剪切速率对黏土不排水强度影响的试验研究

2013年第1期铁道建筑RailwayEngineering73文章编号：1003—1995(2013)01-0073—03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，北京100081；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，北京100081；3．中铁建设集团有限公司，北京100040)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：TU411．7文献标识码：ADOI：10．3969／j．issn．1003-1995．2013．O1．23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。Dinesh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。Thomas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0．8mm／min的内摩擦角比2．4mm／min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：2012—06．25；修回日期：2012．10—20基金项目：中国铁道科学研究院基金(2011YJ86)作者简介：吕宾林(1976一)，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10m处，地下水位0．5～1．0m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uu试验、CU试验、CD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0．0001～4．5mm／min。试验步骤如下：1)按照规范要求制取土样，三轴试验为直径39．1mm、高80mm的圆柱体，直剪试验为面积30cm、高度2cm的土样，土样制成进行抽真空饱和，制备饱和土样。74铁道建筑2)三轴试验土样分别在50kPa，100kPa，200kPa，300kPa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50kPa，100kPa，200kPa，300kPa垂直压力固结1d，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％／min，0．05％／min，0．10％／min下进行不排水剪切；直剪试验分别在速率0．001mm／min，0．010mm／min，0．100mm／min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15％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