CN109211688A - 一种快速判断非饱和土受力后是否破坏的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及快速判断非饱和土受力后是否破坏的方法，可快速准确、有效解决判断非饱和土受力后是否破坏，以保证工程质量的问题，利用压力板仪确定参数残余含水量θ _irr、饱和含水量θ _sat、与土体性质有关的参数b、d；利用常规三轴仪测定参数总应力强度指标c、φ；利用非饱和直剪仪测定参数φ ^b；测定土体含水量θ，利用“土力学”测定土体的受力时的土体所真实受到的小主应力σ ₃、土体所真实受到的大主应力σ _z；将土体所受到的小主应力σ ₃代入公式，求得土体处于临界破坏极限状态时的理论大主应力σ ₁，根据σ ₁是否大于土体所受到的σ _z，判断土体是否被破坏，本发明方法简单，易操作，测试准确，效率高，易推广应用，为施工建设提供技术支撑。

Description

一种快速判断非饱和土受力后是否破坏的方法

技术领域

本发明涉及岩土工程，特别是一种快速判断非饱和土受力后是否破坏的方法。

背景技术

在施工中，了解岩土受力情况是必不可少的，自然界中的土由土颗粒堆积形成土骨架，土骨架中的孔隙如果被水充满，则该土称为饱和土；如果没有被水充满，则称为非饱和土。

土体强度是决定工程稳定性的关键因素。目前，计算非饱和土强度的常用公式中含有变量孔隙气压力、孔隙水压力，但是孔隙气压力、孔隙水压力不易测量，而且常用公式不能够直接根据非饱和土的受力状态判断土体是否破坏。因此，如何快速、有效判断非饱和土受力后是否破坏是需要认真解决的技术问题。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种快速判断非饱和土受力后是否破坏的方法，可快速、有效解决判断非饱和土受力后是否破坏，以保证工程质量的问题。

本发明解决的技术方案是，一种快速判断非饱和土受力后是否破坏的方法，根据非饱和土极限平衡条件的土体应力测定公式：

按下列步骤进行：

(1)、利用压力板仪确定参数θ_irr、θ_sat、b、d；

其中，θ_irr为残余含水量，θ_sat为饱和含水量，b、d为与土体性质有关的参数；

(2)、利用常规三轴仪测定参数总应力强度指标c、

(3)、利用非饱和直剪仪测定参数

其中，为与基质吸力(u_a-u_w)有关的内摩擦角，孔隙水压力u_w，孔隙内的气压力u_a，二者之差(u_a-u_w)；

(4)、测定土体含水量θ＝m_w/m_s(m_w为试样中水的质量，m_s为试样中土颗粒的质量)，利用“土力学”测定土体的受力状态时的σ_z、σ₃值；

其中，σ₃为土体所真实受到的小主应力，σ_z为土体所真实受到的大主应力；

(5)、将土体所受到的小主应力σ₃代入公式：

求得土体处于临界破坏极限状态时的理论大主应力σ₁，当σ₁大于土体所受到的σ_z，表明土体处于安全状态；当σ₁等于土体所受到的σ_z，表明土体处于临界破坏极限状态；当σ₁小于土体所受到的σ_z，表明土体已经破坏，从而判断出非饱和土受力后是否破坏。

本发明提出了一种可直接快速判断非饱和土受力后是否破坏的方法，该方法避免了确定不易测定的变量：孔隙水压力、孔隙气压力，只需确定土体所受应力的大小、土体含水量，即可判断土体受力后是否破坏，方法简单，易操作，测试准确，效率高，易推广应用，为施工建设提供技术支撑，经济和社会效益巨大。

附图说明

图1为本发明的非饱和土体受力图。

图2为压力板仪示意图。

图3为非饱和土土水特征曲线。

图4为三轴试验所得莫尔圆及其强度线。

图5为非饱和土强度线。

具体实施方式

以下结合附图和具体情况对本发明的具体实施方式作详细说明。

由图1所示，本发明在具体实施中，一种快速判断非饱和土受力后是否破坏的方法，包括以下步骤：

一、首先确定非饱和土极限平衡条件，方法是：

根据图1所示，当土体受到荷载σ₁、σ₃作用处于临界破坏极限状态时，此时土中的应力有：粘聚力c’，孔隙水体内的孔隙水压力u_w，孔隙内的气压力u_a，二者之差(u_a-u_w)称为基质吸力S_c，土中与大主应力面(即与大主应力σ₁垂直的面)夹角为α的斜面上的法向总应力σ和剪应力τ分别为：

法向总应力σ与孔气压之差(σ-u_a)为法向有效应力，当非饱和土处于临界破坏极限状态时，土体中斜面上的剪应力达到土的抗剪强度，土体会延此斜面发生破坏，因此根据常规的计算非饱和土抗剪强度τ_f的公式，即Fredlund所提出的公式：

式中，—与法向有效应力(σ-u_a)有关的内摩擦角；

—与基质吸力(u_a-u_w)有关的内摩擦角；

当非饱和土接近饱和时，孔隙水压力u_w接近孔隙气压力u_a，因此基质吸力S_c＝(u_a-u_w)趋于零，式(3)中的基质吸力项消失，从而变为饱和土的强度公式：

式中的参数c’、可针对饱和土通过三轴试验测得，而则需要通过非饱和直剪仪测得，只要c’、和这三个参数确定，就可以根据所受应力通过式(3)计算得到非饱和土的抗剪强度τ_f；

在实际工程中，土体中的孔气压和孔水压不容易测得，因此很难判断土体受力后是否会破坏，考虑到饱和土抗剪强度可表示为有效应力形式，或表示为总应力形式，即

式中，c、为总应力强度指标，通过室内饱和土三轴试验确定，因此式(3)可以用总应力的形式表示为

虽然基质吸力S_c＝(u_a-u_w)不容易量测，但是土体的含水量易测，而且基质吸力与土体含水量θ之间存在以下关系：

式中，θ_irr—残余含水量；

θ_sat—饱和含水量；

b、d—与土体性质有关的参数；

以上四种参数可以通过开展室内压力板试验得到土水特征曲线而确定，基质吸力S_c由θ表示为

因此，式(3)用总应力和含水量表示为

即为以总应力和含水量表示的非饱和土抗剪强度公式；

当土体受σ₁、σ₃，达到临界破坏的极限状态时，土体中斜面上外力产生的剪应力等于该面上的抗剪强度，即

τ＝τ_f 式(9)

将式(1)代入式(8)，并与式(2)一起代入式(9)得

即非饱和土极限平衡条件：

二、根据非饱和土极限平衡条件判断非饱和土受力后是否破坏，方法是：

当非饱和土若要达到临界破坏的极限状态时，σ₁、σ₃之间应该满足非饱和土极限平衡条件，即式(10)，利用式(10)判断土体受力后的状态，避免了确定土体中的孔水压和孔气压，仅需要针对饱和土确定参数针对非饱和土确定针对饱和土、非饱和土共同确定c，根据土水特征曲线得到参数θ_irr、θ_sat、b、d，现场取样确定土的含水量θ，即可判断土体受外力后是否会破坏，包括以下步骤：

(1)、利用压力板试验测定参数θ_irr、θ_sat、b、d：

压力板仪如图2所示，压力室底部固定有密封支架，支架底部与压力室底部密封完好；支架上放置陶土板，陶土板透水不透气，陶土板周边与支架密封完好；试验前取质量为m_s的烘干土，配制含水量为θ₁的湿土，所加入水的质量为m_w＝m_s×θ₁；取配置好的湿土m，制成体积为V的试样，则其密度为ρ＝m/V，制成的试样中土颗粒的质量为m_s2＝ρV/(1+θ₁)，试样中水的质量为m_w2＝m_s2×θ₁，试样的孔隙比e＝G_sρ_w(1+θ₁)/ρ-1，其中G_s为土颗粒比重，ρ_w为水的密度，将试样进行饱和之后，试样的饱和含水量θ_sat＝e/G_s，此时试样中水的质量m_ws＝m_s2×θ_sat；

将饱和的试样放置于陶土板上，将压力室密封后向压力室中通气，压力室气压为u_a时就会排出试样中相应的水，水透过陶土板经过排水管排出，称量排出水的质量△w，就可以计算得到此时试样中的含水量θ＝(m_ws-△w)/m_s2；由于水透过陶土板后直接与大气相连，因此试样中的孔水压u_w为0，基质吸力S_c＝u_a-u_w＝u_a，逐渐增大气压u_a，便可得到含水量θ随基质吸力S_c变化的曲线，如图3所示，基质吸力增大到一定程度后，试样的含水量几乎不变，此时的含水量称为残余含水量θ_irr，将得到的曲线用拟合，便可得拟合参数b、d；

(2)、利用常规三轴仪测定参数总应力强度指标c、

同等条件下制备三个直径50mm、高100mm的圆柱试样，将其中一个饱和后放置于三轴仪中，施加围压σ₃₁固结试样，固结完毕后关闭三轴仪排水管路，开始施加轴向应力△σ，直到试样破坏，由此可得破坏时轴向应力σ₁₁＝σ₃₁+△σ，根据σ₃₁、σ₁₁画莫尔圆如图4所示；重新放置新的饱和试样，施加围压σ₃₂后重复以上步骤，从而得破坏时的轴向应力σ₁₂，并据此画莫尔圆；再重新放置新的饱和试样，施加围压σ₃₃，试验结束时得σ₁₃，并画莫尔圆；根据三个莫尔圆可得公切线，即强度线，进而可得切线的截距和斜率，而截距即为c，根据斜率可得

(3)、利用非饱和土直剪仪测定参数

根据式(5)可知，当不施加正应力σ于试样时，试样的强度可表示为

在非饱和直剪仪中放入饱和试样，在非饱和直剪仪压力室中加气压u_a，由于水路和大气联通，因此u_a-u_w＝u_a，在此情况下开始剪切，试样破坏时可得抗剪强度τ_f，增大u_a重复以上步骤，可得相应的抗剪强度，将τ_f与其对应的u_a＝u_a-u_w描在坐标系中，可得非饱和强度线，如图5所示，由该强度线即可得截距和斜率，而截距即为c，根据斜率得将此处得到的c值与步骤(2)中得到的c值平均，可作为式(10)中c的取值；

(4)、测定土体含水量θ，利用“土力学”确定土体的受力状态，即σ_z、σ₃的值：

从地基中取适量湿土，测定其质量为m，烘干后的质量为m_s，则其中所含水的质量为m_w＝m-m_s，从而可确定土体的含水量θ＝m_w/m_s，土体中任意深度z处的竖向应力σ_z＝γz+σ_p，而γ＝ρg，其中γ为土的重度(kN/m³)，ρ为土的密度(g/cm³)，g为重力加速度，σ_p为由上部建筑在z处产生的附加应力，而σ₃＝K₀γz，其中K₀为静止侧压力系数，由土的种类决定，可查《土力学》教材确定；

(5)、将土体所受到的小主应力σ₃代入公式：

求得土体处于临界破坏的极限状态时σ₁，当σ₁的理论值大于土体所受到的σ_z，则说明土体处于安全状态；当σ₁等于土体所受到的σ_z，则说明土体处于临界破坏的极限状态；当σ₁小于土体所受到的σ_z，说明土体已经破坏，从而判断出非饱和土受力后是否破坏。

本发明在经实地试验和应用，证明方法非常简单，易操作，效果好，有关情况如下：

如对某地非饱和粘性土，根据压力板试验测得以下四种参数值：θ_irr＝0.16，θ_sat＝0.42，b＝27kPa，d＝0.52，该粘性土处于饱和状态时，利用常规三轴仪测得总应力指标为：c＝20kPa，利用非饱和直剪仪测得c＝26kPa，将常规三轴仪和非饱和直剪仪测得的c值加和平均得c的最终取值为23。土体当前的体积含水量θ为0.27，受到的外荷载为σ₃＝50kPa、σ_z＝156kPa。

土体所受σ₃＝50kPa，当土体达到极限状态时根据式(10)计算得到的σ₁为219.8kPa，由于156<219.8，所以此时土体未达到极限状态，即土体不会破坏，与实地验证结果相符。

如对某地非饱和土，根据压力板试验测得以下四种参数值：θ_irr＝0.20，θ_sat＝0.38，b＝15kPa，d＝0.42，该粘性土处于饱和状态时，利用常规三轴仪测得总应力指标为：c＝26kPa，利用非饱和直剪仪测得c＝32kPa，将常规三轴仪和非饱和直剪仪测得的c值加和平均得c的最终取值为29。土体当前的体积含水量θ为0.31，受到的外荷载为σ₃＝65kPa、σ_z＝265kPa。

土体所受σ₃＝65kPa，当土体达到极限状态时根据式(10)计算得到的σ₁为247.3kPa，由于247.3<265，所以此时土体已经破坏，与实地验证结果相符。

在试验中，还经过对不同地点的不同土体按本发明方法进行多次反复试验和测定，并与实际验证，均取得了与实验验证相同或相近似的结果，表明方法稳定、可靠，准确率几乎达100％，而且工作效率高，具有很强的实际应用价值，为岩土施工建设提供强有力的技术支撑，经济和社会效益巨大。

Claims (2)

1.一种快速判断非饱和土受力后是否破坏的方法，其特征在于：根据非饱和土极限平衡条件的公式：

按下列步骤进行：

(1)、利用压力板仪确定参数θ_irr、θ_sat、b、d；

其中，θ_irr为残余含水量，θ_sat为饱和含水量，b、d为与土体性质有关的参数；

(2)、利用常规三轴仪确定参数总应力强度指标c、

(3)、利用非饱和直剪仪确定参数

其中，为与基质吸力(u_a-u_w)有关的内摩擦角，孔隙水压力u_w，孔隙内的气压力u_a，二者之差(u_a-u_w)；

(4)、测定土体含水量θ＝m_w/m_s(m_w为试样中水的质量，m_s为试样中土颗粒的质量)，利用“土力学”确定土体的受力状态，即σ_z、σ₃的值；

其中，σ₃为土体所真实受到的小主应力，σ_z为土体所真实受到的大主应力；

(5)、将土体所受到的小主应力σ₃代入公式：

求得土体处于临界破坏极限状态时的理论大主应力σ₁，当σ₁大于土体所受到的σ_z，则说明土体处于安全状态；当σ₁等于土体所受到的σ_z，则说明土体处于临界破坏极限状态；当σ₁小于土体所受到的σ_z，说明土体已经破坏，从而判断出非饱和土受力后是否破坏。

2.根据权利要求1所述的快速判断非饱和土受力后是否破坏的方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、首先建立非饱和土极限平衡条件的土体应力测定公式，方法是：

当土体受到荷载σ₁、σ₃作用处于临界破坏极限状态时，此时土中的应力有：粘聚力c’，孔隙水体内的孔隙水压力u_w，孔隙内的气压力u_a，二者之差(u_a-u_w)称为基质吸力S_c，土中与大主应力面、即与大主应力σ₁垂直的面夹角为α的斜面上的法向总应力σ和剪应力τ分别为：

法向总应力σ与孔气压u_a之差(σ-u_a)为法向有效应力，当非饱和土处于临界破坏极限状态时，土体中斜面上的剪应力达到土的抗剪强度，土体会延此斜面发生破坏，因此根据计算非饱和土抗剪强度τ_f的公式，即为Fredlund所提出的公式：

式中，—与法向有效应力(σ-u_a)有关的内摩擦角；

—与基质吸力(u_a-u_w)有关的内摩擦角；

当非饱和土接近饱和时，孔隙水压力u_w接近孔隙气压力u_a，因此基质吸力S_c＝(u_a-u_w)趋于零，式(3)中的基质吸力项消失，从而变为饱和土的强度公式：

式中的参数c’、针对饱和土通过三轴试验测得，而通过非饱和直剪仪测得，只要c’、和这三个参数确定，根据所受应力通过式(3)计算得到非饱和土的抗剪强度τ_f；

在实际工程中，土体中的孔气压和孔水压不容易测得，因此很难判断土体受力后是否会破坏，考虑到饱和土抗剪强度可表示为有效应力形式，或表示为总应力形式，即

式中，c、为总应力强度指标，通过室内饱和土三轴试验测定，因此式(3)用总应力的形式表示为：

虽然基质吸力S_c＝(u_a-u_w)不容易量测，但是土体的含水量易测，而且基质吸力与土体含水量θ之间存在以下关系：

式中，θ_irr—残余含水量；

θ_sat—饱和含水量；

b、d—与土体性质有关的参数；

以上四种参数通过开展室内压力板试验得到土水特征曲线而确定，基质吸力S_c由θ表示为：

因此，式(3)用总应力和含水量表示为：

即为以总应力和含水量表示的非饱和土抗剪强度公式；

当土体受σ₁、σ₃，达到临界破坏的极限状态时，土体中斜面上外力产生的剪应力等于该面上的抗剪强度，即

τ＝τ_f 式(9)

将式(1)代入式(8)，并与式(2)一起代入式(9)得

即非饱和土极限平衡条件公式为：

二、根据式(10)判断非饱和土受力后是否破坏，方法是：

当非饱和土若要达到临界破坏的极限状态时，σ₁、σ₃之间应该满足非饱和土极限平衡条件，即式(10)；利用式(10)判断土体受力后的状态，避免确定土体中的孔水压和孔气压，仅需要针对饱和土确定参数针对非饱和土确定针对饱和土、非饱和土共同确定c，根据土水特征曲线得到参数θ_irr、θ_sat、b、d，现场取样确定土的含水量θ，即可判断土体受外力后是否会破坏，包括以下步骤：

(1)、利用压力板试验测定参数θ_irr、θ_sat、b、d：

压力板仪是，压力室底部固定有密封支架，支架底部与压力室底部密封完好，支架上放置陶土板，陶土板透水不透气，陶土板周边与支架密封完好，试验前取质量为m_s的烘干土，配制含水量为θ₁的湿土，所加入水的质量为m_w＝m_s×θ₁，取配置好的湿土m，制成体积为V的试样，则其密度为ρ＝m/V，制成的试样中土颗粒的质量为m_s2＝ρV/(1+θ₁)，试样中水的质量为m_w2＝m_s2×θ₁，试样的孔隙比e＝G_sρ_w(1+θ₁)/ρ-1，其中G_s为土颗粒比重，ρ_w为水的密度，将试样进行饱和之后，试样的饱和含水量θ_sat＝e/G_s，此时试样中水的质量m_ws＝m_s2×θ_sat；

将饱和的试样放置于陶土板上，将压力室密封后向压力室中通气，压力室气压为u_a时就会排出试样中相应的水，水透过陶土板经过排水管排出，称量排出水的质量_△w，计算得到此时试样中的含水量θ＝(m_ws-_△w)/m_s2，由于水透过陶土板后直接与大气相连，因此试样中的孔水压u_w为0，基质吸力S_c＝u_a-u_w＝u_a，逐渐增大气压u_a，便可得到含水量θ随基质吸力S_c变化的曲线，基质吸力增大到一定程度后，试样的含水量几乎不变，此时的含水量称为残余含水量θ_irr，将得到的曲线用拟合，便可得拟合参数b、d；

(2)、利用常规三轴仪测定参数总应力强度指标c、

同等条件下制备三个直径50mm、高100mm的圆柱试样，将其中一个饱和后放置于三轴仪中，施加围压σ₃₁固结试样，固结完毕后关闭三轴仪排水管路，开始施加轴向应力_△σ，直到试样破坏，由此得破坏时轴向应力σ₁₁＝σ₃₁+_△σ，根据σ₃₁、σ₁₁画莫尔圆重新放置新的饱和试样，施加围压σ₃₂后重复以上步骤，从而得破坏时的轴向应力σ₁₂，并据此画莫尔圆；再重新放置新的饱和试样，施加围压σ₃₃，试验结束时得σ₁₃，并画莫尔圆，根据三个莫尔圆可得公切线，即强度线，进而可得切线的截距和斜率，而截距即为c，根据斜率可得

(3)、利用非饱和土直剪仪测定参数

根据式(5)可知，当不施加正应力σ于试样时，试样的强度可表示为

在非饱和直剪仪中放入饱和试样，在非饱和直剪仪压力室中加气压u_a，由于水路和大气联通，因此u_a-u_w＝u_a，在此情况下开始剪切，试样破坏时可得抗剪强度τ_f，增大u_a重复以上步骤，可得相应的抗剪强度，将τ_f与其对应的u_a＝u_a-u_w描在坐标系中，可得非饱和强度线；由该强度线即可得截距和斜率，而截距即为c，根据斜率得将此处得到的c值与步骤(2)中得到的c值平均，可作为式(10)中c的取值；

(4)、测定土体含水量θ，利用“土力学”确定土体的受力状态，即σ_z、σ₃的值：

从地基中取出湿土，测定其质量为m，烘干后的质量为m_s，则其中所含水的质量为m_w＝m-m_s，从而确定土体的含水量θ＝m_w/m_s，土体中任意深度z处的竖向应力σ_z＝γz+σ_p，而γ＝ρg，其中γ为土的重度(kN/m³)，ρ为土的密度(g/cm³)，g为重力加速度，σ_p为由上部建筑在z处产生的附加应力，σ₃＝K₀γz，其中K₀为静止侧压力系数，由土的种类决定，查《土力学》教材确定；

(5)、将土体所受到的小主应力σ₃代入公式：

求得土体处于临界破坏的极限状态时σ₁，当σ₁的理论值大于土体所受到的σ_z，表明土体处于安全状态；当σ₁等于土体所受到的σ_z，表明土体处于临界破坏的极限状态；当σ₁小于土体所受到的σ_z，表明土体已经破坏，从而判断出非饱和土受力后是否破坏。