董红艳　代启亮　王宝龙　高贵全　雷腾云　宋永正

(1.云南农业大学水利学院，云南 昆明　650201；　2.云南农业大学教务处，云南 昆明　650201)



预压缩对非饱和土强度的影响试验研究

董红艳1代启亮1王宝龙1高贵全2雷腾云1宋永正1

(1.云南农业大学水利学院，云南 昆明650201；2.云南农业大学教务处，云南 昆明650201)

摘要：通过三轴剪切试验和直接剪切试验，分析了预压缩和排气状态对非饱和土强度的影响规律，试验结果表明：对试样预先进行压缩和排气不排水的试验条件，均能提高土体的抗剪强度，且排气状态对粘土强度的影响较粉土的明显。

关键词：非饱和土，预压缩，排气状态，抗剪强度

0引言

非饱和土是由固相、液相和气相共同组成的一种多孔介质材料，孔隙气的存在使得其物理力学性质极为复杂。对非饱和土的强度和变形等进行研究时，控制吸力的三轴试验[1，2]或控制吸力的直剪试验[3，4]能够较准确的描述出非饱和土的力学特性。但孔隙气和孔隙水的共同作用，决定了吸力测量的繁复和困难性[5，6]。致使控制吸力测量非饱和土强度的现场试验少有，积累的实测资料相对匮乏[7]。研究非饱和土的强度时，有学者将土—水特性曲线引入其中，并取得了较好的试验成果[8，9]，但土—水特性曲线量测需时较长，且存在明显的滞回效应。为避免吸力的测量，一些学者将含水率(饱和度)引入非饱和土强度试验[10，11]中并在实际工程中得到了广泛应用。但由含水率和饱和度的计算原理可知，二者体现的是不同的变量关系。在土样受剪过程中，含水率保持不变，但饱和度发生变化，致使土体结构发生改变，吸力值随之变化，因此使二者作为一个变量反映非饱和土强度存在不可忽略的误差[12]。也有学者从实用的角度出发，在常规直剪仪和改进的常规三轴仪上对非饱和土进行试验[13-15]，得出的结论为实际工程提供了经验基础。

非饱和土中三相介质的分布状态决定了其强度、变形等力学性质。预压缩和排气状态对固相、液相和气相的分布情况存在重要影响，从而影响其工程性质。故本文将进行以饱和度为常数，预压缩和排气状态为控制变量，对粘土和粉土在常规三轴仪和直剪仪上进行剪切试验。通过试验结果的对比，探讨粘土和粉土的强度随预压缩和排气状态的变化情况，并进行分析、总结。

1试验步骤与方法

试验用土采自呼伦贝尔市海拉尔区谢尔塔拉工业园区，粘土为紫褐色，粉土为灰黄色。将采回的粘土和粉土的原状土样碾散、晒干并过2 mm筛，试验用土取其细粒部分。试验粘土、粉土的基本物理参数指标见表1。

直剪试验和三轴试验，均分别进行试验前预压缩和未预压缩两组对比分析，三轴试验的控制条件还存在排气不排水和不排气不排水两组。由《土工试验规程》规定，直接剪切试验的试样剪切速率为0.06 mm/min,施加的竖向压力分别为100 kPa,200 kPa,300 kPa和400 kPa四个等级；三轴剪切试验试样的剪切速率为0.036 mm/min，施加的围压分别为100 kPa,200 kPa,300 kPa和400 kPa四个等级。

制备的试验试样的干密度和含水率(初始饱和度)均相同，其中干密度ρd=1.4 g/cm3，(初始)饱和度Sr=60%。共制备粘土直剪试样8个，粘土和粉土三轴试样各16个。在制备试样前根据干密度和饱和度等已知条件，配制符合条件的散状土样。将配制好的散状土样放到保湿器中12 h，以便散状土中的水分分布均匀。直剪试验的试样分两层夯实，采用环刀取样，试样尺寸为高2 cm，直径为6.18 cm的圆柱体；三轴试样分5层夯实，试样尺寸为高8 cm，直径为3.91 cm的圆柱体。在粉土试样的制备过程中，由于粉土的物理特性使得Sr=60%的试样制作非常困难。所以制备Sr=75%的试样，然后将试样置于恒温恒湿的条件下进行风干脱水，实时称重，直至Sr=60%，达到目标含水率的试样置于保湿器中12 h以上，使试样中水分分布均匀。试样制备完毕以后，要对直剪试样、三轴试样各一组进行24 h的预压缩，在预压缩的过程中要将试样用橡皮膜包裹起来，以保证试样的含水率(初始饱和度)保持不变。

2结果与分析

2.1预压缩对非饱和土强度的影响

在对饱和土体进行研究时，固结可以增大饱和土的有效应力，提高其强度[16]。非饱和土在进行直剪试验和三轴试验前，若对试样进行预压缩，由图1～图3的试验结果表明：预压缩可以小幅度提高非饱和土的强度。

非饱和土体的孔隙中不仅存在水，同时存在气体。在对非饱和土体进行预压缩的过程中，由于橡皮膜的包裹作用使得孔隙水和孔隙气均未排出土体。但孔隙比减小，所以预压缩的实质是孔隙中的孔隙水和孔隙气重新分配的过程。含水率不变，所以主要的变化为孔隙中孔隙气的变化。施压使得孔隙气部分溶于孔隙水中，孔隙体积减小。土颗粒间的间距减小互相靠拢，土骨架更加紧密，作用面积增大。对非饱和土而言有效应力即为其土骨架的应力，因此更加紧密的土骨架的结构性更强，有效应力增大，土体抗剪强度增大。

2.2排气状态对非饱和土强度的影响

为研究排气状态对非饱和土强度的影响，对粘土和粉土进行控制条件分别为排气不排水和不排气不排水的三轴试验，由图4和图5的试验结果可知：排气较不排气状态试验结果的强度大，这是由于在排气的条件下，孔隙气压力等于大气压力，对非饱和土体的力学特性起关键控制作用的基质吸力ua-uw=-uw(其中，ua为孔隙气压力；uw为孔隙水压力)，即产生负的孔隙水压力。在不排气状态下，ua>0,基质吸力小于排气状态的基质吸力。排气使得土体的有效应力增大，所以强度较不排气状态有所增大。对粉土而言，排气状态对强度的影响没有粘土的效果显著，这是由于粉土的结构较为松散，气体的排放速度相对较快，故孔隙气对其影响程度较小。而粘土的结构更为密实，其强度受排气状态的影响更为显著。

3结语

1)对粘土和粉土进行抗剪强度试验可知，预压缩使得土体孔隙减小，土骨架更加紧密，作用面积增大，从而有效应力增大，土体抗剪强度增加。

2)通过控制排气状态的三轴试验结果对比分析，充分证实了在排气的试验条件下粘土和粉土的有效应力增大，土体抗剪强度增加。

3)从粘土与粉土的三轴试验结果对比分析可知，由土体结构不同的密实程度的作用，使得结构相对密实的土体受排气状态的影响更为显著。

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Experimental study on the effect of precompression on the strength of unsaturated soil

Dong Hongyan1Dai Qiliang1Wang Baolong1Gao Guiquan2Lei Tengyun1Song Yongzheng1

(1.YunnanAgriculturalUniversity，CollegeofWaterConservancy，Kunming650201，China；2.YunnanAgriculturalUniversity，TeachingAdministrationOffice，Kunming650201，China)

Key words:unsaturated soil, precompression, exhaust condition, shear strength

Abstract:Through the triaxial shear test and direct shear test, to research the precompression and exhaust condition the influence of the strength of unsaturated soil. Experimental results show that the sample in advance for the experiment of compression and exhaust undrained condition, all can improve the shear strength of soil mass, and exhaust condition effect on the strength of clay is more obviously.

文章编号：1009-6825(2016)14-0060-02

收稿日期：2016-03-06

作者简介：董红艳(1990- )，女，在读硕士；代启亮(1983- )，男，硕士，讲师；王宝龙(1990- )，男，在读硕士；

中图分类号：TU411

文献标识码：A

高贵全(1968- )，男，教授；雷腾云(1986- )，男，硕士，讲师；宋永正(1990- )，男，在读硕士