原状非饱和黄土的三轴试验研究

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非饱和重塑黄土的三轴试验研究

５结语
（）本文根据工程基本情况和结构形式的分析，１阐述了在成都地铁膨胀岩土地层中采用结构简单、易于施工、占地少的桩板式ｕ型槽结构的优势。（）本文可为成都地铁和其它地下工程类似结构２的设计提供借鉴和参考。
参考文献：
［］混凝土结构设计规范（Ｂ０１２０）１Ｇ５００— ０２．北京：中国建筑工业出版社．
相应试样。试验在三轴仪上进行，采用固结不排水法，剪切速率为０１ｍｍｎ．８ｍ／ｉ，围压为１０００、２０和３０ｋａ０Ｐ。针对试样在剪切过程中不同的破坏形式，采
用不同的破坏标准：对于应变软化的试样，取峰值强度；对于应变硬化的试样，取轴向应变为１５％时对应的强度为破坏值。
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杨雪辉等：非饱和重塑黄的三轴试验研究
杨雪辉党进谦蒋仓兰
陕西杨凌７２０）１１０（西北农林科技大学水利与建筑工程学院
摘要通过不同初始干密度、含水率的非饱和重塑黄土的常规三轴试验，研究分析了初始条件对非饱和重塑黄土的强度及变形特性的影响。结果表明，试样的粘聚力与干密度呈指数关系，内摩擦角受干密度影响不大，初始干密度大的试样呈现出明显的剪胀现象；随着含水率的增大，粘聚力、内摩擦角均减小，体变剪缩性更明显。
关键词非饱和重塑黄土强度及变形特性
１前言
干密度
含水率
非饱和土的抗剪强度研究开展较早的是美国，以后有很多学者对这一课题进行了研究，具有代表性的有Ｂｓｏｉｐ和Ｆｅｌｄ的理论。由于非饱和土吸力的复ｈｒｄｕｎ杂性以及量测技术的限制，使得以上两种强度理论仍停留在试验室里，未被现场工程师采用。目前，已有很多人提出了新的计算非饱和土强度的公式：沈珠江…提出了广义吸力代替基质吸力的双线关系式；卢肇钧、徐永福、缪林昌等人提出了非饱和膨胀土的不同形式的强度公式，这些公式都反映了非饱和土强度变化的特性。但除缪林昌提出的理论外，其它都仍然涉及到了土体的吸力，它们提出的公式都是基于数学上的推导，并没有足够的试验数据来证明，因此仍不被应用于岩土工程实践中。因此，本文针对不同初始条件（密度、含水干率）下的非饱和重塑黄土的力学性质进行了常规三轴

黄土压缩特性试验分析

黄土压缩特性试验分析摘要：基于非饱和土力学理论，并考虑黄土结构性的影响，本文通过三轴剪切试验取得了原状黄土的压缩性随含水量的增加而增加的结论，确定了土体割线模量与含水量之间的定量关系。

关键词：非饱和土；湿陷性黄土；三轴剪切试验；割线模量；含水量中图分类号：c33 文献标识码：a 文章编号：1引言黄土属于粘性土类，但又与一般的粘性土有所不同。

黄土的变形是力与水对上共同作用的结果，其大小与应力状态和含水量密切相关。

本章对陕西西安原状黄土进行了增湿情况下的三轴压缩试验，通过对试验结果进行对比分析，总结出了黄土增湿过程中压缩性，也就是含水量与土体压缩模量之间的关系。

2试验用土的基本性质试验用的黄土，取自陕西西安市区，属于典型的q3黄土。

取土深度为1.5m~5.0 m，土体呈褐黄色，可塑状态，天然含水量为13.6% ~30.5%，天然密度为1.38~1.76g/cm3天然孔隙比为0.91~1.28，针状孔隙及大孔隙发育，含白色钙质条纹及个别小姜石。

27%＜wl＜34.7%, wp =18.2%，在天然含水量下，试验用土的孔隙比e＞1.0。

3试验内容本章对几组不同含水量的土样进行了固结压缩试验，对试验的结果进行了分析对比。

试验仪器：应变控制式三轴仪。

试样尺寸：三轴试样为直径39.1mm，高度为80mm。

试验准备阶段：选择合适量程的测力计；保证孔隙水压力测量系统内部的气泡完全排出；检查管路，保证无漏水、漏气现象发生；保证橡皮膜弹性状态完好，且并无破损。

4 试验成果分析4.1不同含水量下的压缩模量比较土的压缩模量是体现土体压缩特性的量化指标，它的定义是“土体在完全侧限条件下的竖向附加应力与相应的应变增量之比”。

但是，想要得到压缩试验结果的方法只有通过曲线或者曲线才行，而这两种方法均要受到土体初始孔隙比的影响。

因此，本文参考刘保健和张军丽通过对大量对比试验资料的分析，提出的割线模量es0的概念，并对其进行量化分析。

三轴剪切条件下黄土结构特征变化细观试验

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第２６卷
第１期
西
安科
技
大
学学报
Ｖｏ＿６Ｎｏ１ｌ２．
Ｍａ．２０ｒ０６
２Ｏ年ＸＩＡＮＵＮＩＶＥＲＳＴＹＣＩＩＯＦＳＥＮＣＡＮＤＴＥＥＣＨＮＯＬＸ￣（Ｙ
Ｍｉｒｓｏｃｅｐｒｍｅｎｄｒｔｉｘａｅｔｃｎｄｔｏｓｃｏｃｐｉｘｅｉｎｔｕｅｒａｉｌｔｓｏｉｉｎ
ｏｅｓｓｒｃｕｅｃａａｔｒｓｉｆｌｓｔｕｔｒｈｒｃｅｉｔｃｏ
ＷＡＮＧｈｏｙｎＺａ－ａｇ，ＮＩａ — ｕＵ — ｉ３ｎｋｉ，ＰＹｉｎＷｂ
ａｄｏｉｈｏｓｎｅｈｉｅｅｔｓａｅｒｂａｎｄ．ＰｒｈｇｓａｄｄｍａｅｐｏａａｉｎｎａＬｓｉｌｅｓｕｄｒｔｅｄｆｒｎｔｔｓｗｅｅｏｔｉｅｆｏｅｃａｅｎａｇｒｐｇｔｎｏｌｆｌｓｒｉｅａｏｓｗｅｅｇｖｎ．ｗｓｅｏ
土结构破坏全过程的细观损伤扩展规律的实时ＣＴ检测试验。通过试验，到了在荷载作用下得
兰黄土、离石黄土土体中孔隙被压密各个阶段清晰的ＣＴ照片及土样剪切过程中各阶段的口、数
据。并且对试验得到的ＣＴ数，Ｔ图像等试验结果进行了分析，到了原状黄土土体孔隙变化特性及Ｃ得原状黄土的土体损伤扩展的初步规律。关键词：土；Ｔ；伤；黄Ｃ损细观结构中图分类号：Ｕ４１３Ｔ１．文献标识码：Ａ

非饱和黄土强度特性的常规三轴试验研究

[收稿日期]2001-12-11;[修订日期]2002-01-11;[责任编辑]李石梦。

[第一作者简介]刘　春(1972年-),男,2000年毕业于兰州铁道学院,获硕士学位,现为中科院武汉岩土力学研究所博士研究生,主要研究方向为边坡工程中岩土体强度的研究。

岩土工程非饱和黄土强度特性的常规三轴试验研究刘　春1,丁　力2(1.中国科学院武汉岩土力学研究所,武汉　430071;2.兰州铁道学院土木工程学院,兰州　740073)[摘　要]以马兰黄土为例,对非饱和黄土的强度特性进行了常规三轴试验研究,根据试验结果,提出了非饱和黄土的吸力强度与饱和度之间的非线性关系表达式,并证实了非饱和黄土抗剪强度与含水量之间存在指数函数关系。

[关键词]非饱和黄土　常规三轴试验　吸力强度　非线性关系[中图分类号]T U 444　[文献标识码]A [文章编号]0495-5331(2002)05-0089-03 黄土是一种特殊的第四纪陆相松散堆积物,覆盖了我国西北、华北等地区64万km 2的疆土。

位于西北地区的马兰黄土,在干旱半干旱及地下水深埋条件下,常常处于非饱和状态。

非饱和黄土的强度特性较一般的粘性土更为复杂,其强度是黄土体抵抗剪切破坏能力的量度,也是黄土地基工程、边坡工程和洞室工程设计计算的重要参数。

在西部大开发战略实施中,基础设施建设、生态环境改善均与黄土密切联系。

因此研究非饱和黄土的强度特性极为重要。

1　非饱和土理论非饱和土的抗剪强度研究开展较早的是美国,以后有很多学者对这一课题进行了研究,具有代表性的有Bishop 和Fredlund 的理论[1]。

Bishop (1960)提出如下以有效应力表达的非饱和土抗剪强度公式:τf =c′+[(σ-u α)+x (u α-u w )]tan φ′(1)式中:c ′和φ′分别为有效粘聚力和有效内摩擦角;σ为总应力;u α为孔隙气压力;u w 为孔隙水压力;x 为有效应力参数。

非饱和黄土三轴剪切试验研究综述

些研究局限于毛细管的水流量，Ｏｓｔａｓｈｅｖ（１９３６）７Ｉ用上述国际会和土三轴仪，对试样进行了不同控制围压的三轴试验，试验中
议论文的毛细水流量的因素很多，包括孔隙水压力和毛细管对试样既不固结也不排气，试验结果得出了试样发生剪胀的现
应力公式，Ｃｒｏｎｅｙ等人（１９５８）提出一个公式＝一Ｕ；显的影响效果，且对本
Ｂｉｓｈｏｐ（１９５９）提出非饱和土的有效应力公式＝（）＋）（一），次试验中作者对试验所用的非饱和填土的强度表达式进行了发现与土壤性质和饱和度有关的参数是不确定的，随条件而确定，并确定了其中的强度参数。
文献标识码：Ａ
文章编号：２０９６—４３９０（２０１８）０９—００３８—０２
１概述
的，且土样的剪切强度在基质吸力不同但其他条件相同的情况
黄土作为填充材料，在施工中、渠道和固定的道路上随处可下，试验中采用了轴平移技术并在控制基质吸力的条件下进行
２．２国内研究状况国内的学者从二十世纪开始了对非饱和土的研究Ｈ＿圳，卢肇
甚至带来了巨大的损失。
钧（１９９７）对钙土和广西的红土进行了研究，运用应变控制式的
自２０世纪８０年代以来，土壤的非饱和特性越来越受到人直剪仪，对其进行了固结且慢剪的试验，采用增加荷载来保持

非饱和试验步骤-动三轴

非饱和土试验步骤1．控制器充排水：试验之前先将控制器中的水排出一部分然后再吸水，确保控制器中水装满2/3且无气泡；2．饱和陶土板:：施加不超过50kPa的反压，打开孔压传感器端阀门，排出管路和底座内部的气泡，然后关闭阀门，当发现陶土板上表面完全被水覆盖表明陶土板基本饱和；3．安装试样：安装试样时小心土颗粒，特别是砂子掉入压力时内部，安装试样尽量采用三半模以减小对试样的扰动；4．内压力室和参照管注水：试样装好之后安装内压力室，将差压传感器的两根管道分别与内压力室和参照管相连，给内压力室和参照管注水，打开湿湿差压传感器上部的堵头，排出管路中的气泡，气泡排完后保证参照管水位大约在2/3位置，内压力室水位在细管中间位置；5．安装外压力室：安装压力室之前确保轴向力传感器处于最上位置，安放压力室时观察拉伸帽是否压住试样，螺栓需要对称拧紧；6．荷重传感器清零：通过软件对力传感器清零；7．调接触：调节荷重传感器位置，观察荷重传感器读数，当读数达到0.005左右时锁紧轴向加载杆；8．压力室充水：打开压力室顶部排气孔的堵头，打开进水阀门给压力室注水，装满之后关闭进水阀门和排气孔的堵头；9．加压检查：通过电脑施加20kPa围压，观察压力室是否漏水，观察孔压传感器读数是否迅速上升到与围压值相等，如果相等则橡皮膜破裂；10.吸力平衡：吸力平衡阶段主要的目的是给试样施加一个基质吸力让试样由饱和状态变成非饱和状态。

为了保护设备并让试样与压力杆接触，在设置压力时应该遵循一个原则：轴向压力>径向压力>孔隙气压>反压；11.等吸力固结：等吸力固结也采用应力控制模块。

等吸力固结时反压和孔隙气压保持不变，同步增大围压和轴向压力，过观察反压体积是否稳定来判断固结是否完成；12.等吸力剪切：剪切包括应力控制和应变控制。

剪切过程一定要比较缓慢避免孔隙水压力发生较大变化；13.压力卸载：试验完成之后要卸载压力，卸载压力时应该按照由内向外的一个原则，即卸载压力的顺序是反压、孔隙气压、轴压和围压(注意轴压采用体积清零进行卸载)。

非饱和重塑黄土强度特性的试验研究的开题报告

非饱和重塑黄土强度特性的试验研究的开题报告题目：非饱和重塑黄土强度特性的试验研究一、研究背景和意义黄土地区是我国重要的构造地质单元，主要由黄土、砂岩、泥岩等岩石组成。

非饱和状态是黄土地区典型的地下水特征，同时也是黄土在工程中最常见的状态。

因此，研究非饱和重塑黄土的力学性质具有重要的理论意义和实际应用价值。

当前，国内外学者已开展了大量研究工作，但由于实验条件和实验方法的限制，许多研究结果存在争议，而且缺乏系统性分析和比较。

因此，本研究将探讨非饱和状态对重塑黄土力学特性的影响，以期提高对黄土工程的认识和应用。

二、研究内容和方法本研究将从以下两个方面进行探讨：1.非饱和重塑黄土强度特性采用三轴试验仪进行试验，测试非饱和状态下黄土的抗剪强度、压缩模量、剪切模量等力学参数，并分析非饱和状态对黄土力学特性的影响规律。

2.室内模拟非饱和状态下黄土的工程特性通过室内模拟试验，模拟钻孔与灌注桩施工过程中非饱和状态下黄土的工程特性，包括孔壁稳定性、土体稳定性、孔隙水压力变化等，以深入了解塑性黄土在非饱和状态下的力学行为规律。

三、预期结果本研究将获得如下预期结果：1.掌握非饱和状态对重塑黄土的力学特性的影响规律；2.分析非饱和状态对黄土抗剪强度的影响；3.分析非饱和状态下黄土的压缩、剪切模量等力学参数的变化规律；4.模拟钻孔与灌注桩施工过程中非饱和状态下黄土的力学行为规律，以提高黄土工程的设计水平。

四、研究计划和进度安排本研究的计划和进度安排如下：1.综述分析研究前期，对黄土地区非饱和状态和力学行为的研究进展进行综述分析，包括非饱和状态的定义、黄土力学行为的基本原理等。

2.试验设计根据前期综述分析，设计三轴试验方案，测试非饱和状态下黄土的强度特性，并设计室内模拟试验方案，模拟钻孔与灌注桩施工过程中的非饱和状态。

3.试验实施按照设计方案进行三轴试验和室内模拟试验，收集试验数据。

4.试验结果分析对试验数据进行统计分析，并分析非饱和状态对黄土力学特性的影响。

非饱和土真三轴试验研究进展_张常光

第36卷第4期力学与实践2014年8月非饱和土真三轴试验研究进展1)张常光2)赵均海陈新栋朱东辉(长安大学建筑工程学院，西安710061)摘要研究非饱和土的强度是非饱和土理论及其工程应用的首要问题，但因复杂应力状态下基质吸力的控制技术、量测技术和吸力平衡时间等原因，非饱和土真三轴试验研究的进展迟缓.在介绍非饱和土刚性真三轴仪、柔性真三轴仪和刚柔复合型真三轴仪的基础上，重点分析已有非饱和土刚性和柔性真三轴试验结果，总结现有非饱和土真三轴仪及其试验研究的不足，同时指出Mohr--Coulomb强度准则和外接圆Drucker--Prager准则对非饱和土真三轴试验结果的不适用性.应开展更多不同种类非饱和土的完整真三轴试验研究，特别是非饱和黏性土；应结合非饱和土的应力状态变量和强度特性，建立符合工程实际受力状况的非饱和土真三轴强度准则，完善非饱和土的理论基础.关键词非饱和土,真三轴试验,中间主应力,基质吸力,净平均主应力中图分类号：TU432文献标识码：A doi：10.6052/1000-0879-13-110ADV ANCES IN TRUE TRIAXIAL TEST OF UNSATURATED SOILS1)ZHANG Changguang2)ZHAO Junhai CHEN Xindong ZHU Donghui(School of Civil Engineering,Chang’an University,Xi’an710061,China)Abstract The unsaturated soil strength is the most important issue in the unsaturated soil theory and its engineering applications.But advances in the true triaxial tests of the unsaturated soils have been very slow due to the control-measurement technique and the balance time of the matric suction under complex stress states. This paper brieﬂy reviews the rigid andﬂexible and compound true triaxial apparatuses and the existing true triaxial tests for the unsaturated soils.It is shown that both Mohr--Coulomb and circumscribed Drucker--Prager strength criteria are not valid for the true triaxial tests of the unsaturated soils.Diﬀerent types of true triaxial tests should be conducted,particularly,for non-saturated clays.In order to improve the theoretical basis for the study of the unsaturated soils,a true triaxial strength criterion of the unsaturated soils in accordance with the actual stress conditions in theﬁeld should be established,based on the stress state variables and the strength characteristics of the unsaturated soils.Key words unsaturated soils,true triaxial test,intermediate principal stress,matric suction,mean net prin-cipal stress引言非饱和土分布十分广泛，含水量或饱和度的变化常使其工程性质发生重大变化[1].大部分岩土问题都会涉及土的强度，研究非饱和土的强度是非饱和土理论及其工程应用的首要问题.同时，量测和研本文于2013–03–25收到.1)国家自然科学基金项目(41202191),中国博士后科学基金项目(2012M520079,2013T60868),高等学校博士学科点专项科研基金项目(20120205120001),长安大学国家级大学生创新训练计划项目(201210710104),陕西省自然科学基金项目(2014JQ7290)和长安大学中央高校基本科研业务费专项基金项目(2013G2283007,2014G1281072)资助.2)张常光，1982年生,男,博士,副教授,主要从事非饱和土与结构强度理论等研究.E-mail:zcg1016@414力学与实践2014年第36卷究土单元在三维应力状态下的应力--应变--强度特性具有理论和实践意义，真三轴仪的设计与试验研究一直是一个活跃并且具有挑战性的研究领域[2].试验土样通常是边长为70mm(或更大)的立方体(或长方体)，真三轴仪的基本要求是对土样施加3对独立的主应力，使土样产生均匀的应力和应变.但因复杂应力状态下基质吸力的控制技术、量测技术和吸力平衡时间等原因，当前对非饱和土进行试验研究最多的仍是常规三轴压缩试验[3-10]，即试样处于σ1>σ2=σ3的常规三轴对称特殊应力状态(σ1，σ2和σ3分别为第1(大)、第2(中间)和第3(小)主应力)，难以反映实际工程中非饱和土所处的真实复杂应力状态和强度特性.非饱和土真三轴试验研究的进展迟缓，至今国内外也仅有少数几家单位开展了非饱和土真三轴仪的研制与试验工作.最具代表性的非饱和土真三轴仪为：Matsuoka 等[11]研制的刚性非饱和土真三轴仪，Macari 等[12]和Hoyos 等[13-17]研制的柔性非饱和土真三轴仪，邢义川等[18]以及邵生俊等[19-21]分别研制的刚柔复合型非饱和土真三轴仪.他们利用自己的非饱和土真三轴仪，分别开拓性地进行了控制基质吸力的非饱和粉砂和控制围压的非饱和黄土的真三轴试验研究.本文在介绍非饱和土刚性、柔性以及刚柔复合型真三轴仪的基础上，着重分析已有非饱和土刚性和柔性真三轴试验结果，总结现有非饱和土真三轴仪及其试验研究的不足，同时指出Mohr--Coulomb (M--C)强度准则和外接圆Drucker--Prager (D--P)准则对非饱和土真三轴试验结果的不适用性，为非饱和土真三轴试验研究及理论分析指明方向.1非饱和土真三轴仪1.1刚性真三轴仪Matsuoka 等[11]在砂性土真三轴仪的基础上，改进控制基质吸力的试验装置，成功研制了非饱和土真三轴仪，采用6块滑动的刚性板进行加载，故称为刚性真三轴仪，试验装置如图1所示，上下加载板分别装有两块进气值为300kPa 的高进气陶瓷板.这种刚性真三轴仪只能采用高进气陶瓷板直接量测基质吸力(u a −u w )(u a 为孔隙气压力，u w 为孔隙水压力)，即负u w 法(u a =0，u w <0)，不能控制孔隙气压力u a .另外，因刚性加载板之间的相关干扰，此刚性真三轴仪只能进行应力Lode 角θσ在0◦∼30◦范围内的真三轴试验(θσ=arctan √3(σ2−σ3)/(2σ1−σ2−σ3) ).图1刚性真三轴仪[11]1.2柔性真三轴仪Hoyos 等[13,15]研制的非饱和土真三轴仪，如图2所示，其顶部和侧向共5个柔性橡胶加载板，底部为刚性支座，故称为柔性真三轴仪，下部加载板装有一块高进气陶瓷板.柔性加载板利用橡胶囊里的液体或气体，可对非饱和土样施加3个直角方向的力.试验中采用轴平移技术量测基质吸力(u a −u w )，可分别独立控制孔隙气压力u a 和孔隙水压力u w ，并能实现较大范围的基质吸力.1.3刚柔复合型真三轴仪邵生俊等[19]研制的非饱和土真三轴仪，如图3所示，其轴向采用刚性板加载、侧向双轴采用液压柔性囊加载，故称为刚柔复合型真三轴仪.压力室侧向双轴相邻液压囊之间采用径向弹性收缩、平面弹性转动的薄壁钢板有效隔离技术，真正实现了三第4期张常光等：非饱和土真三轴试验研究进展415图2柔性真三轴仪[15]图3刚柔复合型真三轴仪[19]向独立加载和互不干扰.与柔性真三轴仪一样，同样采用轴平移技术量测基质吸力(u a−u w)，但其可控制的基质吸力范围有限.2非饱和土真三轴试验由刚柔复合型真三轴仪所得不同固结围压下不同中间主应力比的非饱和黄土真三轴试验[18-21]，并不能获得同一平均净主应力σoct下的π平面极限线；另外，其试验控制与结果分析均采用总应力法，未反映基质吸力的增强作用.因此，下面仅对现有刚性真三轴仪和柔性真三轴仪的试验结果进行分析与比较.2.1刚性真三轴试验Matsuoka等[11]的真三轴试验为：试件为10cm×10cm×10cm的立方体，试验土样为击实粉砂，其重力含水量w=17%，初始孔隙比e0=0.98，土粒的相对密度G s=2.65，对应饱和土的有效黏聚力c 和有效内摩擦角ϕ 分别为0kPa和33◦.试验基质吸力(u a−u w)控制为59kPa，平均净主应力σoct=(σ1+σ2+σ3)/3−u a=98kPa，对应的吸附强度c s=32kPa.试验的应力路径ABCDE[11]，如图4所示，所有试样均从同一初始状态A开始，E 为破坏点，由最大应力比确定破坏状态.试验采用应力控制加载，共分10步.图4刚性真三轴仪试验的应力路径[11]共进行同一π平面上的3类排水试验[11]: (1)用刚性真三轴仪进行应力Lode角θσ分别为0◦，7.5◦，15◦，22.5◦和30◦的真三轴试验；(2)调整中间主应力σ2和第3主应力σ3使中间主应变ε2<0.01%，以进行平面应变试验；(3)用常规三轴仪进行应力Lode角θσ=60◦的三轴拉伸试验.将这3类试验结果置于平均净主应力σoct=98kPa的π平面内，如图5所示，并将M--C强度准则和外接圆D--P准则的预测结果也一并标于图中.图中黑色实心符号代表不同应力Lode角下的真三轴试验(包括应力Lode角θσ=0◦的常规三轴压缩试验)、半416力学与实践2014年第36卷图5非饱和土刚性真三轴试验结果黑半白下三角代表平面应变试验，白色空心圆圈代表常规三轴拉伸试验.由图5可以看出：(1)不同应力Lode 角θσ下非饱和土的强度差异显著，反映了净中间主应力(σ2−u a )对强度的增强作用，并且影响具有区间性，随着净中间主应力(σ2−u a )的增大，强度先增大后减小，在常规三轴拉伸时(θσ=60◦)强度最低.(2)M--C 强度准则的预测结果较试验值偏小，不能真实反映三向不等应力条件下非饱和土的强度特性，难以充分发挥非饱和土的强度潜能，基于此的设计偏保守.(3)外接圆D--P 准则不能反映不同应力Lode 角θσ下的强度差异，且预测强度明显偏大，基于此的设计将不安全，不能直接用于工程设计.2.2柔性真三轴试验Macari 等[12]的真三轴试验为：试件为10cm ×10cm ×10cm 的立方体，试验土样同样为击实粉砂，其液限w L =28%，塑限w P =24%，初始孔隙比e 0=0.98，平均干重度γd =10.8kN/m 3，饱和度S =48%.试验采用多级加载法，共进行3组不同平均净主应力σoct 下的柔性真三轴试验，每组平均净主应力σoct 又对应3个不同的基质吸力(u a −u w ).所有试样均始于同一初始状态，共采用3个非饱和土试样，分别对应常规三轴压缩、纯剪切和常规三轴拉伸3种试验，对应的应力Lode 角θσ分别为0◦，30◦和60◦，每个试样都进行了9级试验，故共得27个非饱和土试验数据，其应力路径如图6所示.破坏状态由试验的八面体剪应力峰值确定[12]，亦采用应力控制加载.图6柔性真三轴仪多级试验的应力路径[12]第4期张常光等：非饱和土真三轴试验研究进展417将27个试验数据按平均净主应力σoct 分为3个组，每组又根据基质吸力(u a −uw )分为3个不同的试验条件，整理试验结果如图7∼图9所示.由图7∼图9可以看出：(1)极限线范围随着基质吸力(u a −u w )和平均净主应力σoct 的增加而不断扩大，这说明基质吸力和平均净主应力对非饱和土的强度有着重要影响.(2)纯剪切条件下非饱和土的强度高于M--C 强度准则基于常规三轴试验的图7非饱和土柔性真三轴试验结果(σoct =50kPa)图8非饱和土柔性真三轴试验结果(σoct =100kPa)图9非饱和土柔性真三轴试验结果(σoct =200kPa)418力学与实践2014年第36卷预测结果，即M--C强度准则不能真实反映纯剪切条件下非饱和土的强度特性，且二者之间的差异随着基质吸力和平均净主应力的增加而不断增大.(3)外接圆D--P准则预测强度明显偏大，特别是应力Lode角θσ=60◦时的常规三轴拉伸强度，其次为应力Lode角θσ=30◦时的纯剪切强度；和M--C 强度准则一样，随着基质吸力和平均净主应力的增加，外接圆D--P准则预测值和试验值之间的差异也越来越大，这都表明强度准则的适用性与基质吸力和平均净主应力的大小密切相关.究其原因：M--C强度准则只考虑了作用于单元体上的2个主应力σ1和σ3，没有考虑中间主应力σ2的影响，仅适用于常规三轴对称压缩条件下的特殊应力状态，计算结果偏保守.外接圆D--P准则是广义Mises准则的一种，考虑了中间主应力σ2的影响，并认为中间主应力σ2对材料强度的影响和小主应力σ3一样，夸大了中间主应力σ2的作用，计算结果偏危险，且外接圆D--P准则没有考虑岩土类材料的拉压异性，不能区分拉伸子午线与压缩子午线的差别.3现有研究不足3.1现有真三轴仪研制的不足研制非饱和土真三轴仪的最大困难在于孔隙气压力u a和孔隙水压力u w的控制和量测技术，柔性真三轴仪相比刚性真三轴仪有所改进.但这两种真三轴仪都还有些明显的不足[15]：(1)刚性加载板易腐蚀，堵塞高进气陶瓷板，影响孔隙气压力u a的控制；(2)橡胶柔性加载板的耐久性很差，特别是长时间与28◦C∼38◦C的液体接触时；(3)不能控制非饱和土中孔隙水的温度，影响基质吸力的平衡时间；(4)只能采用应力加载控制，在接近强度峰值时需特别小心；(5)不能量测孔隙气和孔隙水的体积变化，难以全面评价真三向应力下非饱和土的变形特性.Hoyos等[14,16-17]对上述不足进行了部分改进，研制了新型柔性真三轴仪，但其基本原理没有变化.非饱和土刚柔复合型真三轴仪除了以上不足之外，还有[19,21]：仪器较大不灵活，操作较复杂，以致预定的复杂应力路径难以实现；边界附近的不均匀应力和应变难以消除；只能实现较小基质吸力(最大200kPa)和较小净应力(最大70kPa)下的真三轴试验.3.2现有真三轴试验研究的不足刚性真三轴试验研究的不足：(1)难以进行应力Lode角θσ>30◦的真三轴试验，这是因为采用刚性加载板，当应力Lode角θσ>30◦时，主应力σ1和σ2方向的加载板会相互碰撞干扰，难以获得理想的试验结果.(2)应力Lode角θσ=7.5◦(图中以黑色实心菱形表示)的试验数据可能存在问题，它落在外接圆D--P准则预测结果的外侧，这与宏观连续各向同性岩土材料的屈服面外凸性相悖.(3)只进行了一组平均净主应力σoct=98kPa时的真三轴试验和平面应变试验，需要进行多组不同平均净主应力σoct下的真三轴试验研究，以便确定非饱和土的空间三维极限面和更全面的真三轴强度准则试验验证.(4)基质吸力也只控制为59kPa一组，需要进行多组不同基质吸力下的真三轴试验研究，以便研究复杂应力状态下基质吸力对非饱和土强度的影响特性.利用柔性真三轴仪所进行的试验研究相比采用刚性真三轴仪所进行的试验研究，有了不少的改进，拓展了不同基质吸力和不同平均净主应力下非饱和土极限面的空间三维变化，揭示了基质吸力和平均净主应力对非饱和土强度的增强作用，但柔性真三轴试验只进行了常规三轴压缩、纯剪切和常规三轴拉伸3种试验，应开展更多应力Lode角θσ下的真三轴试验，以便更加全面地建立和验证非饱和土真三轴强度准则的合理性和适用性.因粉砂的基质吸力平衡时间相对较短，同时基质吸力的控制和量测也较容易，真三轴试验比较易于实现，所以刚性和柔性真三轴试验都不约而同地选择了击实粉砂作为试验土样，应扩大更多不同种类非饱和土的真三轴试验研究，特别是非饱和黏性土.另外，采用总应力法进行的非饱和黄土真三轴试验，实际上只是恒定第3主应力σ3下的中间主应力效应试验，不能获得同一平均净主应力σoct下的π平面极限线，难以对真三轴强度准则的合理性做出全面的评价.应借鉴已有刚性和柔性真三轴仪的试验架构，改进和拓展刚柔复合型真三轴仪的参数控制、加载路径和适用范围.4展望由于非饱和土成分组成以及参数控制与测试的复杂性，以致非饱和土真三轴试验研究的进展迟缓，以下科学问题还待进一步深入研究：第4期张常光等：非饱和土真三轴试验研究进展419(1)现有非饱和土刚性、柔性和刚柔复合型真三轴仪都有各自的优点和不足，应相互借鉴，弥补各自的不足，改进和拓展已有非饱和土真三轴仪的参数控制、加载路径和适用范围，甚至直接研制全新的非饱和土真三轴仪，这是非饱和土真三轴试验研究的关键.(2)更多不同种类的非饱和土，特别是非饱和黏性土，在应力Lode角的整个60◦范围内，不同平均净主应力σoct、不同基质吸力(u a−u w)下的真三轴试验研究，以便全面评价非饱和土的空间三维强度特性，建立并验证复杂应力状态下非饱和土的真三轴强度准则.(3)Mohr--Coulomb强度准则和外接圆Drucker--Prager准则对非饱和土真三轴试验结果均不适用，可以尝试结合非饱和土的应力状态变量和强度特性，发展并建立符合工程实际受力状况的非饱和土真三轴强度准则，完善非饱和土的理论基础，并加快非饱和土强度理论的工程应用进程[22-25].参考文献1Fredlund DG,Rahardjo H.Soil Mechanics for Unsaturated Soils.New York:John Wiley and Sons,lnc.,19932殷建华,周万欢,Kumruzzaman M等.新型混合边界真三轴仪加载装置及岩土材料试验结果.岩土工程学报,2010,32(4): 493-4993Bishop AW,Blight GE.Some aspects of eﬀective stress in saturated and partly saturated soils.Geotechique,1963, 13(3):177-1974Fredlund DG,Morgenstem NR,Widger RA.The shear strength of unsaturated soils.Canadian Geotechnical Jour-nal,1978,15(3):313-3215Vanapalli SK,Fredlund DG,Pufahl DE,et al.Model for the prediction of shear strength with respect to soil suction.Canadian Geotechnical Journal,1996,33(3):379-3926Khalili N,Khabbaz MH.A unique relationship forχfor the determination of the shear strength of unsaturated soils.Geotechnique,1998,48(5):681-6877Miao LC,Yin ZZ,Liu SY.Empirical function represent-ing the shear strength of unsaturated soils.Geotechnical Testing Journal,2001,24(2):220-2238Vilar OM.A simpliﬁed procedure to estimate the shear strength envelope of unsaturated soils.Canadian Geotech-nical Journal,2006,43(10):1088-10959Hossain MA,Yin JH.Behavior of a compacted completely decomposed granite soil from suction controlled direct shear tests.Journal of Geotechnical and GeoenvironmentalEngineering,2010,136(1):189-19810Hossain MA,Yin JH.Shear strength and dilative character-istics of an unsaturated compacted completely decomposed granite soil.Canadian Geotechnical Journal,2010,47(10): 1112-112611Matsuoka H,Sun DA,Kogane A,et al.Stress--strain be-haviour of unsaturated soil in true triaxial tests.Canadian Geotechnical Journal,2002,39(3):608-61912Macari EJ,Hoyos LR.Mechanical behavior of an unsat-urated soil under multi-axial stress states.Geotechnical Testing Journal,2001,24(1):14-2213Hoyos LR,Macari EJ.Development of a stress/suction-controlled true triaxial testing device for unsaturated soils.Geotechnical Testing Journal,2001,24(1):5-1314Hoyos LR,Laikram A,Puppala AJ.A novel true triax-ial apparatus for testing unsaturated soils under suction-controlled multi-axial stress states.The16th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineer-ing,Osaka,Japan,200515Hoyos LR,Laloui L,Vassallo R.Mechanical testing in un-saturated soils.Geotechnical and Geological Engineering, 2008,26(6):675-68916Hoyos LR,Perez-Ruiz DD,Puppala AJ.Modeling unsat-urated soil behavior under multiaxial stress paths usinga reﬁned suction-controlled cubical test cell.GeoShang-hai2010International Conference—Experimental and Ap-plied Modeling of Unsaturated Soils(GSP202),Shanghai, China,201017Hoyos LR,Perez-Ruiz DD,Puppala AJ.Reﬁned true tri-axial apparatus for testing unsaturated soils under suction-controlled stress paths.International Journal of Geome-chanics,2012,12(3):281-29118邢义川,谢定义,汪小刚等.非饱和黄土的三维有效应力.岩土工程学报,2003,25(3):288-29319邵生俊,罗爱忠,邓国华等.一种新型真三轴仪的研制与开发.岩土工程学报,2009,31(8):1172-117920于清高,邵生俊,佘芳涛等.真三轴条件下Q2黄土的破坏模式与强度特性研究.岩土力学,2010,31(1):66-7021石建刚,邵生俊,陶虎等.非饱和土的真三轴试验及强度变形特性分析.岩土工程学报,2011,33(S1):85-9022张常光,张庆贺,赵均海.非饱和土抗剪强度及土压力统一解.岩土力学,2010,31(6):1871-187623张常光,曾开华,赵均海.非饱和土临界荷载和太沙基极限承载力解析解.同济大学学报(自然科学版),2010,38(12):1736-174024张常光,胡云世,赵均海.平面应变条件下非饱和土抗剪强度统一解及其应用.岩土工程学报,2011,33(1):32-3725Zhang CG,Zhao JH,Zhang QH,et al.Uniﬁed solu-tions for unsaturated soil shear strength and active earth pressure.GeoShanghai2010International Conference—Experimental and Applied Modeling of Unsaturated Soils (GSP202),Shanghai,China,2010(责任编辑:胡漫)。

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收稿日期：2007-09-10 基金项目：中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学重点实验室开放课题资助项目（No. 110501）；河南省教育厅自然科学研究基金资助项目
（No. 2006410001）。作者简介：李永乐，男，1957 年生，博士，教授，主要从事岩土工程、水文学及水资源、环境科学研究工作。E-mail: liyongle@
(1.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China; 2.North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Zhengzhou 450008, China)
（3）仪器自动记录初始围压（10～20 kPa）、某一含水量条件下的基质吸力。
（4）将体变传感器清 0，调整围压在 100 kPa 左右，调整孔隙气压使测得的孔隙水压在 0 kPa 左右，点击“开始记录”键后开始试验。试验中控制围压在 100 kPa 左右，进行固结，稳定 48 h。同时，仪器自动记录该围压条件下的基质吸力。
3 非饱和黄土的土-水特征曲线
3.1 不同围压下非饱和黄土的土-水特征曲线实践证明，在非饱和土中存在基质吸力[2]（主
要是毛细吸力），基质吸力的存在，使得非饱和土中具有负的孔隙水压力，从而导致非饱和土的强度大于饱和土的强度。然而，基质吸力是一个变量，随土体颗粒的大小以及含水率的不同而有很大的差别，从而使得非饱和土在土体性质和工程性状上与饱和土存在着根本差异，其工程性质远比饱和土复杂。以前，对土-水特征曲线的研究主要是采用间接推求法求得[2－4]。近几年随着科学的进步，不少学者采用仪器对扰动非饱和土的土-水特性进行了直接试验和模型研究[5－7]，取得了理想的效果。
4 非饱和黄土的强度特征
非饱和土强度试验也有不少成果，李永乐等对黄河大堤非饱和土进行了扰动土样非饱和试验[8]，孟黔灵，姚海林对吸力与非饱和土抗剪强度的关系进行了初步研究[9]，本次试验则是对原状非饱和黄土强度特征进行研究。 4.1 不同含水量的应力应变曲线图
依据本次试验数据，绘制不同含水量的应力应变曲线如图 7～图 10。
本次研究是对保持原始状态的非饱和黄土的土水特性进行研究，根据试验结果绘出不同围压下的体积含水量（初始）与基质吸力之间的变化关系如图 2～图 5。各体积含水量下的围压-基质吸力曲线如图 6 所示。 3.2 试验结果分析
从土-水特征曲线（图 2～5）可以看出：（1）在某一围压下，原状非饱和黄土的基质吸力随着含水量的减少而增加，含水量越小，基质吸力就越大。反之，含水量越大，基质吸力就越小，当含水量达到饱和时，基质吸力减少为 0。（2）在自然界，土
随着含水量的变化规律，具有重要的理论意义和实用价值。
2 原状非饱和黄土的试验研究
2.1 试验装置试验是在改进的 FSY—I 型非饱和土三轴仪[1]
上进行的。非饱和土三轴仪主要有以下几部分组成： ①加压系统，由内外压力室（见图 1）、管路、轴压加压装置、围压加压装置组成，主要用于施加围压和轴压；②吸力控制系统，它是通过分别控制孔
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图 3 200 kPa 围压下的体积含水量-基质吸力曲线图 Fig.3 Test and simulated curve of water content- matric
suction under 200 kPa of surrounding press
壤的含水量变化（变干或变湿）是连续的，因此，基质吸力的变化也是连续的，非饱和土在任何含水量下都存在基质吸力。（3）从不同含水量条件下围压与基质吸力之间的关系曲线（见图 6）可以看出：基质吸力随着围压的增加而减少。
1概述
黄土地区地下水位埋藏较深，因此黄土多处于非饱和状态。处于非饱和状态的黄土我们称之为非饱和黄土。工程实践表明：黄土在非饱和状态时强度较高，特别是黄土地区的边坡在干旱季节具有很高的稳定性。然而，随着降雨的入渗，含水率的增加，其强度、稳定性逐渐降低，甚至滑动，从而为黄土地区的工程建设带来了巨大的隐患。因此，研究非饱和黄土的工程特性，特别是非饱和黄土强度
（5）开始进行剪切，一般轴向应变速率为 0.008 mm/min，直到应力-应变曲线出现峰值。
（6）施加下一级荷载，重复上述步骤进行下一级荷载条件下的非饱和土强度试验。本次试验中 4
级围压分别为 100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa。本试验的方法过程和饱和土的《一个试样多级加荷三轴剪切试验》[1] 相类似。所不同的是，在试验过程中试样始终处于非饱和状态，在土颗粒之间的空隙中气相占主要部分，因此当试样固结时，首先压缩气相，同时由于试样底部的陶瓷板渗透性能较低（渗透系数为 1.73×10-7 cm/s），因此试验前后试样的含水量变化不大，其差值小于 2 %，因此在试验资料整理中含水量采用初始含水量。
2860
岩土力学
2008 年
隙气压和孔隙水压来实现的；③量测系统，测量轴向压力和体积变化等。
图 1 测量土水特性的三轴压力室剖面图 Fig.1 Triaxial chamber for soil-water characteristics test
2.2 试件的配制野外采取土样，测得其天然含水量为 14.6 %，
第 29 卷第 10 期 2008 年 10 月
文章编号：1000－7598－(2008) 10－2859－05
岩土力学 Rock and Soil Mechanics
Vol.29 No.10 Oct. 2008
原状非饱和黄土的三轴试验研究
李永乐 1, 2，张红芬 2，佘小光 3，侯进凯 2，杨利乐 2
Abstract: With triaxial apparatus specially made for unsaturated soil, the tests of shear strength and soil-water characteristic curve of unsaturated loess under different water contents are performed. The test data show that the shear strength of unsaturated is bigger than that of saturated loess; and it decreases with increasing water contents and lessening matric suction, and vice versa. The shear strength of unsaturated loess will be close to that of saturated loess when water content is saturated. The internal friction angle changes little while water contents change, but the total cohesions change greatly under different water contents. The loess has smaller matric suction and total cohesions at high water contents. According to the results, the model of shear strength of unsaturated loess is proposed. The parameters can be derived easily. The error is small, and the model meets the requirement of calculation of sheer strength of unsaturated loess. Key words: unsaturated loess; matric suction; triaxial test; shear strength; soil water characteristic curve
图 2 100 kPa 围压下的体积含水量-基质吸力曲线图 Fig.2 Test and simulated curve of water content- matric
suction under 100 kPa of surrounding press
第 10 期
李永乐等：原状非饱和黄土的三轴试验研究
Байду номын сангаас
图 5 400 kPa 围压下的体积含水量-基质吸力曲线图 Fig.5 Test and simulated curve of water content-matric
小。含水量趋于饱和时，非饱和黄土的抗剪强度值逐渐接近于饱和黄土的强度值。原状非饱和黄土的抗剪强度均高于饱和黄
土的抗剪强度。非饱和黄土的内摩擦角受含水量的影响不大。凝聚力受含水量的影响很大，含水率越大，基质吸力越小，总
凝聚力越小。根据实验结果，提出了非饱和土的抗剪强度模型，该模型易于确定，与实测基本吻合，误差较小，满足非饱和
（1）试验前用蒸馏水饱和陶土板。然后用橡皮膜将制备好的土样进行封装，装入压力室内，在压力室中注满蒸馏水，排除空气气泡后，封闭压力室。
（2）对压力室下的螺旋形槽进行排气后，开启采集数据设备并进行参数清 0 后，施加 10～20 kPa 的围压对试样进行预压，待体变迅速变化并趋于“稳定”，即体变连续 2 h 不超过 0.01 cm3 且排水连续 2 h 不超过 0.01 cm3，且历时不少于 48 h。