非饱和土的强度特性及其在边坡工程中的应用研究

引言

非饱和土在自然界中分布广泛，是边坡工程等众多土建项目中常见的地基土类型。其强度特性直接关系到边坡工程的稳定性与安全性，一旦把握不当，极易引发滑坡、坍塌等地质灾害，对工程建设和人民生命财产安全构成严重威胁。

一、非饱和土的基本性质与强度特性理论

1.1 非饱和土的基本物理力学性质

非饱和土是指孔隙中同时含有空气和水的土，其基本物理性质与饱和土存在显著差异。从组成来看，它由土颗粒、水和气体三相物质构成，三相比例的变化直接影响其物理状态。这类土的含水率通常处于不饱和状态，饱和度较低，孔隙结构复杂，既有连通的孔隙通道，也存在封闭的气泡。在力学性质方面，非饱和土的压缩性和渗透性表现特殊。由于气体的存在，土体在受压时，除了土颗粒的挤压变形，气体的压缩和逸出也会导致体积变化，使得压缩过程更为复杂。其渗透性则因孔隙中气体的阻隔而降低，且渗透系数会随含水率的变化发生明显改变。

1.2 非饱和土强度特性的理论基础

非饱和土强度特性的理论研究建立在有效应力原理的拓展应用之上。对于饱和土，有效应力主要由孔隙水压力决定，而在非饱和土中，除了孔隙水压力，孔隙气压力也会对有效应力产生影响，因此需要引入吸力的概念来描述这种复杂的应力状态。经典的非饱和土强度理论认为，其抗剪强度由两部分组成：一是由净应力引起的摩擦强度，与土颗粒间的滑动摩擦有关；二是由吸力产生的黏聚强度，这是由于吸力作用使土颗粒紧密结合，从而增强了土体的抵抗剪切能力。

1.3 影响非饱和土强度特性的主要因素

吸力是影响非饱和土强度的核心因素。吸力包括基质吸力和溶质吸力，其中基质吸力源于水的表面张力和毛细作用，随含水率的降低而增大，能显著提高土体的黏聚强度；溶质吸力则与孔隙水中的盐分浓度相关，通过改变孔隙水的渗透压影响土颗粒间的作用力。含水率的变化对非饱和土强度的影响显著。当含水率增加时，土颗粒间的水膜变厚，吸力减小，土体的黏聚力降低，强度随之下降；而含水率降低时，吸力增大，黏聚力提高，强度相应增加，但过度干燥可能导致土体开裂，反而影响整体强度。土的密度也会影响其强度特性。密实度较高的非饱和土，土颗粒排列紧密，颗粒间的接触面积大，摩擦力和黏聚力均较大，强度相对较高；反之，疏松的非饱和土强度较低。

二、非饱和土强度特性的试验研究

2.1 试验方案设计

非饱和土强度特性试验的方案设计需根据研究目的和实际工程需求确定。常见的试验类型包括三轴剪切试验和直剪试验，其中三轴剪切试验能更好地模拟土体在不同应力条件下的受力状态，应用较为广泛。在试验样品制备时，需选取具有代表性的非饱和土样，按照规定的压实度和含水率进行制备，确保样品的均匀性和一致性。试验参数的选取至关重要，需确定合适的吸力范围、围压大小和剪切速率等。吸力的控制可通过轴平移技术等方法实现，围压则根据工程实际中的应力水平设定，剪切速率需兼顾试验效率和试验结果的准确性。

2.2 试验过程与数据分析

试验过程中，首先对制备好的样品进行饱和或增湿、减湿处理，以达到预设的含水率和吸力状态。随后将样品安装到试验仪器中，施加预定的围压，待样品稳定后进行剪切试验。在剪切过程中，需实时监测轴向应力、轴向应变、孔隙水压力和孔隙气压力等数据。数据分析阶段，需对试验记录的数据进行整理和处理。通过绘制应力 - 应变曲线，确定土体的峰值强度和残余强度；结合孔隙水压力和孔隙气压力的变化，分析吸力在剪切过程中的作用机制。

2.3 试验结果讨论

试验结果的讨论旨在验证理论预期与实际情况的一致性，并分析试验中可能存在的问题。通过对比不同吸力条件下的强度数据，可明确吸力与非饱和土强度之间的正相关关系，即吸力越大，土体强度越高，这与非饱和土强度理论的基本结论相符。分析含水率变化对试验结果的影响，能进一步揭示含水率通过改变吸力来影响强度的内在机制。同时，需探讨试验过程中的误差来源，如样品制备的不均匀性、仪器测量精度的限制等，评估这些误差对试验结果的影响程度。对于试验结果与理论不符的情况，需深入分析原因，为完善非饱和土强度理论提供参考。

三、非饱和土强度特性在边坡工程中的应用

3.1 非饱和土边坡稳定性分析方法

对于非饱和土边坡稳定性分析，在考虑非饱和土的强度时，分析方法通常为极限平衡法及数值模拟法。极限平衡法的非饱和土边坡稳定性分析是将整个边坡等分为若干土条，再利用力和力矩的平衡关系式计算边坡稳定安全系数，在分析计算中需考虑引入非饱和土的抗剪强度参数，考虑吸力对强度的贡献值；数值模拟法采用有限元法、有限差分法等数值计算方法，在计算中模拟得更好一些，能全面模拟边坡土体的应力应变分布及强度变化过程，根据边坡稳定性分析问题，可建立试验采用非饱和土本构模型，输入试验得到的强度参数，计算边坡安全系数及潜在滑动面位置及方向，充分考虑土体的非线性及含水率的空间不均匀等，具有一定的优势，在复杂条件边坡工程更明显。

3.2 非饱和土边坡设计要点

非饱和土边坡设计需要考虑边坡的强度特性，适当控制边坡坡率和边坡高度。其中，坡率设计需考虑非饱和土抗剪强度，若非饱和土强度低，采用平缓的边坡坡率才能保证边坡稳定；边坡高度则取决于土体强度和变形特性，对高度予以限制，避免因为过高，导致边坡失稳。对于边坡排水设计是一个重要组成部分，设计合适的排水系统，能够有效控制边坡土体含水率，维持边坡较高吸力，确保土体具有较高的强度。排水形式为截水沟、排水沟和排水孔等，截水沟用于截取位于坡顶上方的地表水；排水沟将边坡的边坡表面雨水快速排除；排水孔，用来加速边坡内部水的消散。

3.3 非饱和土边坡加固技术应用

排水加固法是降低边坡土体的水分含量，增加边坡土体的吸力，提高边坡土体强度的方法。除设置常规排水设施外，也可以采用水平排水垫层、竖向排水井等方式来加快边坡内部水分的排出，降低由于降雨入渗所造成的边坡强度减小。加筋法是通过在边坡土体中铺设加筋材料，如土工格栅、土工布，借助于加筋材料与土体间的摩擦力与黏聚力提高边坡的整体抗剪强度。加筋材料铺设的位置和层数应该依据边坡高度和土体强度特征进行选择，以最大化利用加筋的效果。注浆加固法是将浆液注入边坡土体中，以填补土体中空隙、胶结土中土颗粒，改善土体结构和土体强度特性的方法。针对非饱和土边坡，通过注浆，可以增加土体密度，提高边坡吸力的作用效应，进而增强边坡的稳定性。针对非饱和土边坡选用的注浆材料应该满足浆液与非饱和土相适性要求，保障加固效果的长寿命化。

结语

由于非饱和土由复杂三相物质构成，并且受到多种因素控制，其强度特性是不寻常的，非饱和土强度性质是需要深入研究的问题，对解决边坡工程的安全性问题有至关重要的作用。通过对非饱和土的一些基本物理力学性质及非饱和土强度特性理论研究、试验测试过程的分析，更深入了解非饱和土强度变化规律。

参考文献

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