剪切速率对重塑饱和黏土强度影响试验_史卜涛.pdf

第 45 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.2 2017 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Geological Survey of Jiangsu Province, Nanjing 210018, China Abstract The shear strength of the saturated remolded clay with different dry densities is studied under different shear rates. The relationship between shear rate and the shear stress-displacement curve is discussed. The relation between internal friction angle and the shear rate is analyzed. The results show that the smaller density of soil, the more obvious effect of shear rate on the internal friction angle is. The shear rate mainly influences the pore water pressure near the shear surface. With the shear rate increasing, the excess pore water around the shear surface cannot dissipate completely, leading to the reduction of the soil strength. With the given normal stress, the increase of the pore water pressure around shear surface caused by different shear rates is proportional to the decrease of the failure shear stress. When the shear displacement is 7 mm, the faster the shear rate, the straighter the moving track of soil particles as well as the flatter the shear failure surface. Keywords direct shear test; strength parameters; shear rate; pore water pressure 承载力、侧向土压力和边坡稳定性等岩土问题 都与土体抗剪强度有关。确定土体抗剪强度时，无 论是饱和土体还是非饱和土体，加载速率都是影响 强度参数的重要因素[1-2]。 研究应变速率对黏土抗剪强度的效应，目前大 多采用三轴不排水试验[3-7]。J A Diaz-Rodrigues 等[8] 采用三轴不排水试验研究了墨西哥城黏性土的强度 与应变速率的关系，指出在一定围压范围内，随着 轴向应变速率的增大， 应变–应力曲线的峰值不断增 大，并且应力–应变曲线由硬化型变为软化型。齐剑 峰等[9]研究了饱和黏土在三轴不排水试验条件下应 变速率与强度的变化关系，发现饱和黏土强度随着 应变速率的增大而增大。而蔡羽等[10]对强结构性黏 土研究发现，固结不排水试验剪切强度随着应变速 率的增大而呈先减小后增大的特性，存在临界应变 速率。 也有学者采用直剪仪和环剪仪研究剪切速率对 黏土抗剪强度的影响。徐肖峰等[11]利用直剪仪研究 ChaoXing 第 2 期 史卜涛等 剪切速率对重塑饱和黏土强度影响试验 91 了剪切速率对粗粒土强度的影响，发现内摩擦角随 着剪切速率的增大而减小。孙涛等[12]利用环剪仪研 究了超固结比和剪切速率对黏土强度的影响，不同 超固结比的黏土峰值强度和残余强度有着明显的不 同。剪切速率越大，峰值强度越大，但剪切速率对 残余强度几乎没有影响。 三轴不排水试验剪切速率引起抗剪强度变化的 原因主要是由剪切破坏模式和孔隙水压力分布不同 造成的。确定剪切破坏面的位置及孔隙水压力，是 解决剪切速率对饱和土体强度影响的关键。三轴试 验有劈裂、剪切和鼓胀 3 种破坏模式，目前没有有 效的手段确定剪切破坏面的位置和形状。三轴不排 水试验测得的孔隙水压力是试样底部的孔隙水压 力，破坏剪切面周围的孔隙水压力如何，是否和底 部的孔隙水压力一致，也是制约三轴试验分析应变 速率和抗剪强度关系的不利因素。 直剪试验克服了这种困难。直剪试验的剪切破 坏面是确定的，孔隙水压力随剪切速率的变化，可 以通过试验数据反映出来。因此，分析剪切速率对 抗剪强度的影响选用直剪试验较为合适。试验土样 选用重塑饱和黏土，重塑饱和黏土的黏聚力一般为 零[13]，消除了剪切速率对黏聚力的影响，集中分析 孔隙水压力对内摩擦角的影响。 本文采用两种不同干密度土样，分析了剪切速 率对不同干密度土样的剪应力–剪位移曲线及抗剪 强度的影响。讨论了剪切速率影响剪切面附近孔隙 水压力及影响抗剪强度的过程。研究了剪切速率对 剪切面排水情况及土样剪缩性的影响，并结合剪切 面的形状，分析了产生这种影响的原因。 1 试样制备及试验方案 试验土样取自于江苏省射阳县海通镇的黏土，土 粒相对密度为 2.71。将土样风干后，粉碎，过 0.1 mm 的筛，并测其含水率。用压样法分别制备干密度为 1.344 g/cm3和 1.537 g/cm3的土样。每一干密度土样 制备 5 组， 每组 4 个土样， 两种密度共 40 个环刀样。 将带环刀的土样装入饱和器，并放入真空缸中，使 试样完全饱和。各组土样分别以 0.02、0.1、0.5、0.8 和 2.4 mm/min 的剪切速率进行剪切， 并对每个试样编 号，根据试验数据绘制剪应力–剪位移曲线。 2 试验结果及分析 2.1 剪应力–剪位移曲线特性 对同一密度的土样，分别量测不同剪切速率下 的剪应力及其对应的剪位移， 绘制剪应力–剪位移曲 线，如图 1。 图 1 不同剪切速率下剪应力–剪位移曲线 Fig.1 Shear stress-displacement curves under different shear rates 图 1 中，重塑黏性土体在初始时刻剪切力迅速 增大，随着剪位移的增大，剪应力的增幅减小，当 达到一定剪位移时， 剪切力变化很小或趋于一定值。 在相同法向应力作用下，破坏时剪应力随着剪切速 率的增大而减小。剪应力–剪位移曲线大都没有峰 值，但是在剪切速率为 2.4 mm/min，两种土样的曲 线有峰值，密度为 1.537 g/cm3土样在法向应力为 200 kPa、300 kPa 时，出现明显的峰值。 2.2 不同剪切速率下的强度参数 对于饱和重塑黏性土，根据土工试验方法标 准 ，取剪位移为 4 mm 对应的剪应力为抗剪强度。 根据摩尔–库伦强度破坏理论，绘制土体强度破坏 曲线。利用常规的 4 组数据拟合饱和重塑土破坏曲线 时，在不同剪切速率条件下饱和重塑土破坏曲线在纵 轴上的截距的数值都很小。 土样密度为 1.344 g/cm3时， 截距变化范围为 00.95 kPa；土样密度为 1.537 g/cm3 时，拟合曲线的截距变化范围为–2.91.6 kPa。另一 方面，重塑饱和黏性土的黏聚力一般为零[13]，因此， 可以设定拟合曲线都通过原点，拟合结果如图 2 所示。 ChaoXing 92 煤田地质与勘探 第 45 卷 图 2 不同剪切速率条件下破坏强度曲线 Fig.2 Curves of failure strength under different shear rates 内摩擦角与剪切速率的关系如图 3。可以看出， 内摩擦角随着剪切速率的增大而减小， 但是两种密度 的变化幅度是不一样的密度为 1.344 g/cm3的土样 内摩擦角变化比 （速率为 0.02 mm/min 与 2.4 mm/min 时的内摩擦角变化量与速率为 0.02 mm/min 时的内 摩擦角的比值）为 71.90；密度为 1.537 g/cm3的土 样内摩擦角变化比为 80.77。可以得出密度越小， 剪切速率对内摩擦角影响越明显。利用对数函数对 数据拟合，拟合曲线的相关系数 R2分别为 0.961 6 和 0.991 5。因此，内摩擦角和剪切速率的关系可以 图 3 剪切速率与内摩擦角变化关系 Fig.3 Relationship between the internal friction angle and the shear rate 表示为  123 lnkkvk 1 式中 为内摩擦角，；k1、k2、k3为试验参数；v 为剪切速率，mm/min。 2.3 剪切速率与抗剪强度的关系 在相同法向应力作用下，抗剪强度随着剪切速 率的增大而减小，而且法向应力越大，这种作用越 明显。如图 4，抗剪强度和剪切速率呈很好的线性 关系，相关系数 R2都大于 0.923 7。因此，抗剪强度 和剪切速率的关系可以表示为 12f v 2 式中 f 为抗剪强度，kPa；μ1、μ2是与法向应力和 土体性质有关的参数。 拟合曲线的截距 μ2与剪切速率为 0.02 mm/min 相当于慢剪对应的抗剪强度 f 基本相等，因此可 以表示为 ff v 3 式2试验参数 1 为负值随着法向应力的增大 而减小，说明法向应力越大，剪切速率对抗剪强度 的影响越明显，不同剪切速率引起的抗剪强度差值 f 越大。 图 4 抗剪强度与剪切速率的关系 Fig.4 Relationship between shear strength and shear rate ChaoXing 第 2 期 史卜涛等 剪切速率对重塑饱和黏土强度影响试验 93 从图 4 看出， 土样干密度为 1.537 g/cm3时的 1  变化幅度为 13.24，干密度为 1.334 g/cm3的 1 变化 幅度为 8.39。密度越小， 1 的变化幅度越小。 图 5 为干密度为 1.537 g/cm3的饱和土样，在不 同剪切速率下的竖向位移。剪位移为 7 mm 时，剪 切速率为 0.02、0.5 和 2.4 mm/min 对应的竖向位移 分别是 0.075、0.070 和 0.062 mm。剪切速率越大， 竖向位移的绝对值越小。产生这种结果的原因是由 于孔隙水排水程度不同造成的，在较大的剪切速率 条件下，土体的剪缩性减弱。 图 5 竖向位移与剪切速率的关系 Fig.5 Relationship between vertical displacement and shear rate 3 破坏机理分析 从试验数据分析来看，重塑饱和黏性土的抗剪 强度随着剪切速率的增大而减小，内摩擦角随着剪 切速率的增大而减小，这是由于不同剪切速率条件 下，剪切面周围孔隙水压力不同造成的。土工试验 中的慢剪，剪切速率为 0.02 mm/min， 可以认为黏性 土强度参数接近有效强度参数。本试验采用的剪切 速率为 0.022.4 mm/min，从图 2 的结果看出，在此 范围内剪切速率对抗剪强度的影响比较明显。 目前，土体破坏理论一般采用摩尔–库伦理论。 根据太沙基有效应力原理，土体内的剪应力由土体 骨架承担。土的抗剪强度表示为破坏面上的有效应 力函数，摩尔–库伦公式为 tan f cu 4 式中 为有效内摩擦角，； c 为有效黏聚力， kPa；u 为剪切面上的孔隙水压力，kPa；为法向 应力，kPa。 图 6 为重塑土在不同剪切速率下的破坏线[14]。剪 切速率为 0.02 mm/min 时， 土体完全排水， 剪切破坏面 没有孔隙水压力的影响。法向应力为 σ1时，对应在破 坏曲线 f f上的坐标为σ1，τ1。剪切速率大于 0.02 mm/min 时，土体排水不完全，剪切破坏面周围孔 隙水压力为u。此时土体的有效应力为 σ2，对应破坏 曲线 f f上的点为σ2，τ2，但是在进行曲线拟 合时，仍然采用法向应力 σ1，此时相应的破坏点坐标 为σ1，τ2。根据 4 组试验数据，得到剪切速率为 v 的 破坏曲线为 f fv,。在剪切速率为 v 的条件下， 剪切面上孔隙水压力差和抗剪强度差之间的关系为 tan f u      5 式中 f 为相同法向应力作用下， 不同剪切速率 引起的抗剪强度变化量，kPa；u为不同剪切速率 引起的孔隙水压力变化量，kPa。 图 6 不同剪切速率破坏线变化示意图 Fig.6 Failure lines at different shear rates 根据式3可以得到 v  6 将式6代入式5得 tan v u      7 从式7看出，不同剪切速率的增量与剪切面周 围孔隙水压力的增量成正比。产生这种现象的微观 结构变化如图 7 所示。 图 7 不同直剪速率孔隙水运移示意图 Fig.7 Pore water transportation at different direct shear rates 图 7a 表示在较低的剪切速率下孔隙水运移情况。 较低的剪切速率下，整个剪切过程时间较长，剪切面 ChaoXing 94 煤田地质与勘探 第 45 卷 附近及整个土样内的孔隙水压力容易消散。这也证实 了图 5 中，在较低的剪切速率下，土体的竖向位移较 大的原因。 图 7b 表示在较高的剪切速率下孔隙水运移 情况。较高的剪切速率下，由于土骨架发生骤变，剪 切面的孔隙水压力在短时间内无法排出而骤然增大。 而整个土体，由于剪切时间较短，骤变的孔隙水压力 无法完全排除，使得土体的竖向位移较小图 5。 4 破坏面形态 如图 8 为干密度为 1.537 g/cm3的土样，在直剪试 验的剪位移为 7 mm 时破坏剪切面形状。剪切速率为 2.4 mm/min 时，上下盘土体很容易分离，土体剪切面 比较光滑、平整图 8a。剪切速率为 0.02 mm/min 时， 上下盘土体不容易分离，分离后土体剪切面有明显的 黏着，而且表面极不平整图 8c。这两种不同形态，可 能是由于剪切过程中土颗粒的运动路径不同导致的。 图 8 土体剪切破坏面 Fig.8 Shear failure surfaces of soil 在较大的剪切速率条件下土颗粒的运动路径较为 平直图 9 中实线，而且由于上下盘土样剪切速率大， 剪切面的土骨架变形较大，而孔隙水压力骤增而无法 迅速排出，此时孔隙水压力较大，使得土粒结构破坏 后重新黏合的效果较差，破坏面比较光滑。在较小的 剪切速率条件下土颗粒的运动路径比较曲折图 9 中虚 线，破坏后上下破坏面孔隙水压力较小，破坏面之间 部分黏粒重新黏合，破坏面相对粗糙。上述分析解释 了图 1 中剪切速率越小，破坏后剪应力偏大的原因。 图 9 土颗粒变形移动示意图 Fig.9 Deation and displacement of soil particles 5 结 论 a. 剪切速率对剪应力–剪位移曲线有明显影 响，饱和重塑黏性土的抗剪强度随着剪切速率的增 大而减小。 b. 对同一密度的重塑土，内摩擦角随着剪切速 率的增大而减小。对于不同密度的饱和重塑土，密 度越小，剪切速率对内摩擦角的影响越明显。 c. 剪切速率主要是通过影响剪切面周围的孔 隙水压力而影响土体抗剪强度。不同剪切速率增量 与破坏面附近超孔隙水压力增量成正比。 d. 不同剪切速率下，剪位移为 7 mm 时，土体 剪切面的破坏面形态是不同的。剪切速率越大，土 颗粒位移比较平直，剪切破坏面越平整。 参考文献 [1] 缪林昌，殷宗泽. 非饱和土的剪切强度[J]. 岩土力学，1999， 2031–6. 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