非饱和土的吸力与强度理论研究及其试验验证

论文摘要

作为土力学基本框架的重要组成部分,饱和土的强度理论已经基本趋于成熟,而非饱和土在实际工程中分布更为广泛,其工程特性更为复杂,其强度理论尚不十分完善。在非饱和土力学中,应力理论和强度理论是非饱和土力学变形与稳定性分析理论及计算方法中的重要基础。因此,对于不同程度的非饱和土,必须建立合理的应力理论和强度理论。考虑到非饱和土的三相组成与各相组分的特点及其与饱和土的差异,在非饱和土中除了作用在土骨架上的净应力之外,分别作用在孔隙气与孔隙水上的孔隙气压力与孔隙水压力之差构成了非饱和土的基质吸力,对于非饱和土的变形与强度特性具有一定的影响。同时饱和度的高低或含水量的多少决定了非饱和土的孔隙水与孔隙气的分布形态及其相互迁移与渗透规律,从而直接或间接地影响着非饱和土的强度特性及其渗透特性。为了确定非饱和土的变形与强度特性,必须首先根据含水量或饱和度确定非饱和土的分类体系,进而针对不同形态的非饱和土确定净应力与基质吸力。因此为了探讨非饱和土的强度理论,必须确定非饱和土中的应力体系,其中关键在于确定吸力。为此,本文基于理论分析,对于非饱和的理想颗粒组成体系建立了吸力理论与强度理论,并试图利用这些理论阐明实际非饱和土的强度特性,进而采用非饱和土的试验研究对所提出的基本概念与理论体系进行验证,为非饱和土的工程特性及其本构模型研究奠定基础。本文研究工作主要包括下列内容。 1.在水封闭情况下,基于圆形弯液面假设、接触角协调性要求和热力学基本理论,针对规则等直径球形颗粒建立了颗粒间弯液面方程,运用迭代法对这一非线性方程组进行了求解,进而确定了理论意义上的基质吸力。基质吸力实际上是一个分布面力,其总体作用效应同时包括面力的大小及其作用面积两个因素。将作用于颗粒局部表面积上的基质吸力在整个颗粒表面上进行平均后作为等效基质吸力。进一步地,类似于描述吸力与饱和度之间关系的土—水特征曲线,将等效基质吸力与饱和度之间的关系曲线定义为广义土—水特征曲线。基于最松散堆积状态的理想模型分析表明,与基质吸力相比,由于考虑了面积效应,等效基质吸力较小,且随饱和度的变化并不象基质吸力那样十分显著;无论基质吸力还是等效基质吸力,均随颗粒空间排列间隙的增大而迅速减小:另外,土—水特征曲线和广义土—水特征曲线都依赖于孔隙水与固体颗粒之间接触角的变化。 2.目前,普遍接受的非饱和土分类方法把非饱和土分为水封闭、双开敞和气封闭等三类。液体表面存在表面张力作用,液面在颗粒表面的搭接使得表面张力对颗粒产生拉结作用。这种拉结作用类似于基质吸力的作用,但与基质吸力是两个完全不同的概念,其在基质吸力作用面积上的等效作用定义为张力吸力。孔隙水弯液面与土颗粒表面是否搭接决定了这种张力吸力存在与否。因此根据孔隙水弯液面与土颗粒表面的搭接状态,将双开敞非饱和土细分为搭接双开敞非饱和土和不搭接双开敞非饱和土。在水封闭非饱和土和搭接双开敞非饱和土中,由于孔隙水弯液面搭接在颗粒表面上,同时存在基质吸

论文目录

• 1 绪论
• 1.1 土力学和非饱和土力学的研究历史
• 1.1.1 饱和土力学的研究历史
• 1.1.2 非饱和土力学的研究历史
• 1.2 非饱和土力学强度理论的研究现状
• 1.2.1 应力理论
• 1.2.2 强度理论
• 1.3 非饱和土力学应力理论和强度理论研究中存在的问题
• 1.4 本文的主要研究内容与论文的组织结构
• 1.4.1 本文的主要研究内容
• 1.4.2 研究采用的技术路线
• 1.4.3 论文的组织结构
• 2 水封闭非饱和土的基质吸力研究
• 2.1 基质吸力理论
• 2.1.1 基本概念
• 2.1.2 基质吸力的定义
• 2.1.3 基质吸力的大小
• 2.2 非饱和土的毛细压力和基质吸力
• 2.2.1 非饱和土的毛细模型
• 2.2.2 粘性土
• 2.2.3 球形颗粒最松散堆积
• 2.2.4 土壤中基质吸力的估计
• 2.3 水封闭阶段非饱和土的理论土—水特征曲线研究
• 2.3.1 土—水特征曲线的影响因素
• 2.3.2 基质吸力／等效基质吸力的理论值
• 2.3.3 算例与讨论
• 2.4 小结
• 3 水封闭非饱和土的张力吸力理论
• 3.1 非饱和土的分类
• 3.1.1 俞培基等的分类方法
• 3.1.2 包承纲等的分类方法
• 3.1.3 Barden的分类方法
• 3.1.4 非饱和土的重新分类
• 3.2 各种饱和状态下的基质吸力和张力吸力
• 3.2.1 水封闭状态
• 3.2.2 搭接双开敞状态
• 3.2.3 不搭接双开敞状态
• 3.2.4 气封闭非饱和土
• 3.3 关于吸力比k的研究
• 3.3.1 饱和半径与吸力比k的关系研究
• 3.3.2 饱和度与吸力比的关系研究
• 3.4 各种吸力之间的关系
• 3.4.1 基质吸力、张力吸力和合吸力
• 3.4.2 等效基质吸力、等效张力吸力和等效合吸力
• 3.5 球形颗粒最紧密堆积时水封闭状态下的吸力研究
• 3.6 小结
• 4 搭接双开敞非饱和土中的吸力分析
• 4.1 搭接双开敞状态的基质吸力和张力吸力
• 4.1.1 搭接双开敞状态的基质吸力作用面积
• 4.1.2 搭接双开敞状态的张力吸力
• 4.1.3 搭接双开敞状态的饱和度
• 4.2 搭接双开敞状态的各种（等效）吸力分析
• 4.2.1 最松散堆积模式
• 4.2.2 最紧密堆积模式
• 4.3 各种（等效）吸力与饱和度全程关系分析
• 4.4 小结
• 5 基质吸力与强度的关系
• 5.1 粒间吸引力对非饱和土变形及强度的影响
• 5.1.1 颗粒缺位对变形的影响
• 5.1.2 颗粒缺位对强度的影响
• 5.2 基质吸力与强度的关系—气封闭和不搭接双开敞
• 5.2.1 非饱和土中等效合吸力对抗剪强度的贡献
• 5.2.2 气封闭和不搭接双开敞非饱和土中基质吸力与强度的关系
• 5.3 基质吸力与强度的理论关系—水封闭阶段
• 5.4 基质吸力与强度的理论关系—搭接双开敞阶段
• 5.5 小结
• 6 理论和实用强度关系表达式的研究
• 6.1 双应力状态变量的既有证明
• 6.1.1 零位试验
• 6.1.2 陈正汉证明
• 6.2 对双应力状态变量表示方法证明的分析
• 6.2.1 对零位试验的分析
• 6.2.2 对陈正汉证明的分析
• 6.3 双应力状态变量的正交试验验证
• 6.3.1 正交试验简介
• 6.3.2 对重塑非饱和黄土的正交试验验证
• 6.3.3 对Madrid灰粘土直剪试验的正交试验验证
• 6.3.4 对西安黄土抗压试验的正交试验验证
• 6.3.5 对南阳膨胀土三轴试验的正交试验验证
• 6.4 对既有抗剪强度理论的分析
• 6.4.1 非饱和土的破坏准则
• 6.4.2 非饱和土的线性抗剪强度理论—有效应力法
• 6.4.3 非饱和土的线性抗剪强度理论—双应力状态变量法
• 6.4.4 非饱和土的非线性抗剪强度理论
• 6.5 非饱和土的抗剪强度公式
• 6.5.1 理想模型抗剪强度的四个阶段
• 6.5.2 基于理想模型的抗剪强度公式
• 6.5.3 实际的抗剪强度公式
• 6.6 小结
• 7 试验验证
• 7.1 试验设计
• 7.1.1 非饱和土土—水特征曲线的滞回效应
• 7.1.2 试验分类及其应力路径
• 7.2 饱和试样的常规三轴试验
• 7.2.1 土样制备
• 7.2.2 强度参数的确定
• 7.3 高饱和度条件下基质吸力与强度的相关关系试验
• 7.3.1 既有的直剪试验证明
• 7.3.2 考察高饱和度非饱和土强度的压力板试验和普通三轴试验
• 7.3.3 非饱和土三轴试验系统—GDS三轴试验系统简介
• 7.3.4 高饱和度非饱和土强度的压力板试验和非饱和土三轴试验
• 7.4 低饱和度条件下基质吸力与强度的相关关系试验
• 7.4.1 考察低饱和度非饱和土强度的自然风干试验和普通三轴试验
• 7.4.2 不同饱和度试样的破坏特点比较
• 7.5 小结
• 8 非饱和土强度理论的应用
• 8.1 基质吸力变化时非饱和土的一维本构模型及其应用
• 0固结状态下加载时非饱和土的一维本构方程'>8.1.1 K₀固结状态下加载时非饱和土的一维本构方程
• 8.1.2 基质吸力与容重的增量关系
• 8.1.3 考虑基质吸力变化时的地面变形估算
• 8.1.4 算例分析
• 8.2 考虑干燥裂缝时非饱和土垂直切坡的临界自稳高度
• 0状态下非饱和土干燥裂缝深度'>8.2.1 K₀状态下非饱和土干燥裂缝深度
• 8.2.2 临界自稳高度
• 8.2.3 对比分析
• 8.3 小结
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文和主持参加科研情况
• 攻读博士学位期间所完成与发表的主要学术论文
• 攻读博士学位期间所主持和参加的科研项目
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书