本發(fā)明屬于土坡穩(wěn)定性研究領(lǐng)域，涉及一種非飽和黃土抗剪強度特性的分析方法。

背景技術(shù)：

黃土是典型的非飽和土，在土坡、地基承載力穩(wěn)定性分析評價中，土的抗剪強度指標(biāo)是最重要的基本力學(xué)參數(shù)，所以需要用非飽和土的理論進行研究，非飽和土抗剪強度理論的研究仍以飽和土的強度理論為基礎(chǔ)，引進了吸力的概念，其中具代表性的是bishop和fredlund的抗剪強度公式，已被廣泛接受，bishop等提出了非飽和土抗剪強度表達式：τf＝c′+[(σ-ua)+χ(ua-uw)]tanφ′，式中：c′為飽和土的有效凝聚力，σ為破壞時在破壞面上的法向總應(yīng)力，ua為破壞時在破壞面上的空隙氣壓力，uw為破壞時在破壞面上的孔隙水壓力，φ′為與凈法向應(yīng)力(σ-ua)有關(guān)的內(nèi)摩擦角，χ是經(jīng)驗系數(shù)，它與飽和度，應(yīng)力路徑及土的類型有關(guān)，其值的確定較為困難，因而限制了該公式的推廣；應(yīng)用最多的是fredlund的理論，認為非飽和土的抗剪強度可以用擴展的mohr圓表示，其表達式為其中，為隨基質(zhì)吸力變化的內(nèi)摩擦角，c′為有效粘聚力，為有效內(nèi)摩擦角，(σf-ua)f為破壞時在破壞面上的凈法向應(yīng)力，(ua-uw)f為破壞時在破壞面上的基質(zhì)吸力，式中c′和均為飽和土的抗剪強度指標(biāo)，認為它們并不隨吸力的變化而變化，可采用常規(guī)測試方法確定，為因基質(zhì)吸力增加而引起抗剪強度增加的曲線的傾角。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于利用fredlund理論，設(shè)計一種方法方案用于非飽和黃土抗剪強度特性的研究，從而運用到黃土滑坡發(fā)生機理的研究和土坡的穩(wěn)定性分析評價中。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種非飽和黃土抗剪強度特性的分析方法，按如下步驟進行：

步驟一，取樣制樣，采用探井法在指定區(qū)域取樣，土樣制備規(guī)格尺寸為面積為30cm²,厚度為20mm的圓柱形；

步驟二，設(shè)置試驗組，每一種土樣可設(shè)置5組，分別在控制吸力的情況下，然后逐級加大豎向應(yīng)力為4個等級，采用20個試樣進行固結(jié)排水剪切試驗；

步驟三，固結(jié)排水剪切試驗，使用非飽和土直剪儀，將土樣裝入剪切盒后，先加基質(zhì)吸力進行固結(jié)排水，待試樣排水及體積變化都穩(wěn)定后，再加豎向應(yīng)力，穩(wěn)定后再加橫向剪切速率進行剪切,根據(jù)破壞剪切面得出結(jié)論；

步驟四，強度參數(shù)的確定，采用計算機記錄固結(jié)排水剪切試驗中的數(shù)據(jù)，根據(jù)擴展的mohr圓表達式對非飽和土的抗剪強度進行表示，其中，為隨基質(zhì)吸力變化的內(nèi)摩擦角，c′為有效粘聚力，為有效內(nèi)摩擦角，(σf-ua)f為破壞時在破壞面上的凈法向應(yīng)力，(ua-uw)f為破壞時在破壞面上的基質(zhì)吸力,式中c′和均為飽和土的抗剪強度指標(biāo)；根據(jù)實驗數(shù)據(jù)整理得出不同吸力條件下的剪應(yīng)力-豎向應(yīng)力關(guān)系曲線，其為近似線性關(guān)系，則直線在y軸上的截距為有效粘聚力c′,直線的傾角為有效內(nèi)摩擦角令s'＝σ-ua；s＝ua-uw，則公式進一步可改寫為：在粘聚力-吸力關(guān)系曲線中，可通過(0，c′)和(s,c)這兩個點的連線的傾角來確定

步驟五，含水量對強度參數(shù)的影響，根據(jù)計算機記錄固結(jié)排水剪切試驗中的數(shù)據(jù)，繪制吸力-含水量的關(guān)系曲線、粘聚力-含水量的關(guān)系曲線、內(nèi)摩擦角-含水量的關(guān)系曲線，并根據(jù)曲線得出結(jié)論；

步驟六，吸力對強度參數(shù)的影響，根據(jù)計算機記錄固結(jié)排水剪切試驗中的數(shù)據(jù)，繪制粘聚力-吸力的關(guān)系曲線、內(nèi)摩擦角-吸力的關(guān)系曲線，并根據(jù)曲線得出結(jié)論。

進一步，所述土樣可選擇馬蘭黃土q3或者古土壤。

進一步，在步驟二中，所述控制吸力是指把吸力設(shè)定為5個定值，分別為0kpa、50kpa、100kpa、200kpa、400kpa，然后選定其中任意一種進行試驗。

進一步，在步驟二中，所述豎向應(yīng)力的4個等級為50kpa、100kpa、200kpa、400kpa。

進一步，在步驟三中，所述土樣變性穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為：每兩小時形變量不超過0.01mm；排水量的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)是：每兩小時排水量不超過0.012mm³。

進一步，在步驟三中，所述橫向剪切速率為0.003-0.004mm/min。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的有益效果是：本發(fā)明充分考慮了土體整體的受力特點，對土坡整體滑移情況進行了數(shù)據(jù)參數(shù)的分析，并且考慮了含水量和吸力對于非飽和黃土的影響，從而能夠更為全面的反映土坡的滑移破壞，本發(fā)明涉及方法可準(zhǔn)確全面的分析非飽和黃土抗剪強度，可運用于黃土坡滑坡發(fā)生機制的研究。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中的剪應(yīng)力-豎向應(yīng)力關(guān)系曲線，即τ-(σ-ua)關(guān)系曲線。

圖2為本發(fā)明中的粘聚力-吸力關(guān)系曲線，即c-s關(guān)系曲線。

圖3為本發(fā)明中馬蘭黃土q3在吸力條件為50kpa下的剪應(yīng)力-豎向應(yīng)力關(guān)系曲線。

圖4為本發(fā)明中馬蘭黃土q3在吸力條件為100kpa下的剪應(yīng)力-豎向應(yīng)力關(guān)系曲線。

圖5為本發(fā)明中馬蘭黃土q3在吸力條件為150kpa下的剪應(yīng)力-豎向應(yīng)力關(guān)系曲線。

圖6為本發(fā)明中馬蘭黃土q3在吸力條件為200kpa下的剪應(yīng)力-豎向應(yīng)力關(guān)系曲線。

圖7為本發(fā)明中馬蘭黃土q3的吸力-含水量的關(guān)系曲線。

圖8為本發(fā)明中馬蘭黃土q3的粘聚力-含水量的關(guān)系曲線。

圖9為本發(fā)明中馬蘭黃土q3的內(nèi)摩擦角-含水量的關(guān)系曲線。

圖10為本發(fā)明中馬蘭黃土q3的粘聚力-吸力的關(guān)系曲線。

圖11為本發(fā)明中馬蘭黃土q3的內(nèi)摩擦角-吸力的關(guān)系曲線。

圖12本發(fā)明中古土壤在吸力條件為50kpa下的剪應(yīng)力-豎向應(yīng)力關(guān)系曲線。

圖13為本發(fā)明中古土壤在吸力條件為100kpa下的剪應(yīng)力-豎向應(yīng)力關(guān)系曲線。

圖14為本發(fā)明中古土壤在吸力條件為150kpa下的剪應(yīng)力-豎向應(yīng)力關(guān)系曲線。

圖15為本發(fā)明中古土壤在吸力條件為200kpa下的剪應(yīng)力-豎向應(yīng)力關(guān)系曲線。

圖16為本發(fā)明中古土壤的吸力-含水量的關(guān)系曲線。

圖17為本發(fā)明中古土壤的粘聚力-含水量的關(guān)系曲線。

圖18為本發(fā)明中古土壤的內(nèi)摩擦角-含水量的關(guān)系曲線。

圖19本發(fā)明中古土壤的粘聚力-吸力的關(guān)系曲線。

圖20為本發(fā)明中古土壤的內(nèi)摩擦角-吸力的關(guān)系曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例1

一種非飽和黃土抗剪強度特性的分析方法，按如下步驟進行：

步驟一，取樣制樣，采用探井法在延安方塔水庫周邊一滑坡體取樣，土樣制備規(guī)格尺寸為直徑61.8mm,面積為30cm²,厚度為20mm的圓柱形。

步驟二，設(shè)置試驗組，馬蘭黃土q3共設(shè)置5組，分別在控制吸力的情況下，即把吸力設(shè)定為5個定值，分別為0kpa、50kpa、100kpa、200kpa、400kpa，然后逐級加大豎向應(yīng)力為4個等級，分別為50kpa、100kpa、200kpa、400kpa，采用20個試樣進行固結(jié)排水剪切試驗，具體試驗方案如下表。

步驟三，固結(jié)排水剪切試驗，使用4fdj-20型四聯(lián)非飽和土直剪儀(江蘇溧陽市永昌工程試驗儀器設(shè)備有限公司)，將土樣裝入剪切盒后，先加基質(zhì)吸力進行固結(jié)排水，待土樣排水及體積變化都穩(wěn)定后，即每兩小時土樣形變量不超過0.01mm以及每兩小時土樣排水量不超過0.012mm³，再加豎向應(yīng)力，待土樣排水及體積變化都穩(wěn)定后，再加橫向剪切速率0.035mm/min進行剪切。

步驟四，強度參數(shù)的確定，采用計算機記錄固結(jié)排水剪切試驗中的數(shù)據(jù)，根據(jù)擴展的mohr圓表達式對非飽和土的抗剪強度進行表示，其中，為隨基質(zhì)吸力變化的內(nèi)摩擦角，c′為有效粘聚力，為有效內(nèi)摩擦角，(σf-ua)f為破壞時在破壞面上的凈法向應(yīng)力，(ua-uw)f為破壞時在破壞面上的基質(zhì)吸力；根據(jù)實驗數(shù)據(jù)整理處不同吸力條件下的剪應(yīng)力-豎向應(yīng)力關(guān)系曲線，如圖1所示，近視線性關(guān)系，則直線在y軸上的截距為有效粘聚力c′,直線的傾角為有效內(nèi)摩擦角如圖3-6所示，其結(jié)果如下表所示。

令s'＝σ-ua；s＝ua-uw，則公式進一步可改寫為：如圖2所示，可通過(0，c′)和(s,c)這兩個點的連線的傾角確定根據(jù)表中的數(shù)據(jù)得到馬蘭黃土q3的吸力隨粘聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線圖，即圖10和圖11，得到內(nèi)摩擦角為7.57°。

步驟五，含水量對強度參數(shù)的影響，根據(jù)計算機記錄固結(jié)排水剪切試驗中的數(shù)據(jù)，繪制吸力-含水量的關(guān)系曲線(如圖7所示)，粘聚力-含水量的關(guān)系曲線(如圖8所示)，內(nèi)摩擦角-含水量的關(guān)系曲線(如圖9所示)，并得出結(jié)論：隨著含水量的增加，使得顆粒間的摩擦力隨之降低，所以吸力和粘聚力均呈現(xiàn)下降趨勢，內(nèi)摩擦角變化不大，吸力的減小降低了土顆粒之間的有效應(yīng)力，從而使土的抗剪強度減少。

步驟六，吸力對強度參數(shù)的影響，根據(jù)計算機記錄固結(jié)排水剪切試驗中的數(shù)據(jù)，繪制粘聚力-吸力的關(guān)系曲線(如圖10所示)，內(nèi)摩擦角-吸力的關(guān)系曲線(如圖11所示)，并得出結(jié)論：在恒定豎向應(yīng)力的作用下，且在試驗所做的吸力范圍內(nèi)，抗剪強度隨基質(zhì)吸力的增加而增加，內(nèi)摩擦角只有微小的變化，粘聚力則隨著基質(zhì)吸力的增加有顯著的增加。

實施例2

一種非飽和黃土抗剪強度特性的分析方法，按如下步驟進行：

步驟一，取樣制樣，采用探井法在延安方塔水庫周邊一滑坡體取樣，土樣制備規(guī)格尺寸為直徑61.8mm,面積為30cm²,厚度為20mm的圓柱形。

步驟二，設(shè)置試驗組，古土壤試樣共設(shè)置5組，分別在控制吸力的情況下，即把吸力設(shè)定為5個定值，分別為0kpa、50kpa、100kpa、200kpa、400kpa，然后逐級加大豎向應(yīng)力為4個等級，分別為50kpa、100kpa、200kpa、400kpa，采用20個試樣進行固結(jié)排水剪切試驗，具體試驗方案如下表。

步驟三，固結(jié)排水剪切試驗，使用4fdj-20型四聯(lián)非飽和土直剪儀(江蘇溧陽市永昌工程試驗儀器設(shè)備有限公司)，將土樣裝入剪切盒后，先加基質(zhì)吸力進行固結(jié)排水，待土樣排水及體積變化都穩(wěn)定后，即每兩小時土樣形變量不超過0.01mm以及每兩小時土樣排水量不超過0.012mm³，再加豎向應(yīng)力，待土樣排水及體積變化都穩(wěn)定后再加橫向剪切速率0.035mm/min進行剪切。

步驟四，強度參數(shù)的確定，采用計算機記錄固結(jié)排水剪切試驗中的數(shù)據(jù)，根據(jù)擴展的mohr圓表達式對非飽和土的抗剪強度進行表示，其中，為隨基質(zhì)吸力變化的內(nèi)摩擦角，c′為有效粘聚力，為有效內(nèi)摩擦角，(σf-ua)f為破壞時在破壞面上的凈法向應(yīng)力，(ua-uw)f為破壞時在破壞面上的基質(zhì)吸力，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)整理處不同吸力條件下的剪應(yīng)力-豎向應(yīng)力關(guān)系曲線，如圖1所示，近似線性關(guān)系，則直線在y軸上的截距為有效粘聚力c′,直線的傾角為有效內(nèi)摩擦角如圖12-15所示，其結(jié)果如下表所示；

令s'＝σ-ua；s＝ua-uw，則公式進一步可改寫為：如圖2所示，可通過(0，c′)和(s,c)這兩個點的連線的傾角確定根據(jù)表中的數(shù)據(jù)得到古土壤的吸力隨粘聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線圖，即圖19和圖20，得到內(nèi)摩擦角為23.5°。

步驟五，含水量對強度參數(shù)的影響，根據(jù)計算機記錄固結(jié)排水剪切試驗中的數(shù)據(jù)，繪制吸力-含水量的關(guān)系曲線(如圖16所示)，粘聚力-含水量的關(guān)系曲線(如圖17所示)，內(nèi)摩擦角-含水量的關(guān)系曲線(如圖18所示)，并得出結(jié)論：隨著含水量的增加，使得顆粒間的摩擦力隨之降低，所以吸力和粘聚力均呈現(xiàn)下降趨勢，內(nèi)摩擦角變化不大，吸力的減小降低了土顆粒之間的有效應(yīng)力，從而使土的抗剪強度減少。

步驟六，吸力對強度參數(shù)的影響，根據(jù)計算機記錄固結(jié)排水剪切試驗中的數(shù)據(jù)，繪制粘聚力-吸力的關(guān)系曲線(如圖19所示)，內(nèi)摩擦角-吸力的關(guān)系曲線(如圖20所示)，并得出結(jié)論：在恒定豎向應(yīng)力的作用下，且在試驗所做的吸力范圍內(nèi)，抗剪強度隨基質(zhì)吸力的增加而增加，內(nèi)摩擦角只有微小的變化，粘聚力則隨著基質(zhì)吸力的增加有顯著的增加。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出更動或修飾等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。