【路基非饱和土抗剪强度的吸力效应】抗剪强度

　　摘 要：从宏观的吸力控制型直剪试验和微观的土体颗粒结构2方面入手，对路基非饱和土抗剪强度的吸力效应进行了研究。在不同吸力和不同法向应力条件下完成4组剪切试验，并选取2种不同含水量的同类型土样进行结构扫描。研究结果表明，与粘性土不同的是，当粉质砂土含水量逐渐降低时，土体基质吸力对土体抗剪强度的贡献效果并不是一直增加的，而是存在一个峰值。这种现象主要是由于土体微观结构以及所含水分的存在形式所造成的。另外，土体所处的应力环境也会对土体强度的吸力贡献情况造成影响。
　　关键词：路基非饱和土；宏微观方法；吸力效应；气液交界面；弯月形水膜
　　中图分类号：U416.14
　　文献标志码：A
　　文章编号：1674-4764（2012）04-0001-05
　　Matric Suction Effect on Shear Strength of Roadbed Unsaturated Soil
　　LIU Dongyan1, ZHENG Zhiming1,2, HOU Long1,3, ZHAO Baoyun1, WU Chuansheng1
　　(1.College of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, P. R. China;
　　2.Chongqing Highway Bureau, Chongqing 401147, P. R. China; 3.Colorado School of Mines, Golden 80401, USA)
　　Abstract:A study which focuses on the role of matric suction in the stress strength of roadbed unsaturated soil was presented. Two types of tests were described, namely, the suction-controlled shear test and microstructure scanned test. For the former, four sub-tests were conducted under different suction and net normal stress conditions. And two unsaturated soil samples that belong to the same type but with different water contents were scanned. In contrast with clay soil, the corresponding results show that the strength of silty sand soil does not always increase as matric suction increases or soil water content decreases; there exists a peak contributed by matric suction that acts on soil stress strength. The main reason for this kind of phenomenon is due to the typical microstructure of this type of soil and the various types of pore water retention. Additionally, the state of stress in which soil sample meets can also exerts important influence on soil strength.
　　Key words:roadbed unsaturated soil; macro-micro approach; matric suction effect; gas-liquid interface; meniscus water lens
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　　道路工程是一种长线、跨区域式的土木工程建设活动，路基质量的好坏是道路运行期间适用性与安全性的根本性保证。而路基的建设，往往受制于交通条件、料场分布以及工程地质等条件的影响。在经济效益总调控的前提下，如何在最大程度上的发挥路基工程自身的持久性能，是道路建设工作中重点关注的问题。
　　从一般意义上讲，道路路基属于边坡工程的范畴，但与自然边坡所不同的是，它是人工活动的产物，有其特殊的工程地质性质：路基边坡土体性质较为均一，密实度高，坡面形状也相对简单，无明显的潜在滑移面存在。但处于特殊地段的路基边坡，往往会受到很多不利因素的持久性、周期性影响，如库区水位的周期性升降会对库区道路的路基土体产生渗流和冲刷作用，带走土体内的细小土颗粒，土体结构逐渐产生变化，朝砂性土转变；此外，土体含水量也会随外界水位变化情况而产生变化。相应的，对土体强度有着重要影响的基质吸力也会发生变化，这些因素均会影响路基边坡的安全性能［1-4］。因此，着眼于基质吸力对土体强度的贡献形式，对于包括路基工程在内的初期土工设计与施工而言，是十分有必要的。
　　1 相关基本理论
　　路基土体产生破坏，往往发生在浅层土体内，这些土体通常是位于地下水位以上的，也即是非饱和土。即使受到外界水位变动作用（如位于库区内的道路），因为土体内浸润面和外界水位不能同步变化，土体在大多数时间内也是处于非饱和状态的。Fredlund等［5-6］针对非饱和土的抗剪强度提出了式(1)所示相互独立的双应力变量公式：
　　τf=c′+(σ-ua)tan φ′+(ua-uw)tan φb(1)