（岩土工程专业论文）砂—膨润土混合物的应力应变特性.pdf

摘要 目前关于泥皮特性对顺利完成施工的研究已经有很多了，但泥皮的作用并不是 很明确，特别是在泥皮应力一应变方而的研究不多。本论文研究的对象是砂一 膨润土混合物的应力一应变关系。 试样的制备：首先将砂和膨润土按不同质量比进行混合，膨润土占混合物的比 例分别为1 0 、1 5 、2 0 ：然后在混合物中加入少量的水，占混合物的3 ；然后充 分混合直到混合物均匀：在成型模中锤击混合物，按5 层捶击，制成试样。 试验用的仪器是常规三轴固结仪。试验共分5 组，每组有四个试样，试样对应 的试验条件分别是固结排水、固结不排水压缩试验，固结的情况又分为各相同性固 结和一维固结。通过试验可以得出明确的应力一 应变曲线。剪切强度有关参数表明各个混合物试样在强度上没有太明显的羞别，然 而混合物的强度要低于砂。 试验后的结果与剑桥粘土模型有限元程序计算结果进行对比，结果表明剑桥模 型不能很好的表明混合物的应力一应变关系，但可以较好的表明膨润土的应力一 应变关系。最后给出了关于砂一膨润土混合物性质的一些结论。 a b s t r a c t a l t h o u g hm a n y r e s e a r c h e r sa g r e et h a tf i l t e rc a k ep r o p e r t i e si n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo f c o m p l e t e dc o n s t r u c t i o n ，i t sb e h a v i o ri s n o tw e l lu n d e r s t o o d s p e c i f i c a l l y ，t h e r ei sal a c k o fi n f o r m a t i o na b o u tt h es t r e s s s t r a i nb e h a v i o ro ff i l t e rc a k e t h i st h e s i sd e a l sw i t ht h e s t r e s s s t r a i nb e h a v i o ro fs a n d - b e n t o n i t em i x t u r e ，w h i c hc o n s i s t so ft h es a m em a t e d a la s f i l t e rc a k e s a m p l e sa r em a d ef i r s tb ym i x i n gd r yb e n t o n i t ew i t hs a n di nd i f f e r e n tp r o p o r t i o n s ，b y w e i g h t t h ep e r c e n t a g e so f b e n t o n i t ei nt h em i x t u r ea r e10 ，15 a n d 2 0 r e s p e c t i v e l y a n dt h e nal i t t l ew a t e rw a sa d d e dt ot h em i x t u r e ( a b o u t3 b yw e i g h t ) a n dm i x e d t h o r o u g h l yu n t i lt h em i x t u r ei s u n i f o r m t h es a m p l e sa r ep r e p a r e di nf i v e l a y e r sb y t m n p i n gi naf o r m i n gm o u l d p u r es a n da n db e n t o n i t es a m p l e sh a v ea l s ob e e nm a d ef o r c o m p a r i s o n t h ee q u i p m e n t se m p l o y e dt oc a r r yo u tt h et e s t sa r eac o n v e n t i o n a lt r i a x i a lc e l la n d o e d o m e t e r t h ee x p e r i m e n t a lp r o g r a mc o n s i s t so ff i v e g r o u p so fd i f f e r e n ts a m p l e s ，o f w h i c he a c h g r o u p h a sf o u r s a m p l e s b o t h c o n s o l i d a t e dd r a i n e da n dc o n s o l i d a t e d u n d r a i n e dt r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t s ，i s o t r o p i cc o n s o l i d a t i o na n d1 - dc o n s o l i d a t i o nt e s t s a r e p e r f o r m e d t h es t r e s s s t r a i n c u r v e sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l r e s u l t so ft h es h e a r s t r e n g t hp a r a m e t e r si n d i c a t et h a tt h e r ei sn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei ns t r e n g t h b e t w e e nt h e d i f l b r e n ts a m p l e so fs a n d b e n t o n i t em i x t u r e s ，w h e r e a st h es t r e e g t ho fs a n d b e n t o n i t e m i x 臼a r e sj s1 0 w e rt h a nt h a to fs a n d t h et e s tr e s u l t sa r ea n a l y z e db yf e m p r o g r a mo fm o d i f i e dc a m c l a ym o d e l r e s u l t s s h o wt h a tm o d i f i e dc a m - c l a ym o d e lc a n n o tp r e d i c tt h es t r e s s - s t r a i nb e h a v i o ro fs a n d b e n t o n i t em i x t u r e sw e l l ；r a t h e ri tc a nr e l a t i v e l y p r e d i c tt h e s t r e s s ，s t r a i nb e h a v i o ro f b e n t o n i t e f i n a l l y ，s o m er e m a r k s a r em a d eo nt h eb e h a v i o ro fs a n d - b e n t o n i t em i x t u r e s a c k n o w l e d g e m e n t s 1w o u l dl i k et oe x p r e s sm y h e a r t e d l yg r a t i t u d et om y a d v i s o r sp r o f e s s o rj i a ny o n gs h i a n dd r g u oh u il e if o rt h e i rv a l u a b l ea d v i e e s ，s u g g e s t i o n s ，e n c o u r a g e m e n ta n dc l o s e s u p e r v i s i o nd u r i n gm ys t u d ya th o h a iu n i v e r s i t y 1w o u l d a l s ol i k et oe x p r e s sm ys i n c e r e t h a n k st oa l lp r o f e s s o r s ，a s s o c i a t ep r o f e s s o r sa n dt e a c h e r sw h ot a u g h ta n dh e l p e dm ei n v a r i o u sc o u r s e s il i k et oe x t e n dm yt h a n k st oa l lt h es t a f f so f f o r e i g ns t u d e n t s o f f i c e ，a n da l lt h es t a f f so f t h es c h o o lo fg r a d u a t es t u d i e so fh o h a iu n i v e r s i t y ia md e e p l yi n d e b t e dt ot h e g o v e r n m e n to ff e d e r a ld e m o c r a t i cr e p u b l i co f e t h i o p i aa n dp e o p l e sr e p u b l i co fc h i n a f o rg i v i n gm et h i ss t u d yo p p o g u n i t y m ys p e c i a lt h a n k sg o e st om yp a r e m s ，b r o t h e r sa n ds i s t e r s ，a n da l lm y f r i e n d sb a c kh o m e f o rt h e i rc o n t i n u a le n c o u r a g e m e n ta n dl o v ed u r i n g m ys t u d y t i m e i a n l 舀 a t e f u lt ot h ef r i e n d s h i pa n db r o t h e r l yl o v eo fa l lm y c o u n t r ym a t e s l a s tb u tn o t l e a s t ，t h ef r i e n d s h i p i e n j o y e d w i t h m ya l lf o r e i g n a n dc h i n e s ef r i e n d si s h i g h l y a p p r e c i a t e d 1 1i n t r o d u c t i o n c h a p t e r 1 i n t r o d u c t i o n b e n t o n i t es l u r r i e sa r eu s e dt om a i n t a i nt h e s t a b i l i t y o fm a n yt y p e so fe x c a v a t i o n s ， i n c l u d i n gt h o s em a d ef o rc u t o f fw a i l s ，d i a p h r a g mw a l l s ，e x c a v a t i o n sa n ds u b s u r f a c e e x p l o r a t i o n s b e n t o n i t es l u r r ys h a l lb ep r e p a r e db ym i x i n gw a t e ra n db e n t o n i t et m t i lt h eb e n t o n i t e p a r t i c l e sa r ef u l l yh y d r a t e da n d t h er e s u l t i n gs l u r r ya p p e a r sh o m o g e n e o u s b e n t o n i t ew a s m i x e da tar a t i oo f4 6 b e n t o n i t eb yw e i g h to fs l u r r yt h es l u r r i e ss h a l lb ep r e p a r e d u s i n gas u i t a b l eh i g hs h e a rm i x e r ，s u c ha sac o l l o i d a lo rp a d d l em i x e r a f t e rs l u r r yw a s m i x e d ，i tw i l lb es t o r e di nas t o r a g ep o n d i nt h i sp o n dt h es l u r r yw a sr e c i r c u l a t e da n d a l l o w e dt oh y d r a t eu n t i li tw a sp u m p e df o rt h er e q u i r e dt a s k i ft h em i x i n gi sn o td o n e t h o r o u g h l y ，t h eb e n t o n f f ew i l lc l u m ps ot h a tn o ta l lt h ep a r t i c l e sa r ee x p o s e dt ow a t e ra n d n o n u n i f o r ms l u r r yw i l lr e s u l t t h eu n i f o r m i t yo rn o n u n i f o r m i t yo ft h es l u r r ym a y a f f e c t t h ee n g i n e e r i n g p r o p e r t i e so f t h es l u r r y w i t h i nt h ee x c a v a t i o n st h e r em u s tb ea p o s i t i v ed i f f e r e n t i a ih e a dm a i n t a i n e db e t w e e nt h e c o l u m no f s l u r r ya n d t h ep i e z o m e t r i cs u r f a c ei nt h es o i l ，t h e r ei sa t e n d e n c yf o rt h es l u r r y t op e n e t r a t et h es o i l ，a n df i l t r a t i o no ft h eb e n t o n i t eo c c u r s ( m a j a n oe ta 1 ，19 9 4 ；h e m y e t a 1 ，19 8 9 ) i ft h eg r o u n ds o i li sf i n ee n o u g h ，f i l t r a t i o nw i l lo c c u r ，a n dal a y e ro fb e n t o n i t e p a r t i c l e s ，c o m m o n l yr e f e r r e dt oa sa “f i l t e rc a k e ，w i l lb ef o r m e do nt h es u r f a c eo ft h e e x c a v a “o n c u t o f fw a l l sh a v eb e e nc o n s t r u c t e d ，f o rb o t ht e m p o r a r ya n dp e r m a n e n tc o n t r o lo f s e e p a g e i n t oe x c a v a t i o n s ，a sf o u n d a t i o na n de m b a n k m e n tc u t o f f sf o rw a t e rr e t a i n i n gs t r u c t u r e s a n df o rp r e v e n t i n gs e e p a g eo fv a r i o u s p o l l u t a n t sf r o mc o n t a m i n a t i n gg r o u n dw a t e r ，s i n c e t h ee a r l y1 9 4 0 si nu n i t e ds t a t e su s i n g s l u r r yt r e n c hm e t h o d ( d a p p o l o n i a ，1 9 8 0 ) b e n t o n i t es l u r r i e sh a v ea l s ob e e nu s e da sd r i l l i n ga i d sf o rt h ec o n s t r u c t i o no fe x c a v a t i o n s s i n c ea tl e a s tt h el a t e19 4 0 s ，f i r s ta sam e a n so ft e m p o r a r ys t a b i l i z i n gt h eb o r e h o l eu n t i la c a s i n gc o u l db ei n s e r t e d ，a n dl a t e rt os t a b i l i z et h eb o r e h o l ec o m p l e t e l y ，w i t h o u t t h eu s eo f c a s i n g ( m a j a n oe ta 1 19 9 4 ) ，i nw h i c h t h es l u r r yi sd i s p l a c e db yu p w a r df l o w i n g ，t r i e m i eo r p u m pp l a c e d c o n c r e t e r e c e n t l y ，m a n yd r i l l e d s h a f t sa r ec o n s t r u c t e d b yt h e u s eo f b e n t o n i t ea n db e n t o n i t es l u r r yi se m p l o y e d e x t e n s i v e l yi n t h ec o n s t r u c t i o no fe x c a v a t i o n s 1 2c o n s t r u c t i o nu s i n gb e n t o n i t es l u r r i e s s o i l b e n t o n i t ec u t o f fw a l l sa r et y p i c a l l yc o n s t r u c t e du s i n gt h es l u r r yt r e n c hm e t h o d t h i s i n v o l v e se x c a v a t i n gan a r r o wv e r t i c a l 廿e n c h t h et r e n c hi s k e p tf u l ld a r i n ge x c a v a t i o n w i t hs l u r r y t h es l u r r ya c t st os t a b i l i z et h ew a l l so ft r e n c hp r e v e n t i n gt h e i rc o l l a p s e d u r i n ge x c a v a t i o n t h es l u r r ya l s od e p o s i t saf i l t e rc a k eo nt h ew a l l so f t h et r e n c ht h a t c o n t r i b u t e st ot h el o w p e r m e a b i l i t yo f t h ec o m p l e t e d c u t o f f f o ras o i l - b e n t o n i t es l u r r yt r e n c hc u t o f fw a l l ，t h et r e n c hi se x c a v a t e du n d e rb e n t o n i t e w a t e rs l u r r y a f t e re x c a v a t i o n ，o ra st h ee x c a v a t i o np r o c e e d sa l o n go n ee n do ft h ew e n c h ， t h eo t h e re n do ft h et r e n c hi sb a c k f i l l e dw i t hs o i l b e n t o n i t e t h es o i l b e n t o n i t eb a c k f i l l c o n s i s t so fam i x t u r eo fs o i l ，b e n t o n i t e ，a n dw a t e r t y p i c a l l y ，s o i l se x c a v a t e df r o mt h e t r e n c ha r eu s e db u to f f - s i t es o i l sc a na l s ob eu s e d t h eb e n t o n i t ea n dw a t e rt y p i c a l l y c o m e sf r o mm i x i n gb e n t o n i t e w a t e rs l u r r yw i t h i nt h es o i l ，a l t h o u g hs o m e t i m e sa d d i t i o n a l d r yb e n t o n i t ei sa l s ob l e n d e di n t h eb e n t o n i t ef r o mt h es l u r r yc o m b i n e dw i 山t h en a t u r a l f i n e so f t h es o i le r e a t e sas o i l b e n t o n i t eb a c k f i l lt h a th a sal o w h y d r a u l i cc o f l d u c t i v i t y b e n t o n i t es l u r r yt r e n c h e sc a r lb ee x c a v a t e du s i n gb a c k h o e s ，c l a m s h e l l sa n dd r a g l i n e s ， d e p e n d i n g o nt h er e q u i r e dd e p t ho fc u t e f f , t h es u r f a c em a t e r i a la n da c c e s st ot h et r e n c ha t t h eg r o u n ds u r f a c e d i a p h r a g mw a l l sa r ea l s oc o n s t r u c t e di nas i m i l a rw a y a sc u t o f fw a l l sb ye x c a v a t i n ga n a r r o wd e e pv e r t i c a lt r e n c hi nt h es o i li n t ow h i c hr e i n f o r c e dc o n c r e t ei sp l a c e da n dt h e b e n t o n i t es l u r r yo nt h et r e n c hi s d i s p l a c e db yu p w a r df l o w i n gc o n c r e t e e x c a v a t i o ni s a c c o m p l i s h e du s i n gm e c h a n i c a lo rh y d r a u l i cc l a m s h e l lg r a b s ，w h i l et h et r e n c hs t a b i l i t yi s 2 m a i n t a i n e du s i n gb e n t o n i t es l u r r y o n c ee x c a v a t e d ，t h r e e - d i m e n s i o n a lr e i n f o r c e m e n ti s s e ti nt h et r e n c ha n df o l l o w e db yt h ep l a c e m e n to fs t r u c t u r a lg r a d ec o n c r e t eu s i n gt r e m i e p i p e s ，t h e r e s u l ti sas t r u c t u r a lw a l l s y s t e m t h a t p r o v i d e sg r o u n d r e s t r a i n tw b e n e x c a v a t i o np r o c e e d s d r i l l i n go f e x c a v a t i o n su s i n gb e n t o n i t es l u r r i e sc a l lb ed o n e u s i n gt w o m e t h o d s ： 1 r e v e r s ec i r c u l a t i o nd r i l l i n g 2 d r i l l i n gb u c k e t ( b u c k e ta u g e r ) i nb o t hm e t h o d sb e n t o n i t es l u r r yi su s e da sd r i l l i n gf l u i dt os u p p o r tt h eb o r e h o l ed u r i n g c o n s t r u c t i o na n dt o s u s p e n dd e t r i t u sm a t e r i a l s f r e s h s l u r r y w i l l d i s p l a c e t h eu s e d b e n t o n i t es l u r r yc o n t i n u a l l ya n dt h ed i s p l a c e db e n t o n i t e s u s p e n s i o nw i l lb ep u m p o u t h o l d e n ( 1 9 8 4 ) o b s e r v e dp r a c t i c a l l yt h a t ，t h er e v e r s ec i r c u l a t i o nm e t h o di sp r e f e r r e ds i n c e t h e p r o p e r t i e s o ft h eb e n t o n i t ei nt h ee x c a v a t i o nc a nb e s t r i c t l y c o n t r o l l e da n dt h i s b e n t o n i t ei sn o tb e i n g c o n t i n u a l l yc o n t a m i n a t e db yt h ec u a i n g s i nc a s eo fe x c a v a t i o nb y d r i l l i n gb u c k e ti t i sd i f f i c u l tt oc o n t r o lt h ep r o p e r t i e so ft h eb e n t o n i t ei nt h ee x c a v a t e d r e g i o n as t e e lt e m p o r a r yc a s i n gi su s u a l l yu s e dt oc a s et h et o pw e a ks o i ls u b j e c t e dt o h e a v yc o n s t r u c t i o nl o a d s t h et e m p o r a r yc a s i n gi st h e ne x t r a c t e d i m m e d i a t e l ya f t e r c o n c r e t i n g d r i l l i n g a n dr e i n f o r c e m e n t c a g e i n s t a l l a t i o na n dc o n c r e t e p l a c i n g a r e s u c c e s s i v e l y e x e c u t e du n d e rd r i l l i n gs l u r r y ，t h ec o n c r e t ei sp o u r e dw i t ht r e m i ep i p e s ，d i s p l a c i n gt h e s l u r r yw e l la b o v e t h ec u t o f fl e v e l 1 3f u n c t i o n so fb e n t o n i t es l u r r y b e n t o n i t es l u r r i e s ，o ft h e t y p e u s e df o r s u p p o r t i n ge x c a v a t i o n s ，c a nv a r yw i d e l yi n p r o p e r t i e s ，b o t hp h y s i c a la n dc h e m i c a l b e n t o n i t es l u r r yh a saf u n c t i o no f ( h u t c h i n s o ne t a 1 ，1 9 7 5 ；r e e s ea n dt u c k e r ，1 9 8 5 ) ： 1 s u p p o r t i n g t h ee x c a v a t i o nb y e x e r t i n gh y d r o s t a t i cp r e s s u r eo ni t sw a l l s ， 2 r e m a i n i n gi nt h ee x c a v a t i o n ，a n dn o tf l o wi n t ot h es o i l ，a n d 3 s u s p e n d i n g d e t r i t u st oa v o i dt h eb u i l d u p o fs e d i m e n ta tt h eb a s eo f e x c a v a t i o n w h i l e p e r f o r m i n g t h ea b o v e f u n c t i o n s ，t h es l u r r ys h o u l da l l o w f o r ： 4c l e a nd i s p l a c e m e n to fc o n c r e t es ot h a tt h e r ei sag o o db o n db e t w e e nr e b a ra n d c o n c r e t ea n dt h es o i l ， 5r e m o v a lo fd e t r i t u sb ys c r e e n i n go rh y d r o c y c l o n i n gs ot h a ts l u r r yc a nb er e u s e d ， a n d 6 e a s yp u m p i n g i ng e n e r a l ，i t e m s ( 1 ) t h r o u g h ( 3 ) r e q u i r et h i c ks l u r r i e sw h i l ei t e m s ( 4 ) t h r o u g h ( 5 ) r e q u i r e v e r yf l u i ds l u r r i e s t h e s ed i f f e r e n tf u n c t i o n sh a v ec o n f l i c t i n gr e q u i r e m e n t si nr e g a r dt o t h ep r o p e r t i e so f b e n t o n i t es l u r r y 1 4s c o p eo ft h er e s e a r c hp r o b l e m m a n y r e s e a r c h e r s a g r e e t h a tf i l t e rc a k e p r o p e r t i e s i n f l u e n c et h e p e r f o r m a n c e o f c o m p l e t e dc o n s t r u c t i o n f o ri n s t a n c e ，t h es h e a rs t r e n g t ho ff i l t e r c a k ei n f l u e n c e st h e c a p a c i t yd r i l l e ds h a f t s ( w e i s s ，1 9 6 5 ；f a r m e ra n dg o l d e r g e r ，1 9 6 9 ；w a t e sa n dk n i g h t ， 1 9 7 5 ；h e n r ye t a l 。1 9 9 8 ；f a r m e re ta 1 ，1 9 7 0 ) a n dt h ec o n s o l i d a t e ds t r e s s s t a t ei ns o i l b e n t o n i t ec u t o f f w a l l s ( h e n r ye t a 1 ，19 9 8 ) m o r e o v e r ，p o l l se ta 1 ，( 19 7 8 ) d e s c r i b e dm a j o r r e d u c t i o ni np e r i m e t e rl o a dt r a n s f e ri nh a w k e s b u r ys a n ds t o n e ，w h i c hd r i l l sq u i t es m o o t h ， a n dh o l d e n ( 1 9 8 4 ) o b s e r v e dm i n o r e f f e c t so fb e n t o n i t e s l u r r y o nl o a dt r a n s f e ri n m e l b o u m em u d s t o n ew i t har e s i d u a lc a k et h i c k n e s so fa b o u t2m m a l t h o u g hm a n y r e s e a r c h e r sk n o wt h a tf i l t e rc a k ep r o p e r t i e si n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo f c o m p l e t e dc o n s t r u c t i o n ，t h em e c h a n i c a lb e h a v i o ri s n o tw e l lu n d e r s t o o d s p e c i f i c a l l y ， t h e r ei sal a c ko fi n f o r m a t i o na b o u tt h es t r e s s s t r a i nb e h a v i o ro fs o i l - b e n t o n i t em i x t u r e ， w h i c hc o n s i s t so f t h es a m em a t e r i a la sf i l t e rc a k e t h et h i c k n e s so ff i l t e rc a k ea l s ov a r i e sg r e a t l y ：f o rd i f f e r e n tk i n d so fs o i lt y p e s ，f r o ms i t e t os i t e ，d e p e n do nt h el e n g t ho fe x p o s u r et i m ea n dt h ea m o u n to fb e n t o n i t ei nt h es l u r r y s oi ti sd i f f i c u l tt oc h a r a c t e r i z es o i l b e n t o n i t em i x t u r e si ng e n e r a l ，o re a s i l y 4 1 5o b j e c t i v ea n dm e t h o d o l o g y t h em a i no b j e c t i v eo ft h i ss t u d yi st o d e t e n n i n et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs a n d b e n t o n i t em i x t u r e e s p e c i a l l y t h es t r e s s s t r a i nb e h a v i o r o ft h e m i x t u r e as e r i e so f l a b o r a t o r y t e s t sw a sc o n d u c t e do ns a n d b e n t o n i t em i x t u r ew i t hd i f f e r e n tm i x i n gr a t i o s h u t c h i n s o ne ta 1 7 ( 1 9 7 5 ) r e p o r t e dt h a ti nc a s eo fs u r f a c ea n dd e e pf i l t r a t i o nt h eb e n t o n i t e c o n c e n t r a t i o ni nt h ef i l t e rc a k ei sg r e a t e rt h a ni nt h eb e n t o n i t es l u r r y t y p i c a l l yf o rs l a r r y c o n t a i n i n g5 b e n t o n i t eb yw e i g h t t h e b e n t o n i t ec o n c e n t r a t i o ni nt h ef i l t e rc a k ef o r m e d b y t h i ss l u r r yi s15 b yw e i g h t b a s e do nt h i sr e p o r tt h ea m o u n to fb e n t o n i t ei nt h em i x t u r ew a sc h o s e nt ob e15 b y w e i g h t a n o t h e rt w os