含水率對(duì)純泥巖剪切特性影響的試驗(yàn)研究

儲(chǔ)昊

【摘要】通過(guò)控制級(jí)配、干密度，研究純泥巖對(duì)土體剪切特性的影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)純泥巖含水率分別為0%、4%、8%、12%、17%，在法向應(yīng)力分別為100kpa、200kpa、300kpa、400kpa條件下觀測(cè)不同純泥巖含水率的水平位移和豎向位移的變化情況，通過(guò)引入摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，分析不同含水率條件下，剪應(yīng)力與水平位移的關(guān)系、抗剪強(qiáng)度的變化，得出剪應(yīng)力隨水平位移的增加而增大并趨于穩(wěn)定且變化過(guò)程主要分為三個(gè)階段彈性階段、塑性階段和破壞階段；發(fā)現(xiàn)隨著含水率逐漸增大，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)上：粘結(jié)力呈拋物線增大而內(nèi)摩擦角呈拋物線遞減。

【關(guān)鍵詞】剪切特性；純泥巖；抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

中圖分類號(hào)：TU 4

1、引言

由于純泥巖大量存在于西部山區(qū)中，并且屬于砂性土，而砂性土的狀態(tài)隨著含水量的變化而變化，為了研究不同含水率下土體剪切特性，找出哪種含水率條件下對(duì)土體的剪切性狀影響最大。顧成權(quán)、孫艷[1]通過(guò)改變土體含水量、粘粒含量及壓實(shí)度等參數(shù)，分析土體內(nèi)聚力的變化情況，得出土體內(nèi)聚力隨含水量和粘粒含量比值的增大而減小并給出土體內(nèi)聚力的變化方程；龍玉明[2]通過(guò)對(duì)不同含水率、孔隙比、不同砂含量的壓實(shí)砂性土進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，研究含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值得影響情況，得出含水率對(duì)于粘結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ均有影響，且粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角均隨含砂量的增大而減小。本文通過(guò)控制級(jí)配、干密度等試驗(yàn)條件，研究純泥巖含水率對(duì)土體剪切特性的影響。

2、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1試驗(yàn)材料

泥巖所處地層為三疊系上統(tǒng)須家河組。泥巖弱風(fēng)化、呈紫紅色。其中不均勻系數(shù)和曲線系數(shù)均在合理范圍內(nèi)，級(jí)配良好。

表1 泥巖的物理指標(biāo)

Table1 Physical index of mudstone

天然密度（g/cm3） 飽和密度（g/cm3） 土粒比重Gs

泥巖 2.44 2.72 2.71

2.2試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器為現(xiàn)有應(yīng)變控制式直剪儀。

2.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文中，綜合考慮進(jìn)行快剪試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速為12r/min，1r提供水平位移0.2mm。試驗(yàn)中測(cè)力計(jì)讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)定值或有顯著后退時(shí)，表示試樣已經(jīng)剪損；一般剪至4mm剪切變形，若測(cè)力計(jì)讀數(shù)繼續(xù)增加則剪切變形到結(jié)束為止，轉(zhuǎn)輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈對(duì)應(yīng)記錄下水平和豎直位移百分表讀數(shù)。根據(jù)已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選定固定干密度1.85g/cm3，含水率分別為0%、4%、8%、12%、17%，每種含水率進(jìn)行4次試驗(yàn)，分別加載法向應(yīng)力100kpa、200kpa、300kpa、400kpa。

3、數(shù)據(jù)分析

3.1應(yīng)力-位移曲線隨純泥巖含水率的變化關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別作出法向應(yīng)力300kpa條件下，純泥巖含水率別為0%、4%、8%、12%、17%的剪應(yīng)力τ（kpa）關(guān)于水平位移λ（mm）的λ-τ關(guān)系曲線，如圖1。由圖可知，不同純泥巖含水率條件下，λ-τ曲線趨勢(shì)基本吻合。剪切過(guò)程主要由兩個(gè)階段構(gòu)成：①?gòu)椥噪A段，剪應(yīng)力隨水平位移的增大逐漸增大；②塑性階段，在此階段剪應(yīng)力隨水平位移的增大幾乎不增加，這一階段主要發(fā)生于含水率較低的含水率中；③破壞階段，剪應(yīng)力隨水平位移的增加緩慢增加，并逐漸趨于穩(wěn)定，土體發(fā)生破壞。

圖2中，當(dāng)純泥巖含水率為4%時(shí)，可發(fā)現(xiàn)在塑性階段存在水平段，即隨著水平位移的增加，剪應(yīng)力幾乎不發(fā)生變化?？紤]到土體抵抗剪切變形能力主要依靠土體自身的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)[3-7]，即主要靠粘結(jié)力和內(nèi)摩擦力。在剪切面相對(duì)位移時(shí)，首先克服土體與接觸面間的粘結(jié)力，然后顆粒之間的摩擦阻力才起主要作用。

圖1 λ-τ關(guān)系曲線

圖2 低含水率條件下λ-τ關(guān)系曲線

3.2抗剪強(qiáng)度隨純泥巖含水率的變化分析

根據(jù)已知數(shù)據(jù)作點(diǎn)、擬合，得不同純泥巖含水率條件下的法應(yīng)力σ（kpa）和剪應(yīng)力τ（kpa）的關(guān)系曲線σ-τ如圖3。由擬合結(jié)果可看出，σ-τ存在良好的線性關(guān)系，且擬合直線中純泥巖含水量4%時(shí)的擬合直線處于靠上位置；含水率12%時(shí)的擬合直線處于靠下位置。

引用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則：τ=c+σtanφ，其中c為土體的粘結(jié)力（kpa）；σ為施加的法向應(yīng)力（kpa）；φ為土體的內(nèi)摩擦角（°）。根據(jù)擬合參數(shù)反算出各純泥巖含水率下的c、φ值，具體見(jiàn)表2。

圖3 σ-τ關(guān)系曲線

表2 純泥巖含水量與粘聚力、內(nèi)摩擦角關(guān)系

純泥巖含水率 粘結(jié)力c （kpa） 內(nèi)摩擦角φ（°）

0% 10.07 39.69267

4% 17.2 38.30874

8% 23.25 35.33664

12% 20.92 33.34092

17% 24.02 35.86693

由表2可知，隨著泥砂含水量w的逐漸升高，相應(yīng)粘結(jié)力c逐漸增加的趨勢(shì)而內(nèi)摩擦角φ逐漸減小的趨勢(shì)。以泥巖含量w為橫坐標(biāo)，粘結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ分別為縱坐標(biāo)，作點(diǎn)、擬合，發(fā)現(xiàn)隨泥巖含量的增加，粘結(jié)力隨之呈線性增長(zhǎng)。但增加到一定程度及達(dá)到飽和含水率時(shí)趨于平穩(wěn)；隨著泥巖含量的增加，內(nèi)摩擦角隨之呈二次方遞減，在泥巖含水量從0%增加至12%的過(guò)程中，此段的內(nèi)摩擦角變化量占總變化量的15%。

4、結(jié)論

基于已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，一定級(jí)配、干密度條件下，通過(guò)對(duì)不同含水率條件下土體剪切特性的試驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析，不同含水率對(duì)土體剪切特性的主要影響主要表現(xiàn)在在以下幾個(gè)方面：

（1）土體剪切過(guò)程主要分兩個(gè)階段：塑性階段和破壞階段。純泥巖含水率為4%時(shí)，可發(fā)現(xiàn)在塑性階段存在一水平段，即隨著水平位移的增加，剪應(yīng)力幾乎不增長(zhǎng)。

（2）土體的抗剪強(qiáng)度根據(jù)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則；通過(guò)在不同含水率下對(duì)粘結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)隨著純泥巖含水率增加，粘結(jié)力呈線性增大而內(nèi)摩擦角呈二次方減小。

（3）在含水率4%時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度最大；在含水率17%時(shí)，粘結(jié)力c最大；在含水率0%時(shí)，內(nèi)摩擦角最大。

參考文獻(xiàn)

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