[发明专利]一种快速判断非饱和土受力后是否破坏的方法

权利要求书

1.一种快速判断非饱和土受力后是否破坏的方法，其特征在于：根据非饱和土极限平衡条件的公式：

按下列步骤进行：

(1)、利用压力板仪确定参数θ_irr、θ_sat、b、d；

其中，θ_irr为残余含水量，θ_sat为饱和含水量，b、d为与土体性质有关的参数；

(2)、利用常规三轴仪确定参数总应力强度指标c、

(3)、利用非饱和直剪仪确定参数

其中，为与基质吸力(u_a-u_w)有关的内摩擦角，孔隙水压力u_w，孔隙内的气压力u_a，二者之差(u_a-u_w)；

(4)、测定土体含水量θ＝m_w/m_s，其中，m_w为试样中水的质量，m_s为试样中土颗粒的质量，利用《土力学》确定土体的受力状态，即σ_z、σ₃的值；

其中，σ₃为土体所真实受到的小主应力，σ_z为土体所真实受到的大主应力；

(5)、将土体所受到的小主应力σ₃代入公式：

求得土体处于临界破坏极限状态时的理论大主应力σ₁，当σ₁大于土体所受到的σ_z，则说明土体处于安全状态；当σ₁等于土体所受到的σ_z，则说明土体处于临界破坏极限状态；当σ₁小于土体所受到的σ_z，说明土体已经破坏，从而判断出非饱和土受力后是否破坏。

2.根据权利要求1所述的快速判断非饱和土受力后是否破坏的方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、首先建立非饱和土极限平衡条件的土体应力测定公式，方法是：

当土体受到荷载σ₁、σ₃作用处于临界破坏极限状态时，此时土中的应力有：粘聚力c’，孔隙水体内的孔隙水压力u_w，孔隙内的气压力u_a，二者之差(u_a-u_w)称为基质吸力S_c，土中与大主应力面、即与大主应力σ₁垂直的面夹角为α的斜面上的法向总应力σ和剪应力τ分别为：

法向总应力σ与孔气压u_a之差(σ-u_a)为法向有效应力，当非饱和土处于临界破坏极限状态时，土体中斜面上的剪应力达到土的抗剪强度，土体会延此斜面发生破坏，因此根据计算非饱和土抗剪强度τ_f的公式，即为Fredlund所提出的公式：

式中，—与法向有效应力(σ-u_a)有关的内摩擦角；

—与基质吸力(u_a-u_w)有关的内摩擦角；

当非饱和土接近饱和时，孔隙水压力u_w接近孔隙气压力u_a，因此基质吸力S_c＝(u_a-u_w)趋于零，式(3)中的基质吸力项消失，从而变为饱和土的强度公式：

式中的参数c’、针对饱和土通过三轴试验测得，而通过非饱和直剪仪测得，只要c’、和这三个参数确定，根据所受应力通过式(3)计算得到非饱和土的抗剪强度τ_f；

在实际工程中，土体中的孔气压和孔水压不容易测得，因此很难判断土体受力后是否会破坏，考虑到饱和土抗剪强度可表示为有效应力形式，或表示为总应力形式，即

式中，c、为总应力强度指标，通过室内饱和土三轴试验测定，因此式(3)用总应力的形式表示为：

虽然基质吸力S_c＝(u_a-u_w)不容易量测，但是土体的含水量易测，而且基质吸力与土体含水量θ之间存在以下关系：

式中，θ_irr—残余含水量；

θ_sat—饱和含水量；

b、d—与土体性质有关的参数；

以上四种参数通过开展室内压力板试验得到土水特征曲线而确定，基质吸力S_c由θ表示为：

因此，式(3)用总应力和含水量表示为：

即为以总应力和含水量表示的非饱和土抗剪强度公式；

当土体受σ₁、σ₃，达到临界破坏的极限状态时，土体中斜面上外力产生的剪应力等于该面上的抗剪强度，即

τ＝τ_f 式(9)

将式(1)代入式(8)，并与式(2)一起代入式(9)得

即非饱和土极限平衡条件公式为：

二、根据式(10)判断非饱和土受力后是否破坏，方法是：

当非饱和土若要达到临界破坏的极限状态时，σ₁、σ₃之间应该满足非饱和土极限平衡条件，即式(10)；利用式(10)判断土体受力后的状态，避免确定土体中的孔水压和孔气压，仅需要针对饱和土确定参数针对非饱和土确定针对饱和土、非饱和土共同确定c，根据土水特征曲线得到参数θ_irr、θ_sat、b、d，现场取样确定土的含水量θ，即可判断土体受外力后是否会破坏，包括以下步骤：

(1)、利用压力板试验测定参数θ_irr、θ_sat、b、d：

压力板仪是，压力室底部固定有密封支架，支架底部与压力室底部密封完好，支架上放置陶土板，陶土板透水不透气，陶土板周边与支架密封完好，试验前取质量为m_s的烘干土，配制含水量为θ₁的湿土，所加入水的质量为m_w＝m_s×θ₁，取配置好的湿土m，制成体积为V的试样，则其密度为ρ＝m/V，制成的试样中土颗粒的质量为m_s2＝ρV/(1+θ₁)，试样中水的质量为m_w2＝m_s2×θ₁，试样的孔隙比e＝G_sρ_w(1+θ₁)/ρ-1，其中G_s为土颗粒比重，ρ_w为水的密度，将试样进行饱和之后，试样的饱和含水量θ_sat＝e/G_s，此时试样中水的质量m_ws＝m_s2×θ_sat；

将饱和的试样放置于陶土板上，将压力室密封后向压力室中通气，压力室气压为u_a时就会排出试样中相应的水，水透过陶土板经过排水管排出，称量排出水的质量△w，计算得到此时试样中的含水量θ＝(m_ws-△w)/m_s2，由于水透过陶土板后直接与大气相连，因此试样中的孔水压u_w为0，基质吸力S_c＝u_a-u_w＝u_a，逐渐增大气压u_a，便可得到含水量θ随基质吸力S_c变化的曲线，基质吸力增大到一定程度后，试样的含水量几乎不变，此时的含水量称为残余含水量θ_irr，将得到的曲线用拟合，便可得拟合参数b、d；

(2)、利用常规三轴仪测定参数总应力强度指标c、

同等条件下制备三个直径50mm、高100mm的圆柱试样，将其中一个饱和后放置于三轴仪中，施加围压σ₃₁固结试样，固结完毕后关闭三轴仪排水管路，开始施加轴向应力_△σ，直到试样破坏，由此得破坏时轴向应力σ₁₁＝σ₃₁+_△σ，根据σ₃₁、σ₁₁画莫尔圆重新放置新的饱和试样，施加围压σ₃₂后重复以上步骤，从而得破坏时的轴向应力σ₁₂，并据此画莫尔圆；再重新放置新的饱和试样，施加围压σ₃₃，试验结束时得σ₁₃，并画莫尔圆，根据三个莫尔圆可得公切线，即强度线，进而可得切线的截距和斜率，而截距即为c，根据斜率可得

(3)、利用非饱和土直剪仪测定参数

根据式(5)可知，当不施加正应力σ于试样时，试样的强度可表示为

在非饱和直剪仪中放入饱和试样，在非饱和直剪仪压力室中加气压u_a，由于水路和大气联通，因此u_a-u_w＝u_a，在此情况下开始剪切，试样破坏时可得抗剪强度τ_f，增大u_a重复以上步骤，可得相应的抗剪强度，将τ_f与其对应的u_a＝u_a-u_w描在坐标系中，可得非饱和强度线；由该强度线即可得截距和斜率，而截距即为c，根据斜率得将此处得到的c值与步骤(2)中得到的c值平均，可作为式(10)中c的取值；

(4)、测定土体含水量θ，利用《土力学》确定土体的受力状态，即σ_z、σ₃的值：

从地基中取出湿土试样，测定其质量为m，试样中土颗粒的质量为m_s，则其中所含水的质量为m_w＝m-m_s，从而确定土体的含水量θ＝m_w/m_s，土体中任意深度z处的竖向应力σ_z＝γz+σ_p，而γ＝ρg，其中γ为土的重度(kN/m³)，ρ为土的密度(g/cm³)，g为重力加速度，σ_p为由上部建筑在z处产生的附加应力，σ₃＝K₀γz，其中K₀为静止侧压力系数，由土的种类决定，查《土力学》教材确定；

(5)、将土体所受到的小主应力σ₃代入公式：

求得土体处于临界破坏的极限状态时σ₁，当σ₁的理论值大于土体所受到的σ_z，表明土体处于安全状态；当σ₁等于土体所受到的σ_z，表明土体处于临界破坏的极限状态；当σ₁小于土体所受到的σ_z，表明土体已经破坏，从而判断出非饱和土受力后是否破坏。