许多作者通过试验研究了水分滞回对非饱和土力学性质的影响,如Sharma、Alshihabi、Monroy、Sivakumar、Chen等,他们的试验涉及膨胀土和非膨胀性黏土。一个典型例子是Sharma对高岭黏土(非膨胀性黏土)的三轴压缩试验中的试验17和试验18(图3.2)。两个试验试样的初始状态都为吸力200k Pa和平均净应力10k Pa。但试验18接着经历吸力200k Pa→20k Pa→200k Pa循环,在吸力减小过程中体积一直膨胀,没有观察到体缩现象,表明没有达到LC屈服线,而试验18在吸力循环后发生微小体积膨胀。随后两个试样都将平均净应力加载到300k Pa。三轴压缩试验曲线如图3.2(a)所示。从图3.2中看出,两个试样虽然在屈服前具有相同的压缩系数,并且在屈服后应力-应变曲线逐渐重合在一起,但两者屈服应力有明显差异。试验18中确定的屈服应力约为85k Pa,而试验17中确定的屈服应力约为100k Pa。屈服应力的差异可以归咎于加载前形成的不同饱和度。从图3.2(b)中可以看出,加载前试验18中饱和度明显高于试验17,但在屈服前两者饱和度曲线基本平行。
图3.2 高岭黏土的三轴压缩试验
非饱和土的水分特征通常用土水特征曲线表示,即饱和度-吸力关系曲线,或体积/重量含水率-吸力关系曲线。土水特征曲线的两个分支表明非饱和土具有相同吸力的时候也可以具有不同含水率,即水分滞回。在本例中,试验18的饱和度先减小,然后增大,可能从吸水曲线变化到了脱水曲线,因此高于试验17的饱和度。因此可以认为,较高的饱和度导致了较低的屈服应力。
图3.3 高岭黏土试样试验路径
Sivakumar等的试验也表明,在s-p net空间中,由于饱和度不同,存在不同LC屈服轨迹。他们对高岭黏土做了系列三轴压缩试验,初始含水率为24.5%,在1300k Pa静压力下形成试样干密度为1.68g/cm3,饱和度为67%,初吸力为800k Pa。两组试验的路径如图3.3所示。第1组试验,将试样从吸力800k Pa分别吸水平衡至0k Pa、200k Pa和300k Pa;然后再控制吸力保持不变做压缩试验。第2组试验将试样从高吸力吸水平衡至吸力50k Pa;接着脱水提高试样吸力分别达到100k Pa、200k Pa、300k Pa和450k Pa;然后控制吸力保持不变做压缩试验。两组试样吸力平衡过程中都保持平均净应力(p-u a)=50k Pa,净应力加载速率为15k Pa/d。
图3.4所示为试样达到吸力平衡后的比水体积和比体积。可见,两组试样在相同吸力上比水体积和比体积有较大差别,已经形成明显的水分滞回。第2组试样的比水体积大于第1组。这说明第2组位于土水特征曲线的脱水曲线上,第1组位于吸水曲线上。
图3.4 高岭黏土的比水体积和比体积(www.zuozong.com)
图3.5 试样等吸力纯压缩曲线
图3.5是两组试样等吸力纯压缩曲线。可见,两组试样的吸力相同,但屈服应力明显不同。第1组试样的初始屈服应力分别为85k Pa、157k Pa和205k Pa,对应s=0k Pa、200k Pa和300k Pa。第2组试样初始屈服应力分别为84k Pa、128k Pa和139k Pa,对应s=100k Pa、200k Pa和300k Pa(这里采用的初始屈服应力是从图上直接采点得到,和Sivakumar等文中提供的初始屈服应力数据稍有差别)。这些屈服应力,在平均净应力和吸力构成的平面上可以连接为屈服轨迹,形成两条而不是一条LC屈服线,如图3.6所示。从图3.6中可以观察到,第2组试样的LC屈服轨迹在第1组试样LC屈服轨迹以内。这说明在s-p net平面上,非饱和土在等吸力条件下由于水分滞回影响形成了两条不同LC屈服轨迹,具有较大含水率试样的初始屈服面在具有较小含水率试样的初始屈服面内侧。
图3.6 在平均净应力和吸力平面上LC屈服轨迹
以上两个例子都是非膨胀性黏土的例子。对膨胀性黏土,也有类似试验现象。一个例子是Monroy在固结仪上对伦敦黏土的试验。该黏土液限83%,塑限54%,为初始含水率23.5%。在试验o27(o代表固结仪oedometer)中,试样先由吸力870k Pa吸水至饱和状态;接着施加30k Pa压力,然后脱水至吸力80k Pa并保持不变;最后再重新加载至425k Pa,试验路径如图3.7所示,其中图3.7(a)所示为应力路径,图3.7(b)所示为饱和度变化。图3.7(a)中也标出了控制试样体积和不控制试样体积得到的两条LC屈服线。图中o27的屈服点用箭头标出,可以观察到o27在重新加载过程中屈服应力小于同吸力下两条LC上的屈服应力。这表明屈服应力对饱和度的依赖性。另一试验o21也观察到与o27类似的现象。
图3.7 o27试验路径
图3.8 试验10吸水-脱水循环后经历各向等压
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