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第3 7 卷第2 期中国矿业大学学报 V 0 1 .3 7N o .2 2 0 0 8 年3 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y M a r .2 0 0 8 黏土的高压三轴剪切特性研究 马金荣1 ,秦勇2 ,周国庆 1 .中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家霞点实验室建筑工程学院,江苏徐州 2 2 1 1 1 6 ; 2 .中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州 2 2 1 1 1 6 摘要低应力作用下与高应力作用下土的力学特性存在较大差异.为了了解高应力下黏土的三 轴剪切特性,指导深部地下工程建设,本文运用S K A 一1 型高压K 。固结仪,对高应力下重塑黏土 的K 。固结不排水、各向等压固结不排水剪切特性进行研究,探讨了不同固结方式下诸如K o 值、 轴向应变、平均主应力、主应力差等变化规律,结果表明高应力条件下各向等压固结三轴剪切试 验破坏主应力差明显大于K 。固结所得的相应值;两种应力路径下黏土的应力一应变关系曲线与 低应力条件下三轴剪切试验具有相似的数学模型. 关键词黏土;高压;K o 固结;等压固结;三轴剪切 中图分类号T U4 3 2文献标识码A文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 2 0 1 7 6 0 4 R e s e a r c ho nT r i A x i a lS h e a rP r o p e r t i e so f C l a yU n d e rH i g hP r e s s u r e s M A J i n - r o n 9 1 ,Q I NY o n 9 2 ,Z H O UG u o q i n 9 1 1 .S t a t eK e yL a b o r a t o r yf o rG e o m e c h a n i e sa n dD e e pU n d e r g r o u n dE n g i n e e r i n g ,S c h o o lo fA r c h i t e c t u r e a n dC i v i lE n g i n e e r i n g .C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ,X u z h o u ,J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ,C h i n a ; 2 .S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dE a r t hS c i e n c e ,C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e e h n o l o g y ,X u z h o u ,J i a n g s u2 2 111 6 ,C h i n a A b s t r a c t T h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs o i ld i f f e rd e p e n d i n go nt h el e v e lo fs t r e s s .T h e s h e a rp r o p e r t i e so fu n d r a i n e dr e - m o l d e dc l a y K oa n di s o t o n i cc o n s o l i d a t i o n w e r es t u d i e dt o u n d e r s t a n dt h et r i a x i a ls h e a rp r o p e r t i e so fs o i lu n d e rh i g hs t r e s sa s , ag u i d ef o rd e e p ,u n d e r g r o u n dc o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n g .A nS K A 一1h i g h - p r e s s u r eK oc o n s o l i d a t i o na p p a r a t u sw a s u s e d .T h ec h a n g e so fi n d i c e ss u c ha sK o ,a x i a ls t r a i n ,a v e r a g ep r i n c i p l es t r e s sa n dp r i n c i p l e s t r e s sd i f f e r e n c ew e r eo b t a i n e du n d e rd i f f e r e n tc o n s 0 1 i d a t i o nm o d e s .T h er e s u l t ss h o wt h a tu n - d e rh i g hs t r e s st h ep r i n c i p l ef a i l u r es t r e s sd i f f e r e n c ei ss i g n i f i c a n t l yl a r g e ru n d e ri s o t o n i cc o n s o l i d a t i o nt h a ni ti su n d e rK oc o n s o l i d a t i o n .T h es t r e s s - s t r a i nc u r v e so ft w os t r e s sp a t h sh a v es i r e i l a rm a t h e m a t i c a lm o d e l sc o m p a r e dt ot h o s es e e nu n d e rl o ws t r e s s . K e yw o r d s c l a ys o i l ;h i g hs t r e s s ;K oc o n s o l i d a t i o n ;i s o t o n i cc o n s o l i d a t i o n ;t r i a x i a ls h e a r 近年来,华东地区建于深厚松散层中的煤矿井 筒发生数起井壁断裂破坏,研究表明,引起井筒断 裂破坏的根本原因是深厚松散层中井壁受到“竖直 附加力”的作用D - a ] .而竖直附加力的发生与深厚松 散层所处的地质环境及土体的物理、力学特性密切 相关,土体所处的应力状态不同又直接影响其变形 和强度特性‘1 。.天然土层中的初始应力状态一般处 于各向不等压状态,初始应力的各向异性,促使土 体在破坏时所需的剪应力增量也不同,而其力学特 性也就有差异.低应力条件下,一般的常规三轴试 收稿日期2 0 0 7 0 6 0 5 基金项目国家自然科学基金重点项目 5 0 5 3 4 0 4 0 作者简介马金荣 1 9 6 2 一 ,男,江苏省涟水县人.副教授,工学博士。从事岩士工程学科的教学科研工作. E - m a l l k a r l m a c u I n t .e d t l .c nT e l 0 5 1 6 8 3 9 9 5 7 0 8 万方数据 第2 期马金荣等黏土的高压三轴剪切特性研究1 7 7 验则是在各向等压条件下固结后再进行剪切,与天 然土层K 。 K 。一%/a , ,为三向受力试样无侧向变 形条件下侧向应力与竖向应力的比值,称为K 。系 数 固结的实际初始应力状态不相符合,表现出不 同的强度特性H 1 ] .研究表明[ 1 ] ,K 。固结状态符合 土体的沉积规律,能正确反映土体强度和变形的变 化规律.目前对于低围压下土的力学性质影响研究 涉及较多,对于高围压下土的力学性质研究较少, 但也取得了一些成果[ 1 ≈’8 10 。,这一领域研究尚属起 步阶段. 本文选用重塑黏土试样进行不同固结方式下 高压三轴剪切试验.高压三轴剪切试验分为2 种应 力路径高压K 。固结不排水剪切、各向等高压固 结三轴剪切 围压均分别为2 ,4 ,6M P a ,总结出高 应力作用下黏土的三轴剪切特性以供借鉴与参考. 1 试验方法及装置 试验所用的黏土试样取自徐州近郊冲、洪积成 因的Q 。时代老黏土,其基本物理性质指标如表1 所示. 表1黏土试样的物理性质参数 T a b l e1 P h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fc l a ys a m p l e 对于高压K 。固结三轴不排水剪切试验,在作 者自行研制的S K A - 1 型高压K 。固结仪试验装置 上进行,该试验装置试验最大围压不低于1 5M P a , 试样尺寸为 6 1 .8m m 1 5 0m m ,可以进行高应 力下土的K 。固结、卸荷、剪切试验.试验系统主要 由刚性密封式K 。固结仪、M T S 加压系统、数据采 集及测量系统3 大部分组成,K 。固结仪示意图如 图1 所示[ 1 ] . 各向等高压固结不排水、高压K 。固结不排水 三轴试验与常规三轴试验一样,主要测定有关土的 强度与变形等指标. 航空压力油 进油系统, 摊水系统,测孔压 图IS K A - I 型高压K 。固结仪示意 F i g .1 S k e t c ho fK oc o n s o l i d a t i o n a p p a r a t u so fh i g hp r e s s u r e 2试验结果分析 2 .1 高压K o 固结不排水三轴试验 图2 为K 。高压固结不排水剪切过程轴向应变 e 。与主应力差q 的关系曲线.图2 显示,轴向变形一 定条件下剪切时围压越大,土的主应力差越大,土 的屈服应力越高,抗剪强度也越大,但屈服变形基 本一致,曲线均具双曲线型特征.相同q 值所对应 的e 。随围压的减小而增大. ’焉/% 图2 高压K 。固结不排水剪切过程c I q 曲线 F i g .2 C u r v e so f £I qi nu n d r a i n e ds h e a r a f t e rK oc o n s o l i d a t i o no fh i g hp r e s s u r e 图3 为高压K 。固结不排水剪切过程K 。随主 应力盯,和时间t 的变化曲线. 翻/M P a t /m i n a Ⅸr 研曲线 ”x r f 曲线 图3高压K o 固结不排水剪切过程K 。随主应力西和时间t 变化曲线 F i g .3 C u r v e so fK oa l o n gw i t hp r i n c i p a ls t r e s s 以a n dt i m eti nu n d r a i n e ds h e a ra f t e rK oc o n s o l i d a t i o no fh i g hp r e s s u r e 图3 显示,K 。值随轴向应力增加而急剧减小,围压越小K 。值的下降速率越大,当轴向应力不再 - 万方数据 1 7 8中国矿业大学学报第3 7 卷 增加时,K 。值趋于稳定,其K 。值在0 .8 0 ~0 .8 5 之 间,仅在很短时问内K 。值由刚开始时的固结数值 降至该数值,差值在0 .1 5 ~0 .2 0 之间. 图4 为高压K 。固结不排水剪切过程平均主应 力P 与主应力差g 的关系曲线.图4 显示,主应力 差随平均主应力的增加其值也随着增大,且围压越 大所对应的最大主应力差也越大. 孟 罨 2 .2 各向等高压固结不排水三轴试验 图5 为各向等高压固结不排水剪切过程的试 验曲线.由图5 a 可看出,各向等高压固结三轴不排 水剪切试验的q 值在相同轴向应变£。下随围压的 增加而增加,相同q 值所对应的£。随围压的减小而 增大. 图5 b 显示,K 。值随轴向应力增加而急剧减 矗膈 a 即g 曲线 o i /M P a b 研丘。曲线 删P a c P q 曲线 图5 各向等高压固结不排水剪切过程试验曲线 F i g .5 T e s tC u r v e si nu n d r a i n e ds h e a ra f t e ri s o t o n i cc o n s o l i d a t i o no fh i g hp r e s s u r e 图6 为K 。固结与各向等压固结三轴不排水剪 切破坏的主应力差q 的比较.由图6 可看出,各向等 压固结三轴试验所得的试样破坏时主应力差要大 于K 。固结三轴试验所得的相应值,随着侧向固结 应力吼的增加,K 。固结条件对主应力的影响有减 小的趋势,这与低围压下不同固结方式下的主应力 差比较结果刚好相反[ 4 ] . 西/M P a ’ 图6K 。固结与各向等压固结三轴不排水剪切 破坏时主应力差口比较 F i g .6C o m p a r e dc u r v e so fd i f f e r e n c ep r i n c i p a ls t r e s sq i nf a i l u r eo fK oc o n s o l i d a t i o nt oi s o t o n i cc o n s o l i d a t i o n 3 结论 1 自行研制开发的S K A 一1 型高压K 。固结 仪,其耐压超过1 5M P a ,最大可以模拟研究深度过 7 0 0m 的深土,本次模拟最大深度约3 0 0m ; 2 K 。固结不排水剪切中,轴向变形一定条件 下,剪切时围压越大,土的屈服应力越高,抗剪强度 也越大,但屈服变形基本一致.K 。值随轴向应力增 加而急剧减小,围压越小K 。值的下降速率越大,当 轴向应力不再增加时,K 。值为0 .8 0 ~0 .8 5 ,趋于 稳定,应力各向异性明显; 3 各向等压固结不排水剪切过程,K 。值随轴 向应力增加而急剧减小。围压越小K 0 值的下降速 率以及幅度越大; 4 各向等压固结三轴试验中试样破坏时的主 应力差明显大于K 。固结三轴试验所得的相应值; 各向等压固结不排水剪切K 。值的下降速率比K 。 固结不排水剪切的大; 5 2 种应力路径下黏土的应力一应变关系曲线 都属于双曲线型,与低应力条件下常规三轴试验常 采用的邓肯一张双曲线模型具有相似的数学模型. 陌 .1 8 M 一 6 一 ,jl蘑。。,一。4葶f M 一 4 一 ,-IJI-I 一 陌●/_ M 一 0一M酽盯L 4 2 m 盘 石4 2 0 ∞蒌 万方数据 第2 期马金荣等黏土的高压三轴剪切特性研究1 7 9 参考爻献 I - 1 ]马金荣.深层土的力学特性研究[ D ] .徐州中国矿 业大学建筑工程学院,1 9 9 9 . [ 2 ] 崔广心.深厚表土中竖井井壁的外载[ J ] .岩土工程 学报,2 0 0 3 ,2 5 3 2 9 4 2 9 8 . C U IG u a n g - x i n .L o a d i n go fs h a f tl i n i n gf o rd e e pa l l u v i u m [ J ] .C h i n e s eJ o u r n a lo fG e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n g ,2 0 0 3 ,2 5 3 2 9 4 2 9 8 . [ 3 ] ] 崔广心.深厚表土层中钻井法凿井的井壁外载和结 构[ J ] .中国矿业大学学报,2 0 0 5 ,3 4 4 4 0 9 4 1 3 . C U IG u a n g - x i n .L o a d i n ga n ds t r u c t u r eo fs h a f tl i n - i n gb ys h a f td r i l l i n gi nd e e pa l l u v i u m [ J ] .J o u r n a lo f C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ,2 0 0 5 , 3 4 4 4 0 9 - 4 1 3 . [ 4 ] 袁聚云,杨熙章,赵锡宏,等.K 。固结真三轴仪的研 制及试验研究[ J ] .大坝观测与土工测试,1 9 9 5 ,1 9 3 2 8 - 3 2 . Y U A NJ u - y u n ,Y A N GX i - z h a n g ,Z H A oX i - h o n g , e ta 1 .D e v e l o p m e n ta n de x p e r i m e n to fK oc o n s o l i d a t i o nt r u et r i a x i a la p p a r a t u s D ] .D a mO b s e r v a t i o na n d G e o t e c h n i c a lT e s t s ,1 9 9 5 ,1 9 3 2 8 3 2 . [ 5 ] 姜洪伟,赵锡宏.K 。固结黏土各向异性不排水剪强 度研究[ 刀.岩土力学,1 9 9 7 ,1 8 2 ;1 - 7 . J I A N GH o n g - w e i ,Z H A OX i h o n g .S t u d yo na n i s o t r o p i cu n d r a i n e ds h e a rs t r e n g t ho fK o - c o n s o l i d a t e d c l a y s [ J ] .R o c ka n dS o i lM e c h a n i c s ,1 9 9 7 ,1 8 2 1 7 . [ 6 ] 姜朴,方涤华,宋永样,等.K 。固结三轴仪的研制 与试验研究[ J ] .岩土工程学报,1 9 9 1 ,1 3 3 4 3 5 0 . J I A N GP u ,F A N GD i h u a ,S o N GY o n g x i a n g ,e t a LD e v e l o p m e n ta n de x p e r i m e n to fK 0 - c o n s o l i d a t i o n t r i a x i a la p p a r a t u s [ J ] .C h i n e s eJ o u r n a lo fG e o t e c h n i - c a lE n g i n e e r i n g ,1 9 9 1 ,1 3 3 4 3 5 0 . [ 7 ] 袁聚云,王新波,董建国,等.K 。固结条件对上海 黏性土强度和变形的影响[ J ] .大坝观测与土工测 试,1 9 9 9 ,2 3 4 2 9 3 2 . Y U A NJ u - y u n ,W A N GX i n - b o ,D O N GJ i a n - g u o ,e t a 1 .R e s e a r c ho nt h es t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o no f S h a n g h a ic l a y e ys o i l su n d e rK 0c o n s o l i d a t i o nc o n d i t i o n [ J ] .D a mO b s e r v a t i o na n dG e o t e c h n i c a lT e s t s , 1 9 9 9 ,2 3 4 2 9 3 2 . [ 8 ] 李文平,王维理,张志勇,等.大埋深黏土三轴高压 卸载变形与强度特征[ J ] .工程地质学报,2 0 0 4 ,1 2 3 3 0 7 - 3 1 1 . L IW e n - p i n g ,W A N GW e i l i ,Z H A N GZ h k y o n g 。e t a 1 . S t u d yo nt h ec h a r a c t e “s t i c so fd e f o r m a t i o na n d s t r e n g t ho fad e e pc l a yu n d e rt r i a x i a lh i g hp r e s s u r e u n l o a d i n gt e s t [ J - ] .J o u r n a lo fE n g i n e e r i n gG e o l o g y , 2 0 0 4 ,1 2 3 3 0 7 3 1 1 . [ 9 3 甘霖,袁光国.大型高压三轴试验测试及粗粒土 的强度特性[ J ] .大坝观测与土工测试,1 9 9 7 ,2 1 3 9 - 1 2 . G A NL i n g ,Y U A NG u o - g u a n g .H i g hp r e s s u r el a r g e t r i a x i a lt e s t sa n ds t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c so fc o a r s e - g r a i n e ds o i l [ J ] .D a mO b s e r v a t i o na n dG e o t e c h n i c a l T e s t s ,1 9 9 7 ,2 1 3 9 - 1 2 . [ 1 0 ] 许延春.深部饱和黏土的力学性质特征[ J ] .煤炭学 报,2 0 0 4 ,2 9 1 2 7 - 3 0 . X UY a n - c h u n .M e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c so fd e e p s a t u r a t e dc l a y [ J ] .J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y , 2 0 0 4 ,2 9 1 2 7 3 0 . 责任编辑王继红 万方数据
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