一种非饱和黄土抗剪强度特性的分析方法与流程
本发明属于土坡稳定性研究领域，涉及一种非饱和黄土抗剪强度特性的分析方法。
背景技术：
黄土是典型的非饱和土，在土坡、地基承载力稳定性分析评价中，土的抗剪强度指标是最重要的基本力学参数，所以需要用非饱和土的理论进行研究，非饱和土抗剪强度理论的研究仍以饱和土的强度理论为基础，引进了吸力的概念，其中具代表性的是bishop和fredlund的抗剪强度公式，已被广泛接受，bishop等提出了非饱和土抗剪强度表达式：τf＝c′+[(σ-ua)+χ(ua-uw)]tanφ′，式中：c′为饱和土的有效凝聚力，σ为破坏时在破坏面上的法向总应力，ua为破坏时在破坏面上的空隙气压力，uw为破坏时在破坏面上的孔隙水压力，φ′为与净法向应力(σ-ua)有关的内摩擦角，χ是经验系数，它与饱和度，应力路径及土的类型有关，其值的确定较为困难，因而限制了该公式的推广；应用最多的是fredlund的理论，认为非饱和土的抗剪强度可以用扩展的mohr圆表示，其表达式为
技术实现要素：
本发明目的在于利用fredlund理论，设计一种方法方案用于非饱和黄土抗剪强度特性的研究，从而运用到黄土滑坡发生机理的研究和土坡的稳定性分析评价中。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种非饱和黄土抗剪强度特性的分析方法，按如下步骤进行：
步骤一，取样制样，采用探井法在指定区域取样，土样制备规格尺寸为面积为30cm2,厚度为20mm的圆柱形；
步骤二，设置试验组，每一种土样可设置5组，分别在控制吸力的情况下，然后逐级加大竖向应力为4个等级，采用20个试样进行固结排水剪切试验；
步骤三，固结排水剪切试验，使用非饱和土直剪仪，将土样装入剪切盒后，先加基质吸力进行固结排水，待试样排水及体积变化都稳定后，再加竖向应力，稳定后再加横向剪切速率进行剪切,根据破坏剪切面得出结论；
步骤四，强度参数的确定，采用计算机记录固结排水剪切试验中的数据，根据扩展的mohr圆表达式对非饱和土的抗剪强度进行表示，
步骤五，含水量对强度参数的影响，根据计算机记录固结排水剪切试验中的数据，绘制吸力-含水量的关系曲线、粘聚力-含水量的关系曲线、内摩擦角-含水量的关系曲线，并根据曲线得出结论；
步骤六，吸力对强度参数的影响，根据计算机记录固结排水剪切试验中的数据，绘制粘聚力-吸力的关系曲线、内摩擦角-吸力的关系曲线，并根据曲线得出结论。
进一步，所述土样可选择马兰黄土q3或者古土壤。
进一步，在步骤二中，所述控制吸力是指把吸力设定为5个定值，分别为0kpa、50kpa、100kpa、200kpa、400kpa，然后选定其中任意一种进行试验。
进一步，在步骤二中，所述竖向应力的4个等级为50kpa、100kpa、200kpa、400kpa。
进一步，在步骤三中，所述土样变性稳定的标准为：每两小时形变量不超过0.01mm；排水量的稳定标准是：每两小时排水量不超过0.012mm3。
进一步，在步骤三中，所述横向剪切速率为0.003-0.004mm/min。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：本发明充分考虑了土体整体的受力特点，对土坡整体滑移情况进行了数据参数的分析，并且考虑了含水量和吸力对于非饱和黄土的影响，从而能够更为全面的反映土坡的滑移破坏，本发明涉及方法可准确全面的分析非饱和黄土抗剪强度，可运用于黄土坡滑坡发生机制的研究。
附图说明
图1为本发明中的剪应力-竖向应力关系曲线，即τ-(σ-ua)关系曲线。
图2为本发明中的粘聚力-吸力关系曲线，即c-s关系曲线。
图3为本发明中马兰黄土q3在吸力条件为50kpa下的剪应力-竖向应力关系曲线。
图4为本发明中马兰黄土q3在吸力条件为100kpa下的剪应力-竖向应力关系曲线。
图5为本发明中马兰黄土q3在吸力条件为150kpa下的剪应力-竖向应力关系曲线。
图6为本发明中马兰黄土q3在吸力条件为200kpa下的剪应力-竖向应力关系曲线。
图7为本发明中马兰黄土q3的吸力-含水量的关系曲线。
图8为本发明中马兰黄土q3的粘聚力-含水量的关系曲线。
图9为本发明中马兰黄土q3的内摩擦角-含水量的关系曲线。
图10为本发明中马兰黄土q3的粘聚力-吸力的关系曲线。
图11为本发明中马兰黄土q3的内摩擦角-吸力的关系曲线。
图12本发明中古土壤在吸力条件为50kpa下的剪应力-竖向应力关系曲线。
图13为本发明中古土壤在吸力条件为100kpa下的剪应力-竖向应力关系曲线。
图14为本发明中古土壤在吸力条件为150kpa下的剪应力-竖向应力关系曲线。
图15为本发明中古土壤在吸力条件为200kpa下的剪应力-竖向应力关系曲线。
图16为本发明中古土壤的吸力-含水量的关系曲线。
图17为本发明中古土壤的粘聚力-含水量的关系曲线。
图18为本发明中古土壤的内摩擦角-含水量的关系曲线。
图19本发明中古土壤的粘聚力-吸力的关系曲线。
图20为本发明中古土壤的内摩擦角-吸力的关系曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种非饱和黄土抗剪强度特性的分析方法，按如下步骤进行：
步骤一，取样制样，采用探井法在延安方塔水库周边一滑坡体取样，土样制备规格尺寸为直径61.8mm,面积为30cm2,厚度为20mm的圆柱形。
步骤二，设置试验组，马兰黄土q3共设置5组，分别在控制吸力的情况下，即把吸力设定为5个定值，分别为0kpa、50kpa、100kpa、200kpa、400kpa，然后逐级加大竖向应力为4个等级，分别为50kpa、100kpa、200kpa、400kpa，采用20个试样进行固结排水剪切试验，具体试验方案如下表。
步骤三，固结排水剪切试验，使用4fdj-20型四联非饱和土直剪仪(江苏溧阳市永昌工程试验仪器设备有限公司)，将土样装入剪切盒后，先加基质吸力进行固结排水，待土样排水及体积变化都稳定后，即每两小时土样形变量不超过0.01mm以及每两小时土样排水量不超过0.012mm3，再加竖向应力，待土样排水及体积变化都稳定后，再加横向剪切速率0.035mm/min进行剪切。
步骤四，强度参数的确定，采用计算机记录固结排水剪切试验中的数据，根据扩展的mohr圆表达式对非饱和土的抗剪强度进行表示，
令
步骤五，含水量对强度参数的影响，根据计算机记录固结排水剪切试验中的数据，绘制吸力-含水量的关系曲线(如图7所示)，粘聚力-含水量的关系曲线(如图8所示)，内摩擦角-含水量的关系曲线(如图9所示)，并得出结论：随着含水量的增加，使得颗粒间的摩擦力随之降低，所以吸力和粘聚力均呈现下降趋势，内摩擦角变化不大，吸力的减小降低了土颗粒之间的有效应力，从而使土的抗剪强度减少。
步骤六，吸力对强度参数的影响，根据计算机记录固结排水剪切试验中的数据，绘制粘聚力-吸力的关系曲线(如图10所示)，内摩擦角-吸力的关系曲线(如图11所示)，并得出结论：在恒定竖向应力的作用下，且在试验所做的吸力范围内，抗剪强度随基质吸力的增加而增加，内摩擦角只有微小的变化，粘聚力则随着基质吸力的增加有显著的增加。
实施例2
一种非饱和黄土抗剪强度特性的分析方法，按如下步骤进行：
步骤一，取样制样，采用探井法在延安方塔水库周边一滑坡体取样，土样制备规格尺寸为直径61.8mm,面积为30cm2,厚度为20mm的圆柱形。
步骤二，设置试验组，古土壤试样共设置5组，分别在控制吸力的情况下，即把吸力设定为5个定值，分别为0kpa、50kpa、100kpa、200kpa、400kpa，然后逐级加大竖向应力为4个等级，分别为50kpa、100kpa、200kpa、400kpa，采用20个试样进行固结排水剪切试验，具体试验方案如下表。
步骤三，固结排水剪切试验，使用4fdj-20型四联非饱和土直剪仪(江苏溧阳市永昌工程试验仪器设备有限公司)，将土样装入剪切盒后，先加基质吸力进行固结排水，待土样排水及体积变化都稳定后，即每两小时土样形变量不超过0.01mm以及每两小时土样排水量不超过0.012mm3，再加竖向应力，待土样排水及体积变化都稳定后再加横向剪切速率0.035mm/min进行剪切。
步骤四，强度参数的确定，采用计算机记录固结排水剪切试验中的数据，根据扩展的mohr圆表达式对非饱和土的抗剪强度进行表示，
令
步骤五，含水量对强度参数的影响，根据计算机记录固结排水剪切试验中的数据，绘制吸力-含水量的关系曲线(如图16所示)，粘聚力-含水量的关系曲线(如图17所示)，内摩擦角-含水量的关系曲线(如图18所示)，并得出结论：随着含水量的增加，使得颗粒间的摩擦力随之降低，所以吸力和粘聚力均呈现下降趋势，内摩擦角变化不大，吸力的减小降低了土颗粒之间的有效应力，从而使土的抗剪强度减少。
步骤六，吸力对强度参数的影响，根据计算机记录固结排水剪切试验中的数据，绘制粘聚力-吸力的关系曲线(如图19所示)，内摩擦角-吸力的关系曲线(如图20所示)，并得出结论：在恒定竖向应力的作用下，且在试验所做的吸力范围内，抗剪强度随基质吸力的增加而增加，内摩擦角只有微小的变化，粘聚力则随着基质吸力的增加有显著的增加。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出更动或修饰等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，均仍属于本发明技术方案的范围内。
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