剪切速率对黏土不排水强度影响的试验研究.pdf

2 0 1 3年第 1 期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 73 文章 编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 0 1 - 0 0 7 3 0 3 剪切 速率对黏 土不排水 强度影 响的试验研 究 吕宾林 ， 王金 文。 ， 蔡德 钩 ( 1 中国铁道科学研究 院 铁道建筑研究所 ， 北京1 0 0 0 8 1 ； 2 中国铁 道科 学研 究院 高 速铁 路轨 道技术 国家重点实验室 ， 北 京 1 0 0 0 8 1 ； 3 中铁 建设集团有限公司 ， 北京 1 0 0 0 4 0 ) 摘要 ： 通过三轴试验和直剪试验 ， 研究 了剪切速率对于饱和黏 土三轴不排水抗剪强度与 固结快剪强度的 影响。对 于固结不排水三轴试验结果分析表 明， 随着剪切速率的增加， 三轴固结不排水强度和内摩擦 角 不断增大； 随着剪切速率的增加 ， 固结直剪强度和 内摩擦角不断减小； 固结压力较小时， 剪切初期速率对 于应 力应 变 关 系的影 响较 小 ； 固结压 力较 大 时 ， 速 率 的影 响更 显著 。 关 键 词 ： 剪切 速 率 三 轴 固结 不排 水强 度 固结直剪 强度 中图 分类 号 ： T U 4 1 1 7文献 标识 码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 - 1 9 9 5 2 0 1 3 O 1 2 3 抗剪强度是衡量黏土力学性质 的一个重要指标 ， 在验算地基承载力 、 评价边坡稳定性 以及计 算土压力 中都有应用。工程实践 中对于抗剪强度经常用室 内三 轴试验 、 直剪试验或十字板剪切试验来确定 ， 而试验中 经常会遇到剪切速率 问题 ， 不 同的剪切速率下得到的 强 度亦 不 尽相 同。 黏土 由于其本身具有流变特性 ， 土体变形与时间 密切相关 。事实上 ， 实验室测试黏土 的抗剪强度时施 加 的剪切速率与实 际工程的加载速率有很大 的不 同。 故对不 同应变速率下黏土强度变化研究有很重要的工 程 意 义 ， 尤其 是在 通过 室 内试 验 测 试 黏 土 的 不 排水 抗 剪强度时 ， 需要对此予以关注。 国内外很多学者对不同剪切速率下黏土的变形和 强度研 究做 了许 多工作 。D i n e s h等 建立 了考虑加 荷速率影响条件下不同超固结 比土的不排水抗剪强度 试验模型。T h o ma s 等 重 点研究 了剪切速率对超 固 结黏土不排水强度的影响 ， 发现当剪切速率较小时， 随 着 固结 比的增加 ， 黏土不排水抗剪强度的速率敏感度 不断降低 ； 当应变速率 5 时， 不排水强度 的加荷速 率敏感度大概保持在 9 左右。潘永坚等 通过对 宁 波大榭软原状 软土室内试验分析 ， 发现剪切速率 0 8 mm m i n 的内摩擦角比 2 4 m m m i n 平均大近一倍。阚 卫明 针对宁波粉质黏土做了固结快剪试验 ， 结果表 明随着剪切速率的增加 ， 内摩擦 角不断减小。对剪切 速率比较敏感的粉质黏土在做 固结快剪试验时 ， 宜采 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 6 2 5 ； 修回 日期 ： 2 0 1 2 1 0 2 0 基金项 目： 中国铁 道科学研究 院基金 ( 2 0 1 1 Y J 8 6 ) 作者简 介： 吕宾林 ( 1 9 7 6 一 )， 男 ， 山东 日照人 ， 工程师 ， 硕士。 用较大的剪切速率 。当内摩擦角选择过大时 ， 将使工 程的质量降低 ， 存在安全风险 ； 而 内摩擦 角过小 ， 经济 性比较差 ， 因此有必要对不同剪切速率下黏土的固结 快剪指标进行深入研究。 三轴仪 由于能够严格控制排水条件， 应力状态也 比较明确， 然而 ， 由于 国内三轴仪应用并 不广泛 ， 具体 操作时 ， 多用直剪仪确定强度指标。直剪指标直接影 响到设计 中一些指标 的选取， 并对施工 的质量与经济 性产生影响。有必要对三轴仪与直剪仪在不 同剪切速 率作用下黏土强度 的变化进行对 比分析 。本文做了一 系列三轴试验与直剪试验 ， 重点研究 了剪切速率对于 黏土不排水强度的影响。 1 剪切速 率对 于黏 土不 排水 强度的影 响试验 黏土土样取 自某软土地基， 位置为深 1 0 m处 ， 地下 水位 0 5 1 0 m左右， 中压缩性。具体物理指标见表 1 。 表 1原状土主要物理参数 三轴试验采用应力应变控制式三轴剪切试验仪， 可进行 u u试验、 C U试验、 C D试验和反压力饱和等试 验。剪切试验采用应变控制式直剪仪 ， 速率0 0 0 0 1 4 5 m m m i n 。试 验步 骤如下 ： 1 ) 按照规范要求制取土样 ， 三轴试验为直径 3 9 1 m m、 高 8 0 m m 的圆柱体 ， 直剪试验为面积 3 0 c m 、 高 度 2 c m的土样 ， 土样制成进行抽真空饱 和， 制备饱和 土样 。 7 4 铁道建筑 2 ) 三 轴试 验 土 样 分别 在 5 0 k P a ， 1 0 0 k P a ， 2 0 0 k P a ， 3 0 0 k P a围压下等向固结 ， 固结完成以超孔压完全 消散为标准； 直剪试验首先在预压仪中以 5 0 k P a ， 1 0 0 k P a ， 2 0 0 k P a ， 3 0 0 k P a 垂 直 压 力 固结 1 d ， 之 后将 试 样 放入直剪仪， 剪切试样上下面均放置不排水板， 加相应 的垂 直压 力 。 3 ) 三轴 试验 分别在 轴 向应变速 率 0 叭 m i n ， 0 0 5 m i n ， 0 1 0 m i n下进 行不排 水剪切 ； 直剪试 验分 别在速 率 0 0 0 1 m m m i n ， 0 0 1 0 mm mi n ， 0 1 0 0 m m mi n 下进 行 。 4 ) 三轴试 验 的强 度指 标采 用 总 应力 指 标 ； 直 剪试 验 的测力 环读 数 由人 工记 录 ， 乘 以测 力计 率 定 系 数 可 得 出相应 的剪应力值。 2 试验 结果分析 2 1 固结不 排水 三轴试 验结 果 对于三轴试验不排水静强度 的确定有两种 ， 当应 力应变 曲线呈应 变 硬化 形 式 ， 即不 出现 峰值 时 ， 取 1 5 轴向应变 占 。 对应的主应力差 ( 一 ) 的一半 ； 当应 力应变 曲线 呈软 化 形 式 时 ， 取 达 到最 大 峰值 的 主 应力 差 的一半 。 图 1为不同剪切速率下饱和黏土的三轴 固结不排 水 强度 。可 以看 出 ， 土 样 的应 力 应 变 曲线 呈 双 曲线形 发展 ， 初期应力发展较快 ， 之后发展缓慢 ， 但并未稳定 。 固结压力为 5 0 k P a时 ， 在剪切初期 ， 应力应变 曲线几 l 霎 ： ， ( a ) 围压5 0 k P a 】 ， ( b ) 围压l O 0 k P a 图 1 不同剪切速率下黏土三轴固结不 排水 强度 乎重合 ， 轴向应变达到 3 之后 ， 剪切 速率对于应力应 变 曲线的影响开始体现 ， 相同轴向应变下 ， 随着剪切速 率 的增 加 ， 主应 力 差 不 断 增 大 ， 达 到破 坏 标 准 时 ， 0 1 0 m i n的 主 应 力 差 比 0 0 l m i n小 1 3左 右 ； 当 固结 压力 为 1 0 0 k P a时 ， 剪切 速 率 对 应力 应 变 曲线 的影 响就 比较 明显 ， 初 始 阶段 未 出现 曲线 重合 现象 ， 随 着速 率 的增 加 ， 主应 力 差 不 断 增 大 ， 达 到破 坏 时 ， 0 1 0 m i n 的主应 力差 比 0 0 1 mi n 小 l 3左 右 。 表 2为黏土的强度指标 ， 可以看 出内摩擦角 随剪 切速率的增加而增大 ， 但黏聚力的变化规律不明显 。 表 2饱和黏 土三轴 固结不排水 强度指标 出现上述规律的原 因可 以归纳为 ， 高加荷速率条 件下， 外部荷载对于黏土的扰动作用来不及发挥， 土体 提供 的抗力较高 ； 而在较低加荷速率作用下 ， 土样的扰 动有充足时间发挥 ， 致使土样内部结构破坏 ， 土粒与粒 组重新排列组合 ， 其提供 的抗力会小于高剪切速率。 2 2 固结直 剪试 验结 果 对 于直 剪试 验强 度 的确 定 ， 当 ( 剪 应 力 ) s ( 剪 切位移 ) 曲线出现峰值时取峰值强度 ； 无峰值 时， 应剪 切至 位移 为 6 m m 处停 机 。 图 2为不 同剪切 速 率 下 饱 和黏 土 固结 直剪 强 度 。 当垂直压力为 5 0 k P a时 ， 剪切初期不同速率下土样的 剪应力重合 ， 当剪切位移超过 2 m m后 ， 剪切速率对于 应力应变关系曲线影响较大 ， 速率越大 ， 剪应力越小 ， 其中速率为 0 0 1 0 m m m i n 时 ， 曲线出现软化， 其它速 率 均为 应变硬 化 ； 当垂直 压 力为 1 O 0 k P a时 ， 土样 的应 力应变曲线呈应变软化型， 剪切初期应力增长较快 ， 达 到峰值后 ， 出现软化， 应力稍有下降 ， 之后随剪切变形 的增加应力不再变化。剪切速率越高 ， 出现峰值强度 时对应 的变形越大 ； 剪切速率越低 ， 峰值强度对应的变 形越 小。当速 率 为 0 1 0 0 mm m i n 时 ， 强度 约 为 4 0 k P a ， 远远 小于速 率 为 0 0 0 1 mm mi n 时 的强度 7 0 k P a 。 由上可以看出， 剪切速率对于饱和黏 土的固结直 剪强度影响较大 ， 剪切速率越 大， 强度越小 ； 剪切速率 越小 ， 强度越大。这与三轴不排水剪切的结果相反 ， 出 现 这种结 果 的原 因主要 是 ， 直 剪 试 验 对 于排 水 的控 制 有限 ， 尽管试样上下放置不透水板 ， 但剪切期间依然会 有土中水从周边缝隙， 以及上下盒剪切带处流出 ， 水的 流出对土样又是一个 固结过程。低剪切速率下 ， 黏土 中水流 出的较多 ， 固结程度较高 ， 相应的土样抗剪强度 2 0 1 3年第 1期 吕宾林等 ： 剪切速率对黏土 不排 水强度影响的试验研究 7 5 曼 s ram ( a )垂直压力5 O k P a 2 4 6 8 s ram ( b ) 垂直压力1 0 0 k P a 图 2 不同剪切速率下黏土 固结直剪 强度 亦较大 ； 高速率下 ， 土中水流出的较少 ， 固结程度较低 ， 其强度就小 。如此 ， 便解释 了三轴不排水试验和 固结 快剪试验结果 的差异性。表 3为黏土的直剪强 度指 标 ， 可以看出内摩擦角随剪切速率 的增加而减小 ， 而黏 聚 力 的变化 规律 不 明显 。 3 结论 通过试验 ， 研究 了剪切速率对于饱和黏土固结三 Ex p e r i m e n t a l s t u d y o f i n flu e n c e o f 表 3饱和黏土 直剪强度指标 轴不排水强度与固结直剪强度的影响， 得到结论如下 ： 1 ) 剪切速率对饱和黏土三轴 固结不排水强 度影 响较大 ， 剪切速率越高， 抗剪强度越大 ， 内摩擦角越大。 2 ) 剪切速率对饱和黏土固结直剪强度影响较大 ， 剪切速率越高 ， 抗剪强度越小 ， 内摩擦角越小。剪切速 率越高 ， 出现峰值强度时对应的变形越大 ； 剪切速率越 低 ， 峰值强度对应的变形越小。 3 ) 固结压力较小时 ， 剪切初期速率对 于应力应变 曲线的影响较小 ； 固结压力较大时 ， 速率对 曲线的影响 更 显著 。 参 考 文 献 1 D I N E S H R K， T A N G J P U n d r a i n e d r e s p o n s e o f c l a y s t o v a r y i n g s t r a i n r a t e J J o u r n a l o f G e o t e c h n i c a l a n d G e o e n v i r o n - m e n t a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 2 7 8 - 2 8 2 2 T HO M A S C S ， C H A R L E S C L ， J O HN T G R a t e - d e p e n d e n t u n d r a i n e d s h e a r b e h a v i o r o f s a t u r a t e d c l a y J J o u r n a l o f G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 6 ， 1 2 2 ( 2 ) ： 9 9 1 0 8 3 潘永 坚 ， 楼希华 不同剪切速率下软土的直剪固结快剪抗剪 强 度 J 工程勘察 ， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 3 7 3 9 4 阚卫明， 刘爱民 剪切速率对粉质黏土抗剪强度的影响 J 中国港 湾建设 ， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 2 3 2 6 5 陈锋 ， 同鑫 ， 蔡德钩， 等 重塑饱和黏土蠕变和动三轴土样的 微 观结 构试 验研究 J 铁 道建筑 ， 2 0 1 2 ( 1 2 ) ： 7 O 一 7 2 s h e a r r a t e o n c l a y u n d r a i n e d s t r e n g t h 曲B i n l i n ， WAN G J i n w e n 。 ， C A I D e g o u ， ( 1 R a i l w a y E n g i n e e r i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e C h i n a A c a d e m y o f R a i l s S c i e n c e ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a ； 2 S t a t e Ke y L a b o f t r a c k t e c h no l o g y o f h i g h s p e e d r a i l wa y Ch i n a Ac a d e my o f Ra i l s S c i e n c e， B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a ； 3 C h i n a R a i l w a y C o n s t r u c t i o n Gr o u p C o ， L t d ， Be i j i n g 1 0 0 0 4 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h i s p a p e r s t u d i e d t h e i n flu e n c e o f s h e a r v e l o c i t y o n t r i a x i a l c o ns o l i d a t e d u n d r a i n e d s h e a r s t r e n g t h a n d c o n s o l i d a t e d q u i c k s h e a r s t r e n g t h o f s a t u r a t e d s o ft c l a y b y t r i a x i a l t e s t a n d d i r e c t s h e a r t e s t Th e t e s t r e s u l t s s h o we d t h a t t he i n t e r n a l f r i c t i o n a n g l e o f t r i a x i a l c o n s o l i d a t e d u n d r a i n e d s t r e n g t h i nc r e a s e s c o n s t a n t l y a n d t h e i n t e r na l f r i c t i o n a n g l e o f c o ns o l i d a t e d d i r e c t s h e a r s t r e n g t h d e c r e a s e s g r a d u a l l y wi t h t h e s h e a r v e l o c i t y i n c r e a s i n g，t h e i n f l u e n c e o f e a r l y s h e a r v e l o c i t y o n s t r e s s s t r a i n c u r v e i s l i t t l e wi t h l o w c o n s o l i d a t i o n p r e s s u r e，wh i l e t h e v e l o c i t y h a s a s i g n i f i c a n t e f f e c t o n t h e c u rve wh e n t h e c o n s o l i d a t i o n p r e s s u r e i s h i g h Ke y wo r d s： S h e a r v e l o c i t y； T r i a x i a l c o n s o l i d a t e d u n d r a i n e d s t r e n g t h； Co n s o l i d a t e d d i r e c t s h e a r s t r e n g t h ( 责任 审编 王红) 时 d ) 一