摘要

在自然状态下,气候的变化如降雨入渗和蒸发作用等使地球表面的岩土体均要经历过无数次的干湿循环作用。多次干湿循环作用对非饱和土的水力-力学性质有着显著的影响,干湿循环作用引起的岩土工程问题日益严重,造成经济损失巨大,尤其膨胀土所引起的工程破坏更加严重。最近干湿循环作用对非饱和土水力-力学性质的影响引起了大家特别的重视。为了准确地分析岩土体在干湿循环作用下的特性和合理处理岩土工程问题,开展干湿循环下的多次干湿循环后土-水特征曲线模拟和非饱和土水力-力学性质试验的研究具有重要的工程意义和学术意义。

本书在阅读、整理国内外相关文献的基础上,开展了多次干湿循环后土-水特征曲线模拟和干湿循环作用下非饱和土水力-力学性质的试验研究,具体研究内容和成果如下：

(1)用压力板法、滤纸法和蒸汽平衡法三种不同测量吸力的方法,对南阳膨胀土进行了土-水特性试验,得到全吸力范围内的土-水特征曲线。试验结果表明：初始孔隙比大致相同土样的土-水特征曲线,在低吸力范围内脱湿曲线与吸湿曲线具有明显的滞回现象。当吸力大于3×105 k Pa时,土-水特征曲线的滞回效应基本消失,即脱湿曲线与吸湿曲线基本重合。滤纸法所测出的土-水特性曲线落在主脱湿和主吸湿曲线的滞回圈内。当吸力等于3.67×105 k Pa时,含水率仅为0.325%,几乎近于0。孔隙比不仅受到吸力大小的影响,还受到吸力历史和吸力路径的影响；相同吸力时吸湿路径的孔隙比要比脱湿路径的大；在吸力低范围,吸湿路径与脱湿路径的孔隙比相近。孔隙比与饱和度关系因吸力路径的不同也存在明显的滞回效应,接近饱和时趋近一致。变吸力情况条件下,饱和度随着孔隙比的增加而增加,蒸汽平衡法得出的孔隙比与饱和度的关系具有明显的线性关系,而压力板法做出来的低吸力范围内的线性关系不明显。

(2)在综合分析文献中已有试验数据的基础上,结合已有的试验数据总结脱湿曲线与吸湿曲线随着干湿循环次数的变化规律,通过引入一个与干湿循环次数有关的函数,提出能预测多次干湿循环后土-水特征曲线的模拟方法。本方法仅需土-水特征曲线的首次干湿循环脱湿与吸湿曲线和塑性指数,就可以预测多次干湿循环后的土-水特征曲线。本模拟方法的预测结果表明：模型能够很好地再现试验数据,可节省试验时间,以此能够迅速地为岩土工程的设计与施工提供可靠的预测。

(3)用GDS非饱和土三轴仪器,对较广吸力范围内经历不同吸力历史的非膨胀性珍珠土进行了三轴剪切试验。关于最大吸力的施加,高吸力采用蒸汽平衡法；低吸力采用轴平移技术。试验的主要结论有：当试样经历的最大吸力小于500kPa时,在其他条件相同时,经历过高吸力的试样比未经历过高吸力试样的应力比-应变关系高,强度大,体变小。主要是由于前期经历过先期较高的吸力,相当于受过较大的前期压力,使试样成为超固结土。当试样经历的最大吸力不小于3290k Pa时,在其他条件相同时,经历过高吸力的试样反而比未经历过高吸力试样的应力比-应变关系稍低,体变稍大。主要原因是经历过高吸力试样的内部产生裂隙对非饱和土力学性质有一定的影响；同时试样在低净应力和低吸力下的吸湿过程中发生明显的湿陷现象,吸力历史所形成的结构强度基本消失。试样所经历的最大平均骨架应力不再是主要的影响因素,而开始剪切时的平均骨架应力起着主导因素。

(4)用FLSY30-1型非饱和土三轴试验仪,对较广吸力范围内经历不同吸力历史的非饱和弱膨胀土进行了一系列吸力控制的三轴剪切试验。关于最大吸力的施加,高吸力采用蒸汽平衡法；较低吸力采用轴平移技术。试验结果表明：即使净应力和吸力相同,经过湿-干循环试样的应力应变关系曲线升高、剪缩体变小。其主要原因是弱膨胀性土吸水膨胀性弱,湿-干循环后试样体积稍有膨胀,而试样饱和度增加,造成开始剪切时平均骨架应力增大。经过干-湿循环试样的应力应变关系曲线也升高、剪缩体变小,随着经历过最大吸力的增加,其应力比-应变关系、体变表现出的超固结土特性明显。其主要原因是前期试样受过较大的吸力,相当于受过较大前期固结压力,同时弱膨胀土失水收缩性明显,经过较大吸力范围内的干-湿循环后试样孔隙比降低明显,使试样剪切过程中表现出超固结土的特性。因此预测非饱和弱膨胀性土的应力应变关系和体变需全面考虑吸力历史引起的体积收缩或膨胀。

非膨胀性珍珠土经历高吸力脱湿过程其孔隙比稍有降低；而吸湿过程其孔隙比降低明显,试样发生明显的湿陷现象,使其高吸力历史形成的结构强度基本消失。南阳弱膨胀土经历高吸力脱湿过程,其孔隙比降低明显；而吸湿过程其孔隙比稍有增加,高吸力历史形成的结构强度已然存在。非膨胀性珍珠土具有明显的湿陷特性而南阳弱膨胀土具有明显的失水收缩特性,此差异是造成吸力历史对两种非饱和土力学性质不同影响的主要原因。