù)學模型，并對地下水位的降低引

3、起地面沉降問題進行了詳細分析和研究。本文的工作主要包括下列內容。 (1)利用高進氣值壓力板儀對非飽和重塑砂土、粉土、黏土和粉質黏土開展了土水特征曲線試驗，并結合試樣收縮曲線，考察了四種類型土體干燥收縮過程中在凈平均應力σ<,m>-u<,a>=0 kPa 條件下基質吸力和孔隙比關系。一般認為，屈服吸力s<,0>將土體收縮過程分為彈性和彈塑性兩個階段。但試驗結果表明，當試樣基質吸力達到某一特定值后，基質吸力的增大不引起試樣的進一步收

4、縮變形，本文稱此吸力為縮限吸力s<,s>。因此，屈服吸力和縮限吸力可將整個收縮過程分為三個階段，即彈性階段、彈塑性階段和縮限階段。通過理論分析可知縮限吸力s<,s>可假定為試樣的縮限含水率在土水特征曲線中所對應的基質吸力，試驗結果也驗證了假設的正確性。試驗結果表明，不同類型土的縮限吸力大小并不相等，試樣的塑性指數(shù)越大，縮限吸力也越大。并且在干燥收縮過程中，當飽和度在減小至0.90過程中試樣孔隙比迅速減小，試樣的收縮變形基本在此階段完成；

5、當試樣飽和度減小到0.70時，試樣的孔隙比基本保持不變。 (2)本文采用GDS非飽和土三軸儀，在分別控制試樣基質吸力和凈平均應力條件下對非飽和重塑黏土的體積變化和含水率變化特性進行了詳細試驗研究。在非飽和三軸試驗研究中，本文開展了2組不同應力路徑試驗：①各向同性壓縮試驗：在控制基質吸力u<,s>=u<,a>-u<,w>的條件下施加不同的凈平均應力p=σ<,m>-u<,a>；②三軸收縮試驗：在控制凈平均應力條件下施加不同的基質吸力

6、。在控制非飽和黏土吸力條件下的壓縮試驗中，根據(jù)所測得各個試樣的總體積變化變化考察了試樣的壓縮指數(shù)和屈服應力與基質吸力的相關性，當試樣的凈平均應力加載到設定的最高值后，在保持基質吸力不變條件下，將凈平均應力直接卸載到 0，來考察不同基質吸力下試樣的回彈指數(shù)；在給定的基質吸力條件下，隨著凈平均應力的增加，水不斷從試樣中排出，通過水比容概念考察了水體積變化特性。在控制試樣凈平均應力條件下的干濕循環(huán)試驗中，分別考察了土水特征曲線和收縮特性與凈平

7、均應力的相關性；當試樣加載到設定的最大基質吸力值并達到吸力平衡后，將試樣重新飽和后(即基質吸力卸載到 0 kPa)，來考察試樣干濕循環(huán)特性。 (3)在地面沉降研究中，人們常采用飽和土有效應力原理來計算沉降量。實際上，地下水位的降低也會引起非飽和區(qū)域土體飽和度的減小，導致凈平均應力降低和基質吸力增大。隨著非飽和土力學的發(fā)展，人們逐漸認識到基質吸力的增大也可造成土體的壓縮變形。結合飽和一非飽和滲流與非飽和土體變本構模型，本文提出了一

8、種可以全面考慮非飽和區(qū)域與飽和區(qū)域沉降的數(shù)學模型。由于地下水位下降引起的飽和土區(qū)域和非飽和土區(qū)域的沉降變形有著本質的區(qū)別，因此需分別估算飽和土區(qū)域(即u<,a>-u<,w>≥0)和非飽和土區(qū)域(即u<,a>-u<,w><0)的沉降變形量。對于飽和區(qū)，利用飽和土的有效應力原理來計算土體有效應力增大而引起的壓縮變形量；對于非飽和區(qū)，采用非飽和土的體變本構模型可分別計算土體由于基質吸力增大而引起的收縮變形量和凈平均應力減小而引起的回彈量。

9、 (4) 根據(jù)飽和—非飽和沉降數(shù)學模型，對Kai-Yuan Ke 試驗模型進行模擬分析，并與實測數(shù)據(jù)進行了對比分析，驗證了本文提出的飽和—非飽和沉降數(shù)學模型的合理性和可行性。模型試驗結果表明在某些情況下非飽和區(qū)域的沉降變形量是不可忽略的，如果按照傳統(tǒng)的計算方法僅僅考慮飽和區(qū)的變形量，則計算結果與實際情況相差較大?；诜秋柡屯翆踊|吸力分布為靜水平衡的假設，針對不同的地下水位降低，本文根據(jù)飽和—非飽和沉降數(shù)學模型分別估算了非飽和區(qū)域和

10、飽和區(qū)域的沉降量。通過非飽和區(qū)沉降量和地表總沉降量的對比，驗證了考慮非飽和區(qū)沉降變形量的重要性。對于非飽和區(qū)，本文分別估算了由于凈平均應力的降低引起的地面回彈量和基質吸力的增大引起的地面沉降量。計算結果表明，在這兩種變形中收縮變形量在非飽和區(qū)變形中占有主導地位，凈平均應力的減小而引起的地面回彈量可以忽略不計。 (5)在基坑開挖過程中，為防止基坑滲透破壞，往往采用井點降水等措施來降低地下水位，但地下水位的降低會引起周圍建筑物和地下

11、管線附加沉降而產(chǎn)生不良影響。基于井點降水形成的二維飽和—非飽和穩(wěn)態(tài)滲流模擬分析，本文對某一基坑分別估算了飽和土區(qū)域和非飽和土區(qū)域沉降變形量。計算結果表明，在基坑降水時非飽和區(qū)的變形量往往是不可忽略的。并對降水深度、初始水位高度、土體壓縮指數(shù)、收縮指數(shù)、滲透系數(shù)各向異性、土層初始吸力大小、凈平均應力和基質吸力耦合關系各種影響因素進行了詳細分析?；陲柡汀秋柡头欠€(wěn)態(tài)滲流，本文對基坑降水后引起周圍土層沉降隨時間不斷發(fā)展的過程進行了動態(tài)模擬，