1.2 土体工程特性的研究现状

1.2.1 土体强度特性的研究现状

1. 宏观领域研究现状

1776年, 法国科学家库仑最早提出了土的抗剪强度宏观理论, 他针对砂土剪切试验提出了砂土的抗剪强度公式, 而后考虑黏聚力的作用又提出了黏性土的抗剪强度公式。1910年, 德国科学家莫尔提出抗剪强度包线在较大应力范围内往往呈曲线形状的观点。莫尔-库仑强度理论描述了平面应变条件下, 土体单元任一截面上的法向应力和剪应力, 可通过莫尔圆与抗剪强度包线是否相切的几何关系, 判断土体是否达到极限平衡状态。然而, 土体是由固相、液相和气相组成的三相体, 在固结压力作用下, 土体所承受的法向应力由土颗粒与孔隙水共同承担, 而剪应力只能由土颗粒承担。1936年, 太沙基由此提出了饱和土的有效应力理论, 认为土的抗剪强度可以表示为剪切面上有效法向应力的函数。另外, 在对非饱和土的强度性状的研究方面, 学者们普遍认为孔隙水对土体强度的影响非常复杂, 其黏聚力与土的内在膨胀力或吸力有关, 其数值通过试验不易测定, Bishop等(1960)、Fredlund等 (1978)、缪林昌等 (1999)、陈敬虞等 (2003)分别提出了非饱和土的破坏准则和强度公式。基于各种强度理论, 应用多种测试仪器和方法测定土的各种强度参数, 得到了一系列的室内及原位测试的强度试验成果。张银屏等 (2004)通过直剪试验和三轴试验研究了土体固结度与抗剪强度的关系, 结果表明: 抗剪强度随固结度的增加而增加, 但强度指标并非单调增加。陈晓平等 (2008)采用剪切、固结等室内试验,从强度和变形两方面研究了广州南沙软土的结构性, 分析出了影响结构性软土力学特性的因素。郑刚等 (2009)采用自制三轴仪研究了天津市区粉质黏土原状饱和样的排水卸荷条件对其强度特性的影响, 结果表明几种应力路径下土体的有效应力强度指标基本相等。吴玉辉等 (2011)基于莫尔-库仑抗剪强度公式, 结合十字板强度与深度的关系, 建立了土体抗剪强度指标的统计回归方程, 并由此推算出地基土的抗剪强度指标。许成顺等(2016)针对福建标准砂及细砂进行了不同反压下单调排水与不排水剪切试验, 分析了不同反压下砂土的应力-应变关系。试验结果表明: 反压对剪胀性砂土的固结不排水剪切强度具有显著影响, 对剪缩性砂土的不排水抗剪强度影响不显著。反压对砂土固结排水抗剪强度的影响相对较小, 对其有效抗剪强度基本无影响。

2. 微细观领域研究现状

软土强度特性的微细观领域研究主要集中在探索颗粒尺度和比分、孔隙尺度和比分、微结构特征等微细观参数与宏观强度特性的关系, 目前常用的研究方法是对软土样品进行微观结构检测和理论分析, 测试手段主要包括X射线衍射、热分析技术、红外光谱、偏光显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和压汞测试等。

Skempton A W (1964)基于对黏土边坡的稳定性分析, 发现剪切作用将导致滑动带上扁平状黏土颗粒产生微观结构的定向排列。Bai X等(1997)研究了不排水剪过程中高岭土的微结构变化。严春杰等 (2001)通过X射线衍射仪和扫描电镜研究了黄河小浪底等数十个滑坡事发地段土样的物质成分和微结构特征, 将其与滑坡的活动频次、活动阶段和形成机理相联系。Wen B P等 (2003)利用反向散射电镜和光学显微镜研究了某自然滑坡滑带土样的微观结构, 提出黏土颗粒含量、颗粒排列特征及孔隙率3个指标是引起滑带土力学性质变化的主要内因。吕海波等 (2005)利用压汞试验结果确定了软土结构性损伤模型参数并采用室内三轴试验结果验证了模型的正确性, 认为微观结构变化是导致结构强度丧失的主要原因。周翠英等 (2005)对软土进行强度试验后, 利用电镜扫描和图像处理方法提取剪切破裂面上的土样的微观结构特征参数, 建立了微观结构特征参数与强度结构特征参数的关系。欧阳惠敏等 (2008)研究了天津滨海新区软土固化后的无侧限抗压强度和微结构特征, 分析了其固化机理并对软土的宏观力学性质与微结构特征之间的关系进行了探讨。胡欣雨等(2009)采用三轴仪和扫描电镜从宏、微观两个方面研究了黏土层中泥水盾构开挖面的稳定机理, 分析了不同应力水平时泥浆作用对泥水盾构开挖面土体强度和变形特性的影响, 并通过颗粒流数值模拟对试验结果予以验证。房营光等 (2013, 2014)考虑土体微细观结构特征对宏观强度特性的影响, 采用三轴抗剪试验和土体胞元模型分析土体强度和变形的尺度效应特性。根据土体中不同尺度颗粒间的相互作用产生的聚集和摩擦效应, 提出了“基体-增强颗粒”土体胞元模型。胞元体由基体和增强颗粒组成,其中基体由微小土颗粒集成, 增强颗粒为砂粒, 宏观土体则简化为由许多胞元体构成的介质。研究引入了广义球应变和广义等效应变, 基于应变能导出了考虑颗粒尺度效应的应力-应变关系及屈服应力计算公式。同时,针对增强颗粒不同粒径的土样进行三轴不排水抗剪试验, 给出了应力-应变和屈服应力尺度效应的测试结果, 其研究成果对土体强度理论发展有重要的参考价值。

随着微细观理论和测试技术的快速发展, 软土的诸多微细观参数不仅从定性角度, 而且从定量角度已成为软土强度性状和变化规律的重要评价指标, 在解释膨胀土的胀缩性和软土的低强度的工程性质机理方面发挥了重要作用, 并为改善软土的工程性质, 建立更为符合工程实际的土体本构关系提供了试验基础和理论依据。