膨胀土是一种特殊的灾害性软土,由于其不良的工程特性在全世界范围内都导致了许多工程问题或工程灾害。因此,开展对膨胀土处治方法及其处治后的强度特性研究,探讨其在非饱和状态下的强度变化规律,具有重要的理论意义和工程应用价值。本文针对广西南宁膨胀土,依托国家自然科学基金资助项目“膨胀土非线性流变特性研究”(项目编号:50978097),以及湖南省科技厅资助项目“膨胀土非线性流变特性本构模型研究”(项目编号:2010SK3047),开展了对非饱和膨胀土和非饱和石灰改良膨胀土强度特性的试验与理论研究。基于非饱和土理论,结合土-水特征曲线和三轴试验结果,建立了考虑基质吸力和径-法向应力作用的素膨胀土和石灰改良膨胀土抗剪强度模型,提出了双应力状态下非饱和土的抗剪强度确定方法。通过对试验结果的分析,探索了基质吸力和含水量对非饱和土强度的影响规律;揭示了石灰改良膨胀土的强度变化机理。研究结果可为实际工程中非饱和膨胀土的强度分析提供理论依据,也为快速确定非饱和土的抗剪强度指标提供了可靠的方法。本文所开展的主要研究工作和所取得的研究进展及创新结论如下。一、开展的主要研究工作(1)对南宁膨胀土和石灰改良膨胀土进行一系列常规室内试验,包括界限含水率试验、击实试验、膨胀性试验、标准吸湿含水率试验等,分析了石灰改良膨胀土的实际效果,用以确定试验研究中的最优掺灰比。(2)利用压力板对南宁膨胀土和石灰改良膨胀土进行了土-水特征试验,分别得到了不同压实度条件下未改良膨胀土和石灰改良膨胀土的土-水特征曲线。利用Fredlund-Xing模型,对试验数据进行了拟合,并分别对不同压实度条件下的未改良膨胀土和石灰改良膨胀土的模型参数进行了分析。(3)利用英国GDS仪器设备有限公司生产的全自动三轴仪(GDSTAS)对未改良膨胀土和非饱和土进行系列三轴试验。(4)将Vanapalli&Fredlund抗剪强度表达式和Fredlund-Xing 土-水特征曲线模型相结合,对未改良膨胀土和改良土抗剪强度进行分析,探索了不同基质吸力和净法向应力条件下土的抗剪强度变化规律。二、取得的主要研究进展和创新结论(1)基于Fredlund-Xing模型,分别构建了适合于素膨胀土和石灰改良膨胀土的土-水特征曲线模型,并通过拟合得到了相关的模型参数。通过对模型参数的分析,发现随着石灰改良膨胀土的进气值减小,残余含水量有所增大。在相同的基质吸力变化范围内,石灰改良膨胀土的含水率变化更小。说明石灰改良膨胀土的持水能力比素膨胀土较高、水稳定性比素膨胀土较好。(2)通过三轴试验研究发现,素膨胀土和石灰改良膨胀土在不同状态下的应力-应变关系曲线不同。在饱和状态下,素膨胀土的应力-应变关系主要以应变稳定和应变硬化型为主。石灰改良膨胀的应力-应变关系主要呈现为应变软化型。石灰改良膨胀土在非饱和状态下的应力-应变关系曲线呈明显的应变软化型,且随着基质吸力的增加,土的抗剪强度峰值点提前出现,且峰值强度明显提高。改良后膨胀土的粘聚力c受基质吸力影响明显,随着基质吸力的增加而增大,而内摩擦角φ则受基质吸力的影响较小。(3)基于非饱和土理论,对素膨胀土和石灰改良膨胀土进行了强度计算和分析。通过分析,探明了不同基质吸力和不同净法向应力条件下非饱和土的抗剪强度变化规律;得到了在τ-(σ-ua)-(ua-uw)三维空间的非饱和土的强度包络面。该强度包络面可以很直观地反映基质吸力和净法向应力对非饱和土的强度的影响。(4)根据饱和土三轴固结排水剪试验结果和非饱和土强度理论,提出了基于基质吸力和含水量的非饱和土抗剪强度指标(c和φ)的计算确定方法。在此基础上,建立了非饱和土抗剪强度计算理论。(5)通过对基质吸力和抗剪强度之间的变化关系分析发现,基质吸力对于非饱和土的抗剪强度的贡献是非线性的。当基质吸力较小时,随基质吸力的增大,非饱和土的抗剪强度逐渐提高;当基质吸力达到某一值时,随基质吸力的进一步增大,非饱和土的抗剪强度逐渐降低。亦即当基质吸力达到某一“最佳值”时,非饱和土的抗剪强度达到最大值。综上所述,本文通过对素膨胀土和石灰改良膨胀土的非饱和土强度特性的试验与理论研究,探索了基质吸力和含水量对非饱和膨胀土强度的影响规律,揭示了非饱和石灰改良膨胀土的强度变化机理,建立了能更好地反映膨胀土非饱和特性的分析模型和强度计算理论。研究结果为非饱和膨胀土强度分析提供了可靠的理论方法。