非饱和土的剪切强度

第７卷第６期　２００９年１２月　南水北调与水利科技　Ｓｏｕｔｈ—ｔｏ－Ｎｏｒｔｈ　Ｗａｔｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｅｒｓ　ａｎｄ　Ｗａｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏｉ．７　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．２００９　

ｄｏｉ：１０．３．￣９／ｉ．ｉｓｓｎ．１６７２—１６８３．２００９．０６．０３５　

南阳膨胀土非饱和剪切特性试验研究　

胡　波，龚壁卫　

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉４３００１０）　

摘要：选取河南南阳膨胀土采用非饱和直剪仪进行控制吸力条件下的直剪试验。试验结果表明，在不同的基质吸力和　

竖向荷载下，重塑膨胀土试样由于结构性遭到彻底的破坏，应力应变关系表现为应变硬化特性。在４００　ｋＰａ吸力范围　

内，非饱和强度与吸力基本呈线性增长关系，南阳膨胀土的非饱和抗剪强度参数约　为１６．４。，验证了非饱和土的双　

变量强度公式的适用性。　

关键词：膨胀岩；基质吸力；剪切强度；剪胀性；非饱和直剪试验　

中图分类号：ＴＶ４７０　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２　１６８３（２００９）０６—０１４２～０３　

Ｓｔｕｄｙ　Ｏｉｌ　Ｓｈｅａｒ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　Ｓｏｉｌ　ｏｆ　Ｎａｎｙａｎｇ　Ｃｉｔｙ　

ＨＵ　Ｉ３ｏ．ＧＯＮＧ　Ｂｉ—ｗｅｉ　（Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　ＳｃｉｅｎｔｉＪｉｃ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｋｅｙ　ｌ　ａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｍｉｎｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ　４３００１０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ａ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｓｏｉｌ　ｆｒｏｍ　Ｎａｎｙａｎｇ　Ｃｉｔｙ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｂｙ　ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ　ｓｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｄｉｒｅｃｔ　ｓｈｅａｒ　ｔｅｓｔｓ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ—ｓｔｒａｉｎ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｍｏｕｌｄｅｄ　ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｓｏｉｌ　ｓａｍｐｌｅｓ　ｗｅｒｅ　ｓｔｒｅｓｓ－ｈａｒｄｅｎｉｎｇ　ｏｗｉｎｇ　ｔｏ　ｃｏｍｐｅｔｅ—　ｌｙ　ｄａｍａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｏｌＩ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍａｔｒｉｃ　ｓｕｃｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｖｅｒｔｉｃａｉ　ｓｔｒｅｓｓｅｓ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｍａｔｒｉｃ　ｓｕｃｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｒｉｃｔｉｏｎａｌ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｉｎ—　ｃｒｅａｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ａｎ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｅｔ　ｎｏｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓｅｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍａｔｒｉｃ　ｓｕｃｔｉｏｎ　ｒａｎｇｅ　ｆｒｏｍ　５Ｏ　ｔｏ　４００　ｋＰａ．Ｔｈｅ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｗｉｔｈ　ｒｅｓｐｅｃｔ　ｔｏ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｉｎ　ｍａｔｒｉｃ　ｓｕｃｔｉｏｎ一１６．４。，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｏｕｂｌｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｖａｒｉａｂｌｅｓ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｅｑｕａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｓｏｉｌ；ｍａｔｒｉｃ　ｓｕｃｔｉｏｎ；ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｓｈｅａｒ　ｄｉｌｉｔａｎｃｙ；ｕｎｓａｔｒａｔｅｄ　ｄｉｒｅｃｔ　ｓｈｅａｒ　ｔｅｓｔ．　

土的抗剪强度的概念 概述说明以及解释

1. 引言

1.1 概述

土的抗剪强度是土体工程中非常重要的一个概念。它指的是在土体内部存在切变作用时，土体能够抵抗该切变作用并保持形状稳定的能力。抗剪强度是评估土的力学性质、承载能力和稳定性的重要指标之一。

1.2 定义

土的抗剪强度可以分为两个方面来理解：

首先，从宏观角度来看，抗剪强度是指应变固结下产生切线应力所需达到最大值。在一定条件下，当施加沿某一平面方向的剪切应变时，通过实验可以测得该平面上允许达到的最大应力值。

其次，从微观角度来看，抗剪强度是由于岩石或土壤颗粒之间产生摩擦造成接触邻近颗粒受到相互作用而形成的。

1.3 目的

本文旨在全面介绍关于土的抗剪强度概念，并说明其重要性和应用。通过详细解释土壤抗剪强度的定义和影响因素，以及传统试验方法和先进试验方法的介绍，读者可以深入了解土壤抗剪强度与土体工程应用之间的关系。在展示几个土体加固和处理技术的工程实践案例后，我们还将讨论抗剪强度在土体设计中的重要作用。

通过这篇文章，读者将能够更好地理解土的抗剪强度的概念及其在土体工程中的意义，并对未来研究方向提出展望。

2. 土的抗剪强度概念

2.1 概述

土的抗剪强度是指土体在受到剪切力作用时能够抵抗变形破坏的能力。它是土体力学中一个重要的参数，对于工程设计、施工和地质灾害预测等具有重要意义。

2.2 抗剪强度的定义

土的抗剪强度可以分为有效应力状态下的抗剪强度和总应力状态下的抗剪强度。

在有效应力状态下，土体颗粒之间由于摩擦及内聚力的作用而形成一种阻止相对滑动或破坏的抵抗力。该抵抗力即为土体的有效应力抗剪强度。有效应力状态下，如果施加额外水平力，就会导致不可逆性变形，并可能引发失稳。

在总应力状态下，考虑了地下水对土体孔隙水压造成的影响。总应力状态下的土壤承受着来自地表荷载及孔隙水压带来的综合作用，在这种情况下衡量土壤较为复杂。当存在地下水流动时，因渗流带来部分应力的释放，土壤受到的总应力也会相应减小。

第２３卷第３期　２００２单６月　岩　土　力　学　Ｒｏｃｋ　ａｎｄ　Ｓｏｉｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　Ｖｏｌ　２３　Ｎｏ　３　文章犏号：１０００—７５９８一（２００２）０３—０２６８—０５　非饱和土土一水特征曲线和结构强度理论　黄义，张引科　西安建筑抖技大学理学院，西安７１００５５）　摘要：本文从非饱和土中微观孔隙中分布规律出发．考虑到土孔隙内收缩膜对非饱和工剪切强度的影响，推导出了非饱和土主一　水特征曲线方程和结构强度公式　这不仅揭示了两者的内在联系，而且使它们肓了统一的理论基础　这些公式既与试验测量结果相　符．叉便于实际应用。　关键词：非饱和土；土水特征曲线；结构强度；基质吸力　中图分类号：Ｔｕ　４３２　文献标识码：Ａ　Ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｓｏｉｌ－ｗａｔｅｒ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｃｕｒｖｅ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｆｏｒ　ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｓｏｉｌ　ＨＵＡＮＧ　Ｙｉ。ＺＨＡＮＧ　Ｙｉｎ—ｋｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉ　ａｌｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ＇ａｎ　７１００５５．Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｌｌ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｓｏｉｌ　ａｎｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｎｉｓｃｕｓ　ｉｎ　ｐｏｒｅｓ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ，　ｔｈｅ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｏｉｌ—ｗａｔｅｒ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｃｕｒｖｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｏｒａｌａｌａ　ｏｆ　ｓｈｅａｒ　ｓ￣ｅｎｇｔｈ　ｗｅｒｅ　ｄｅｒｉｖｅｄ．Ｔｈｉｓ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｒｅｖｅａｌｅｄ　ｔｈｅ　ｉｎｎｅｒ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉＤ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｓｏｉｌ—ｗａｔｅｒ　ｃｈａｒａｃｔｕｒｉｓｉｌｃ　ｃｕｒｖｅ　ａｎｄ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｓｏｌｌ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｇａｖｅ　ｔｈｅ　ｕｎｉｆｉｅｄ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｂｏｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅｍ　Ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｗｅｌｌ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｔｅｓｔｓ　ａｎｄ　ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ　ｔｏ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　脚ｗ口ｒｄｓ：ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｓｏｉｌ：ｓｏｉｌ—ｗａｔｅｒ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｃｈｉｖｅ；ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｍａｔｒｉｘ　ｓｕｃｔｉｏｎ　１前言　经过多年努力，非饱和土土力学理论框架已基本　建立…，但相关土性参数仍需用大量试验来删量。试验　表明，非饱和土的行为特征与其土一水特征曲线有密　切关系，可以从土一水特征曲线获得土的渗透函数　ｌ、　剪切强度　等有关参数。目此，对非饱和±土一水特性　的研究，特别是揭示土一水特性的本质和建立土一水特　征曲线方程，对了解非饱和土的工程性质有重要意　义。已经有人提出了几种形式的土一水特征曲线方　程　，这些方程大都是通过对试验结果的拟台得到　的。它们或者只对某一类土适用，或者只在某个吸力　范围内适用，或者包台的参数较多，或者参数值的确　定比较困难。总之，这些方程不能全面客观地反映非　饱和土土一水特性的全貌。另外，非饱和土剪切强度的　研究对工程设计也有重要作用。到目前为止，非饱和　土剪切强度有几种表示形式　１，但是这些公式所涉及　的土性参数测量起来比较麻烦，使其应用受到限制。　Ｆｒｅｄｌｕｎｄ等ｌ　１提出的非饱和土剪切强度公式是　＝ｃ　＋（　一　】ｔａｎ　＋（　一ｕ　）ｔａｎ　（１）　式中　是随基质吸力变化的内摩擦角。上式说明非　饱和土的剪切强度由两部分组成：（１）ｃ　＋【　一　）‘　ｔａｎ（ｋ　是与基质吸力无关的部分，它与ｃ　一　｝成正比，　常数　和ｃ　的实际测量较容易；（２）　一　ｌｎｎ　是与基质吸力有关的部分，称为非饱土的结构强度或　吸力强度。由于　与基质吸力（ｕ　一　ｊ有关．因此结　构强度与基质吸力之间是非线性关系。虽然对这个ｆｑ　题有了一些初步研究　，但其具体形式仍不清楚。　特别应该指出的是，以上这些研究大都是把非饱　和±的土一水特性和剪切强度作为两个独立的问题进　行的，而且往往给出的是经验公式。这既增加了研究　的工作量，又掩盖了二者的联系。本文从徐永福　０提出　的非饱和土中微观孔隙分布规律出发，考虑到土孔隙　中收缩膜对非饱和土剪切强度的影响，通过对非饱和　土中应力组成的分析，推导出了非饱和土土一水特征　曲线方程和结构强度公式。理论公式与试验结果完全　一致。　收稿日期：２００１－０７—１６　作者简舟：黄义，男，ｔ９３５年生，教授，

非饱和土力学

非饱和土力学是土力学的一个分支，研究非饱和土的力学行为。非饱和土是指土壤中含有水分但不完全饱和的情况下的土体。

非饱和土力学主要研究以下几个方面：

1. 非饱和土的力学性质：非饱和土的力学性质与饱和土有很大的区别，主要包括非饱和土的抗剪强度、成因压缩性、抗渗性等。

2. 非饱和土的水力性质：非饱和土中既含有水分又含有气体，因此非饱和土的水力性质与饱和土也有很大的差别，主要包括非饱和土的孔隙水压力、毛细力、渗透系数等。

3. 非饱和土的力学行为：非饱和土在不同水分状态下的力学行为与饱和土有很大的差异，包括非饱和土的应力分布、变形特性、剪切强度等。

非饱和土力学研究的重要性在于它对于工程实践的影响。非饱和土的存在在许多工程问题中具有重要作用，如岩土工程、土木工程、环境工程等。因此，准确理解非饱和土的力学行为对于工程设计和工程施工至关重要。