（岩土工程专业论文）结构性对上海粘性土剪切特性影响的试验研究.pdf

摘要 摘要 土体的结构性是指土体颗粒和孔隙的性状和排列形式( 或称组构) 及颗粒 之间的相互作用。绝大多数天然土都有一定的结构性，软土由于特定的历史条 件和矿物成分，同样具有结构性，其结构类型有自身的特点。结构性软土具有 结构强度，因此，它呈脆性破坏，其破坏应变较小。在工程中结构性土地基往 往会在缺乏预兆情况下产生突然性破坏。研究软土的结构性对软土地区结构物 的设计、地基加固设计有着重要意义。 本文主要从宏观力学试验出发，通过对上海地区第3 、4 、5 层土的重塑试 样进行慢剪和固结快剪试验研究，分析重塑粘性土在剪切破坏的极限状态时， 抗剪强度参数( 粘聚力和内摩擦角) 与塑性指数、破坏面的含水率以及竖向压 力的关系，并与相关的原状土样研究对比，总结出经验公式供工程实践时参考。 同时通过原状土无侧限抗压强度试验，与重塑土的抗剪强度对比，找出其结构 性所在，并统计上海地区的工程勘察资料，选择有代表性的资料对原状土粘聚 力与内摩擦角进行分析，找出结构性对上海地区粘性土抗剪强度的影响。由于 试验条件及土样等因素的限制，本文所做的工作只是结构性研究中很小的部 分，今后还有大量的工作有待开展。 关键词：上海粘性土，结构性，重塑土，原状土，直剪试验，抗剪强度参数 a b s t 删 ab s t r a c t s o i ls t r u c t u r e ，i st h ep e c u l i a r i t y 、s h a p ea n df a b r i co fs o i lg r a i na n dt h ei m p a c t b e t w e e nt h eg r a i n s m o s to ft h en a t u r es o i lh a ss o m es t r u c t u r e ，s o f tc l a y , b e c a u s s eo f t h ep a r t i c u l a rh i s t o r yc o n d i t i o na n dm i n e r a le l e m e n t , a l s oh a ss t r u c t u r e ，a n dt h e s t r u c t u r et y p eh a sp e c u l i a r i t yo fi t so w n s o f tc l a yo fs t r u c t u r eh a sf a b r i ci n t e n s i t y 。s o i t f r a g i l i t yd e s t r o y , a n dd e s t r o ys t r e s si ss m a l l s o i lo fs t r u c t u r e ，i nw o r k s ，u s u a l l y d e s t r o ys u d d e n l y , a n dh a sn of o r e b o d e s t u d yt h es t r u c t u r eo f s o f tc l a yh a si m p o r t a n t m e a n i n gt ot h ed e s i g no fc o n s t r u c t i o n , a n dd e s i g no ff o u n d a t i o ns t a b i l i z a t i o n b a s e do nt h es l o w - s h e a rt e s ta n dc o n s o l i d a t e dq u i c ks h e a rt e s t , w h i c hi s m a c r o s c o p i cm e c h a n i c a lt e s t s ，o nt h e3 r d , 4 t ha n d5 t hl a y e r so fs h a n g h a ir e m o l d e d c l a y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep a r a m e t e r so fs h e a rs t r e n g t h ( c o h e s i o na n di n t e r n a lf r i c t i o na n g l e ) a n dp l a s t i c i t yi n d e x , t h ew a t e rc o n t e n ti nt h e f a i l u r es u r f a c ea n dt h en o r m a ls t r e s s ，i nt h es t a t eo fs h e a rf a i l u r e c o n t r a s tt h e s e r e l a t i o n s h i p s 晰也t h o s eo fr e l a t e du n d i s t u r b e ds a m p l e s ，a n ds u m m a r i z ee x p e r i e n c e f o r m u l af o re n g i n e e r i n gp r a c t i c e b ym e a n so fu n c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t r e n g t ht e s t o fu n d i s t u r b e ds a m p l e s ，c o n t r a s tt h es h e a rs t r e n g t ho fr e m o l d e ds o i lt of r e dt h es o i l s t r u c t u r e f r o mt h es t a t i s t i c a le n g i n e e r i n gs u r v e yd a t ao fu n d i s t u r b e dc l a yo fs h a n g h a i ， c h o o s et h er e p r e s e n t a t i v em a t e r i a lt oa n a l y z et h e s ep a r a m e t e r so fs h e a rs t r e n g t h , i d e n t i f yt h ei n f l u e n c eo fs o i ls t r u c t u r et os h e a rs t r e n g t hi ns h a n g h a i b e c a u s eo ft h e f a c t o r ss u c ha st e s tc o n d i t i o n sl i m i ta n ds o i ls a m p l e sl i m i t , t h er e s e a r c hj o bo fs o i l s t r u c t u r ew a sa l i t t l ed o n e ，m o r ej o b ss h o u l db ec a r r i e do nf o rt h ef u t u r er e s e a r c h k e yw o r d s ：s o f tc l a yi ns h a n g h a i ，s o i ls t r u c t u r e ，r e m o l d e dc l a y , u n d i s t u r b e dc l a y , d i r e c ts h e a rt e s t , p a r a m e t e r so fs h e a rs t r e n g t h 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：当刍气 o c 7 年岁月i7 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： o 。7 年乡月7 日 第1 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 岩土工程问题是一个古老的问题，因为人类改造自然最初的改造对象就是 岩土介质材料，而岩土工程却又是- i 1 年轻的科学【1 1 0 沈珠江曾指出，以人生成 长的道路作比喻，岩土工程学科的发展已走过小学和中学阶段，到达大学阶段， 但是离“三十而立”恐怕还有一段距离【2 1 。其原因有两点：第一，岩土工程的两 大基本支柱理论岩石力学和土力学理论至今仍然不成熟，真正符合岩土介 质材料本质特征的岩土力学尚未建立起来，正如t e 黝g l l i 在上世纪5 0 年代说过， 土力学是一门技艺，这就意味着当时人们主要还是依靠经验解决岩土工程问题。 可以说这种情况到今天还未根本改变：第二，岩土工程的基本理论研究以及工 程实践目前仍然十分活跃，一些先进的计算手段、试验测试方法以及研究理论 都纷纷被拿来研究岩土介质材料。 岩土介质材料是一定自然地质条件下，母岩经历不同程度的风化作用的产 物。沈珠江曾经指出，压硬性和剪胀性是岩土介质材料的基本特性 2 1 。但是，这 两个特性只是重塑土的基本特性，尚不能认为是岩土介质材料总体的基本特性。 岩土材料与其他材料根本区别在于它的天然性，其结构性和不均匀性正是来源 于其天然性。同时，岩土介质材料是一种由土粒一水一空气组成的三相体，存 在明显的水理效应和耦合效应。此外，岩土材料还表现出明显的各向异性。岩 土工程介质材料的诸多特性造就了岩土工程问题的复杂性，如地应力作用、围 压的影响、多相耦合作用以及边界条件和初始条件的不确定性等。 工程实践及室内试验都表明，土体的宏观工程特性在很大程度上受到土体 微观结构的系统状态和整体行为的控制，土体宏观的物理力学行为是其复杂的 微观结构特性的集中体现，即绝大多数天然土都具有一定的结构性【3 】。任何一种 基于适度均匀化研究的连续介质模式都很难准确地表述土体结构的复杂性，难 以逾越土体微观结构的多样性和不确定性这一巨大障碍【4 1 。长期以来，许多岩土 工作者仅从土体的密度、粒度和湿度三个方面来描述土体的力学性质，而忽视 了一个最为重要的影响因素土体结构性。沈珠江认为，土体结构性及其本 构模型的研究是“二十一世纪土力学的核心问题 【4 】。 第1 章绪论 土的构造是指整个土层( 土体) 构成上的不均匀性特征的总合，土体构成 上的不均匀性包括：层理、夹层、透镜体、结核、组成颗粒大小悬殊及裂隙发 育程度与特征等。 这种构成上的不均匀性是由土的矿物成分及结构变化所造成的，而一般土 体的构造在水平方向或竖直方向变化往往较大，其特征受成因控制。对于碎石 土，一般具有粗石状构造和假斑状构造。粗石状构造土体具有很高的强度和很 好的透水性：假斑状构造土体中粗大碎屑不能形成骨架，其工程性质主要取决 于其中细粒物质的成分( 土类) 、性质，特别是所处稠度状态或密实状态。对于 砂土和砂质粉土，各种不同形式的夹层、透镜体或交错层构造，较为普遍。砂 土和砂质粉土层中的粘性土或淤泥质粘性土夹层和透镜体构造会形成土体中的 软弱面，可能造成建筑物地基失稳或边坡土体产生滑动；其力学性质和透水性 呈各向异性；对于粘性土，常见层状、显微状构造及各种裂隙、节理构造。 土体的结构性是指在天然沉积过程中土体自身生成的土颗粒之间的孔隙大 小、分布形状、排列组合及联结等结构特征。对岩土材料来说，结构就是颗粒、 团粒和块体的几何排列和相互之间的力学作用。在土力学中，结构性常指颗粒 之间的胶结特性，无胶结的散粒土和胶结被破坏以后的重塑粘土常称无结构性 的土类。绝大多数天然土体都具有一定的结构性，这种结构性对土体的工程性 质有着很大的影响。 土的结构性是软土的一个重要特性，对土的固结、压缩、剪切等工程性质 有很大的影响作用，影响程度与应力水平密切相关；应力水平较低时，土的结 构性相对完好，土会呈现较好的力学特性，其固结系数相对较大，压缩性相对 较低，地基变形稳定快；应力超过某个临界值后，土结构性损伤破坏严重，固 结系数降低，压缩性增强，地基沉降及不均匀沉降大，延续时间长【5 】o 因此在软 土地基设计计算中，必须将地基处理方式、荷载水平及其对土的结构性影响三 者结合起来考虑，才能较好地预估地基的固结特性、变形规律及稳定性，从而 提高工程设计的科学性及可靠性。 1 2 国内外在粘性土抗剪强度影响方面的研究现状 国外在上世纪4 0 年代开始的关于软粘土取样扰动和灵敏度的研究最先揭示 了软粘土的原生结构及其破损对其力学特性的影响，其后所进行的一系列的关 2 第1 章绪论 于原状土样与重塑土样的压缩特性和剪切特性的对比工作，使这方面的研究更 进一步。l e r o u e i l 6 7 1 和b u r l a n d 8 】( 1 9 9 0 ) 、沈珠江院士【9 】【1 0 】【1 1 1 1 1 2 1 【1 3 】和蒋明镜【1 2 】【1 3 】 分别对国内外这方面的研究进行了总结。 在我国沿海各地区，土层往往由淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土组成。这类 软粘土孔隙比大、含水量高，多呈软塑状态。一般认为，软粘土具有强度低、 压缩性高和灵敏度高等不利的工程性质，是这些地区高速发展的工程建设中需 要特别重视的一类软弱土层。最近几年，国内学者熊传样等【1 4 】对杭州软粘土、 王立忠和李玲玲等【1 5 】对温州软粘土、雷华阳和肖树刊16 】对天津软粘土、孔令伟 等【1 7 】对湛江软粘土也进行了这方面的研究。这些研究工作从宏观力学特性上对 软粘土的特殊结构进行了分类和命名，国外学者称之为“非稳定结构”【8 】国内则 有人将软粘土称之为“具有强结构性的欠压密土 1 1 3 】。研究结果表明，具有这 种结构的原状软粘土在压缩和剪切过程中，当压力超过结构强度而发生屈服后， 随着原生结构的破损，土的力学特性逐渐向由重塑土样所代表的“固有特性 转化。软粘土的这种“非稳定”原生结构，导致其在结构屈服前后的力学特性 相差较大。 在以往的研究中，都直接或间接地应用到结构性的概念。作为土的一种固 有特性，结构性并不以力学性质的形式出现，而是通过自身的变化规律来影响 土的诸多工程特性如压缩性、剪切强度、渗透性等，这就增加了问题的复杂性， 使得在工程实践中更难把握土性的变化。但是我们也可以看出，国内在结构性 对抗剪强度影响方面的研究并不多，这使得我们对结构性的把握不完全，也不 能真正很好的回答和解决工程中遇到韵一些关于剪切破坏问题。 1 3 结构性对上海地区粘性土抗剪强度影响的研究现状 软粘土在我国沿海地区广泛分布，在道路建设、基础工程等工程中经常遇 到，其物理力学性、结构性等，一直是研究的重要课题，尤其是软土的结构性， 是近年来被广大学者所关注的研究内容之一。从广义上讲，土都具有结构性， 土结构性的强弱是与土的先期固结压力、沉积时间、沉积条件以及土的物理化 学成分等相关的。土的结构性是指土结构的力学效应，即受力时土的结构与其 力学行为的相互影响。如在对粘性土原状样( 有结构性的土) 和重塑样( 丧失结构 性的土1 的室内力学试验时发现，原状样和重塑样的力学性质差异较大，主要表 3 第1 章绪论 现在：( 1 ) 在压缩曲线上原状样有明显的结构屈服点，而重塑样压缩曲线基本为 一直线；( 2 ) - - 轴剪切试验中，原状样的应力应变曲线上有明显的结构屈服应力 点，而重塑样没有；( 3 ) 原状样在应力低于结构n f j 眨应力时，固结系数基本为一 常数，而当应力增j j n n 结构屈服应力附近时，固结系数急剧降低，最后趋近于 重塑样的固结系数；( 4 ) 三轴剪切试验中，原状样的抗剪强度包线呈折线型，而 重塑样为一直线。以上这些特性均表明结构性对土的力学性质有较大的影响。 多年以来，不同学者虽然针对上海地区的粘性土进行了大量的三轴试验研 究【1 9 1 2 0 1 2 1 1 1 2 2 1 1 2 3 1 ，但绝大多数研究采用一般取土方法得到原状土样，土样质量难 以保证；而在采用十字板剪切试验等原位测试时，也是针对某一处现场测得， 并没有全面系统地对上海地区原状粘性土结构性进行统计分析。 同时也缺少原状土样与重塑土样的对比研究工作，尤其是结构性对抗剪强 度及其参数的影响研究。因此希望通过本文的研究，提高人们对结构性对上海 粘性土剪切特性影响的认识，对工程勘察及工程实践进行指导。 1 4 本文主要工作 ( 1 ) 通过对上海地区重塑粘性土的直剪试验( 固结快剪和慢剪) 研究，得 出重塑粘性土的抗剪强度及其参数。 ( 2 ) 总结出上海地区粘性土抗剪强度及其参数与土的物理性指标之间的关 系，为工程实际问题的快速解决提供参考办法。 ( 3 ) 统计上海地区粘性土的工程勘察资料，选取有代表性的粘性土进行原 状样的抗剪强度参数分析，并找出上海地区粘性原状土抗剪强度参数( 粘聚力 和内摩擦角) 与塑性指数、含水率及埋深的关系。 4 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 2 1 直剪试验介绍 直接剪切试验是目前测定土体抗剪强度的一种常用方法。通常是从地基中 某个位置取出土样，制成几个试样，用几个不同的垂直压力作用于试样上，然 后再施加剪切力，测得剪应力与剪切位移的关系曲线，并从曲线上找出试样的 极限剪应力作为该垂直压力下的抗剪强度。通过几个试样的抗剪强度确定强度 包线，求出抗剪强度参数c ，矽。 直接剪切试验分为快剪、固结快剪、慢剪三种试验方法1 2 4 1 。 1 快剪试验是在试样上施加垂直压力后，立即施加水平剪切力使试样剪切破 坏。一般从加荷到剪坏只用3 、5 分钟。由于剪切速率较快，对于渗透系数比较 低的土，可认为土样在这短暂时间内没有排水固结。得到的抗剪强度参数用巳、 矽。表示。这种方法将使粒间有效应力维持原状，不受试验外力的影响，但由于 这种粒间有效应力的数值无法求得，所以试验结果只能求得( 仃t a n + c a ) 的混 合值。这种方法适用于测定粘性土天然强度，但仇角将会偏大。 2 周结快剪试验是在试样上施加垂直压力，待排水固结稳定后，施加水平剪 切力使试样剪切破坏，得到的抗剪强度参数用、妒。表示。由于时间短促， 剪力所产生的超静水压力不会转化为粒间的有效应力，这种、纥值称为总 应力法抗剪强度参数。 。 ! ； 3 慢剪试验是在试样上施加垂直压力后，让试样充分排水，待固结稳定后， 以缓慢的速率施加和水平剪切力直至试样剪切破坏，从而使试样在受剪过程中 一直充分排水和产生体积变形。得到的抗剪强度参数用c 。、仍表示。 以上每种方法适用于一定排水条件下的土体。例如，快剪试验用于在土体 上施加垂直压力和剪切过程中都不发生固结排水的情况；固结快剪试验用于施 加垂直压力下达到完全固结，但剪切过程中不产生排水固结的情况；慢剪试验 用于在施加垂直压力下达到完全固结稳定，而在剪切过程中孔隙水压力的变化 与剪应力的变化相适应的情况。实际上，土体中的应力变化过程相当复杂，在 选择试验方法时，应注意所采用的方法尽量反映土的特性和工程所处的工作阶 段，并与分析计算方法相适应【2 5 1 。本章主要采用固结快剪和慢剪方法，对土样 5 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 进行分析研究。 2 2 重塑土样制作方法 2 2 1 取土 试验土样取自上海地区第3 层淤泥质粉质粘土、第4 层淤泥质粘土、第5 层粘土，按规定在自然状态下风干后重塑而得，每层土各取3 个试样，编号为 3 1 、3 2 、3 3 、4 1 、4 2 、4 3 、5 1 、5 2 、5 3 ，共9 个试样。 2 2 2 重塑土样制备方法 重塑方法是将取回的土样在自然状态下风干，然后打碎碾磨、过筛、称重， 测出风干含水率、液限、塑限，按其1 5 倍液限含水率加水，搅拌均匀后，密封 浸泡2 4 小时。其中配水量计算公式如( 2 1 ) 所w2 丽m0 0 1 ( w - w o ) ( 2 1 ) 式中： m ，土样所需的加水量，g ； m 风干含水率时的土样质量，g ； 风干含水率，； w 一土样要求的含水率，。 2 2 3 重塑土样液塑限测试 重塑土样的液塑限采用光电式液塑限联合测定仪( 见图2 1 ) 来测定。锥体 质量7 6 9 ，锥尖角为3 0 0 ，锥体下沉采用自动落锥法，下沉深度( 锥体贯入土中 深度) 利用光电反射投影读得。通过配制不同含水率的土样，拌匀后分别装入 试样杯，分别测定锥体贯入深度，并绘制不同含水率与锥体下沉深度之间的双 对数关系曲线。根据土工试验方法标准( g b t5 0 1 2 3 1 9 9 9 ) 【2 6 】，取贯入深度 2 m m 的含水率为塑限，贯入深度1 7 m m 的含水率为液限。塑性指数由式( 2 2 ) 6 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 计算得到 i e = w 工一聊 ( 2 2 ) 式中：，一土的塑性指数； w - 土的液限，； w ，一土的塑限，。 重塑土样的比重值按照上海市岩土工程勘察规范( d g j 0 8 3 7 2 0 0 2 ) t 2 7 1 ， 对于粘性土塑性指数1 4 i 。1 7 时，土的比重取2 7 3 ：1 7 i 。2 0 时，土的 比重取2 7 4 _ ；2 0 f 2 4 时，土的比重取2 7 6 。 重塑土样的物理性质指标汇总如表2 1 所示。 表2 1 各层重塑土样的物理性质指标 风干配土 密度 液限塑限塑性 试样 土样名称含水率含水率比重 编号 ( g c n ，) ( )( )指数 ( ) ( ) 3 1第三层淤泥质粉质粘土2 5 65 2 2 l1 7 42 7 33 4 8 71 8 2 91 6 5 8 3 - 2 第三层淤泥质粉质粘土 2 2 95 3 0 3l 。7 2 2 。7 33 6 2 42 0 。8 l1 5 。4 3 3 3第三层淤泥质粉质粘土2 4 l5 0 4 31 7 52 7 33 4 7 91 8 6 51 6 1 4 4 1第四层淤泥质粘土6 0 96 3 3 21 6 32 7 54 2 8 82 2 6 32 0 2 5 4 2第四层淤泥质粘土5 3 96 6 9 31 6 02 7 54 1 0 92 1 0 42 0 0 5 4 3 第四层淤泥质粘土 3 9 06 7 6 01 6 0 2 7 54 1 5 91 9 5 62 0 0 3 5 1第五层粘土4 2 87 3 1 l1 5 72 7 54 7 6 82 4 1 72 3 5 l 5 2第五层粘土4 9 96 3 6 11 6 32 7 54 2 8 32 0 8 22 2 o l 5 3 第五层粘土 6 0 67 1 7 11 5 7 2 7 64 8 2 92 3 6 52 4 6 4 卜显示屏；2 一电磁铁；3 一带标尺的圆锥仪； 4 试样杯；5 一升降座；6 一控制开关 图2 1 光电式液塑限联合测定仪 7 第2 章上海地区重塑枯性土直剪试验研究 2 3 直剪试验方案及过程 2 3 1 试验方案 试验采用应变控制式直剪仪( 如图2 2 ) ，剪切上下盒内径均为6 1 8 c m ，深 2 c m 。对重塑试样分别采用固结快剪和慢剪试验方法，每组试验取四个试样，垂 直压力依次为5 0 k p a 、1 0 0k p a 、2 0 0 k p a 、4 0 0k p a 。 1 剪切传动机构；2 推动器；3 下盒；4 垂直加压框架；5 垂直位移计：6 传压板；7 透水板； 8 上盒：9 储水盒；1 0 测力计；1 1 水平位移计；1 2 城珠；1 3 - i 式样 2 3 2 慢剪试验步骤 图2 2 应变控制式直剪仪 ( 1 ) 装样：对准上下盒，插入固定销钉，在下盒内放置浸泡透的透水石一 块及湿滤纸一张。将制备好的重塑土样装入剪力盒中( 图2 3 ) ，装样时应注意 避免空隙。在试样上面依次放上湿滤纸及透水石，并顺次加上传压板和垂直加 压框架。 ( 2 ) 固结：因土样含水率较高，为避免土挤出，采用分级加载固结方式， 前6 个小时采用小荷载加压，每隔2 小时依次加1 0k p a 、2 0k p a 、3 0k p a ，6 小 时后四个试样分别加至5 0 k p a 、1 0 0k p a 、2 0 0k p a 、4 0 0k p a ，固结时间共1 6 小 时。为防水分蒸发，固结时在剪切盒周边储水槽中加水饱和。 ( 3 ) 剪切：固结稳定后，拔去销钉，以o 0 2 m r n m i n 的剪切速率进行剪切。 每隔o 1 m m 剪切位移测记一次钢环测力计读数( 图2 4 ) ，直至剪切位移达6 m m 8 第2 章上海地区重塑粘性士直剪试验研究 时停止。 图2 3 重望土装样 图2 4 直剪剪切过程 第2 章上海地【；c = 重塑粘性上直剪试验研究 2 3 3 固结快剪试验步骤 ( 1 ) 固结快剪试验的装样、固结步骤与慢剪相同。 ( 2 ) 剪切：固结稳定后，拔去销钉，以0 8m m m i n 的剪切速率快速进行剪 切，每隔0 2 r a m 剪切位移测记一次钢环测力计读数，直至剪切位移达6 m m 时停 止。 2 4 试验结果分析 2 4 1 应力与位移关系分析 2 4 1 1 剪应力与剪切位移关系 图2 5 图2 7 分别为第3 、4 、5 层土的重颦土样慢剪试验所得到的剪应力 与剪切位移之间的关系曲线；图2 8 - 2 1 0 分别为第3 、4 、5 层土的重塑土样固 结快剪试验所得到的剪应力与剪切位移之间的关系曲线。 图2 5 a 第三层淤泥质粉质粘十重塑试样( 3 1 ) 慢剪的剪应力与剪切位移关系曲线 1 0 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 图2 5 b 第三层淤泥质粉质粘土重塑试样( 3 2 ) 慢剪的剪应力与剪切位移关系曲线 图2 5 c 第三层淤泥质粉质粘土重塑试样( 3 3 ) 慢剪的剪应力与剪切位移关系曲线 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 图2 6 a 第四层淤泥质粘土重塑试样( 4 1 ) 慢剪的剪应力与剪切位移关系曲线 图2 6 b 第四层淤泥质粘土重塑试样( 4 - 2 ) 慢剪的剪应力与剪切位移关系曲线 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 图2 6 c 第四层淤泥质粘土重塑试样( 4 - 3 ) 慢剪的剪应力与剪切位移关系曲线 图2 7 a 第五层粘土重塑试样( 5 1 ) 慢剪的剪应力与剪切位移关系曲线 1 3 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 图2 7 b 第五层粘土重塑试样( 5 2 ) 慢剪的剪应力与剪切位移关系曲线 图2 7 c 第五层粘土重塑试样( 5 3 ) 慢剪的剪应力与剪切位移关系曲线 1 4 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 图2 8 a 第三层淤泥质粉质粘土重塑试样( 3 1 ) 固结快剪的剪应力与剪切位移关系曲线 图2 8 b 第三层淤泥质粉质粘土重塑试样( 3 2 ) 固结快剪的剪应力与剪切位移关系曲线 1 5 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 图2 8 c 第三层淤泥质粉质粘土重塑试样( 3 3 ) 固结快剪的剪应力与剪切位移关系曲线 图2 9 a 第四层淤泥质粘土重塑试样( 4 - 1 ) 固结快剪的剪应力与剪切位移关系曲线 1 6 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 图2 9 b 第四层淤泥质粘土重塑试样( 4 2 ) 固结快剪的剪应力与剪切位移关系曲线 图2 9 c 第四层淤泥质粘土重塑试样( 4 3 ) 固结快剪的剪应力与剪切位移关系曲线 1 7 图2 1 8 第2 章上海地区重塑枯性土直剪试验研究 图2 1 0 c 第五层粘土重塑试样( 5 3 ) 固结快剪的剪应力与剪切位移关系曲线 2 4 1 2 剪切位移与竖向位移关系 图2 1 1 图2 1 3 分别为第3 、4 、5 层土的重塑土样慢剪试验所得到的竖向 位移与剪切位移之间的关系曲线。由图可看出，在慢剪试验中，曲线较平滑且 近似直线，说明试验过程中排水较充分。同时可看出，试样的剪缩现象比较明 显，且随着剪切时间和剪切位移的推移，竖向位移曲线有下降的趋势，这可以 在一定程度上反映剪切过程中排水和孔隙水压力的变化。 由于固结快剪的剪切速度较快，来不及记录对应剪切位移下的竖向位移读 数，这里只记录了每个正应力对应的起始竖向位移读数，计算剪前和剪后的竖 向位移变化量，列表( 表2 2 ) 与慢剪的竖向位移变化量进行对比，可看出，第 三层土的快慢剪试验在不同正应力下竖向位移变化量相差不大，说明第三层淤 泥质粉质粘土的透水性较好，剪切过程中孔压消散较快，可不考虑其对抗剪强 度参数的影响。但第四层淤泥质粘土和第五层粘土在不同剪切方式下，竖向位 移变化量相差较大，慢剪不同正应力下对应的竖向位移变化量均是固结快剪相 应条件下变化量的3 倍以上。这与上海地区粘性土的性质有关，粘粒间的透水 性较小。慢剪因时间较长，排水较充分；固结快剪因在3 5 分钟时间内完成， 孔隙水来不及排出，压力消散也慢，故竖向位移变化较小。 1 9 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 图2 1 1 a 第三层淤泥质粉质粘土重塑试样( 3 1 ) 慢剪的竖向位移与剪切位移关系曲线 图2 1 l b 第三层淤泥质粉质粘土重塑试样( 3 2 ) 慢剪的竖向位移与剪切位移关系曲线 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 图2 1 l c 第三层淤泥质粉质粘土重塑试样( 3 3 ) 慢剪的竖向位移与剪切位移关系曲线 图2 1 2 a 第四层淤泥质粘土重塑试样( 4 1 ) 慢剪的竖向位移与剪切位移关系曲线 2 1 第2 章上海地区重靼粘性土直剪试验研究 图2 1 2 b 第四层淤泥质粘土重塑试样( 4 2 ) 慢剪的竖向位移与剪切位移关系曲线 图2 1 2 c 第四层淤泥质粘土重塑试样( 4 3 ) 慢剪的竖向位移与剪切位移关系曲线 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 图2 1 3 a 第五层粘土重塑试样( 5 1 ) 慢剪的竖向位移与剪切位移关系曲线 图2 。1 3 b 第五层粘土重塑试样( 5 - 2 ) 慢剪的竖向位移与剪切位移关系曲线 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 图2 1 3 c 第五层粘土重塑试样( 5 3 ) 慢剪的竖向位移与剪切位移关系曲线 表2 2 各层重塑土样不同剪切方式下正应力对应竖向位移变化量 剪切过程竖向位移变化量( 衄) 剪切方式 土层 土样编号 5 0 k p al o o k p a2 0 0 k p a4 0 0 k p a 3 - l0 4 6o 。6 60 。4 80 4 7 第三层淤泥质粉质粘土3 20 7 40 5 2o 6 60 6 8 3 - 30 7 71 0 80 7 30 5 4 4 - l0 7 60 8 9o 8 60 7 4 慢 第四层淤泥质粘土4 20 8 20 9 40 7 40 7 l 剪 4 3o 8 80 8 70 9 0o 7 3 5 - l0 7 9o 8 00 8 6o 6 7 第五层粘土5 20 7 00 4 40 7 40 7 7 5 3o 5 80 8 00 7 60 4 7 3 - l0 4 2o 4 2o 4 80 3 l 第三层淤泥质粉质粘土3 2 0 4 30 7 40 5 4 0 6 l 3 - 30 4 70 5 40 7 9o 5 2 固 4 1o 2 00 2 20 1 80 3 4 结 第四层淤泥质粘土4 20 2 l0 2 4o 2 90 3 2 快 剪4 - 3 o 1 90 2 7 0 3 30 3 8 5 1o 2 lo 2 90 4 00 3 9 第五层粘土5 20 1 90 2 60 2 90 4 0 5 3o 。2 2o 。2 50 。2 5o 2 3 第2 章上海地区重塑枯性土直剪试验研究 2 4 1 3 剪应力与剪切位移关系归一化特征分析 由图2 5 2 1 0 可看出，土样在不同的竖向压力下，有不同的剪应力与剪切 位移关系。但在不同的竖向压力下，同一种土样表现出的属性会不会有某些相 通之处呢? 在此，把剪应力变量无量纲化，也就是把剪应力除以竖向压力，进 行归一化分析。图2 1 4 - 图2 1 6 分别为第3 、4 、5 层土的重塑土样慢剪试验所 得到的剪应力与剪切位移的归一化关系曲线；图2 1 7 - 图2 1 9 分别为第3 、4 、 5 层土的重塑土样固结快剪试验所得到的剪应力与剪切位移的归一化关系曲线。 由图可看出，第三层土的试样3 1 、3 2 固结快剪和慢剪归一化都不太好，只有 试样3 3 归一化较好，这与第三层土的不均匀性密切相关，虽然为重塑土，但由 于取土时原状土的不均匀性，造成重塑后土样仍受到一定的影响。而第四层土 和第五层土的归一化曲线较好，因为第四、五层土埋深较深，土质也较均匀。 就归一化好的曲线来看，在某一竖向压力条件下，一定的剪切位移都对应一定 的剪应力。由此我们可以根据试样破坏时的剪切位移确定其所受的剪应力，对 工程实践及现场施工起到一定的指导和参考作用。 图2 1 4 a 第三层淤泥质粉质粘土重塑试样( 3 1 ) 慢剪的剪应力与剪切位移归一化关系曲线 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 图2 1 4 b 第三层淤泥质粉质粘土重塑试样( 3 2 ) 慢剪的剪应力与剪切位移归一化关系曲线 图2 1 4 c 第三层淤泥质粉质粘土重塑试样( 3 3 ) 慢剪的剪应力与剪切位移归一化关系曲线 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 图2 1 5 a 第四层淤泥质粘土重塑试样( 4 1 ) 慢剪的剪应力与剪切位移归一化关系曲线 图2 1 5 b 第四层淤泥质粘土重塑试样( 4 2 ) 慢剪的剪应力与剪切位移归一化关系曲线 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 图2 1 5 c 第四层淤泥质粘土重塑试样( 4 3 ) 慢剪的剪应力与剪切位移归一化关系曲线 图2 1 6 a 第五层粘土重塑试样( 5 1 ) 慢剪的剪应力与剪切位移归一化关系曲线 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 图2 1 6 b 第五层粘土重塑试样( 5 2 ) 慢剪的剪应力与剪切位移归一化关系曲线 图2 1 6 c 第五层粘土重塑试样( 5 3 ) 慢剪的剪应力与剪切位移归一化关系曲线 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 图2 1 7 a 第三层淤泥质粉质粘土重塑试样( 3 1 ) 固结快剪的 剪应力与剪切位移归一化关系曲线 图2 1 7 o 第三层淤泥质粉质粘土重塑试样( 3 2 ) 固结快剪的 剪应力与剪切位移归一化关系曲线 第2 章上海地区莺塑粘性土直剪试验研究 图2 1 7 c 第三层淤泥质粉质粘土重塑试样( 3 3 ) 固结快剪的 剪应力与剪切位移归一化关系曲线 图2 1 8 a 第四层淤泥质粘土重塑试样( 4 1 ) 固结快剪的剪应力与剪切位移归一化关系曲线 3 l 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 图2 1 8 b 第四层淤泥质粘土重塑试样( 4 - 2 ) 固结快剪的剪应力与剪切位移归一化关系曲线 图2 1 8 c 第四层淤泥质粘土重塑试样( 4 3 ) 固结快剪的剪应力与剪切位移归一化关系曲线 3 2 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 图2 1 9 a 第五层粘土重塑试样( 5 1 ) 固结快剪的剪应力与剪切位移归一化关系曲线 图2 1 9 b 第五层粘土重塑试样( 5 2 ) 固结快剪的剪应力与剪切位移归一化关系曲线 3 3 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 图2 1 9 c 第五层粘土重塑试样( 5 3 ) 固结快剪的剪应力与剪切位移归一化关系曲线 2 4 2 抗剪强度参数分析 由图2 5 图2 7 和图2 8 图2 1 0 可以看出，因试样为重塑土样，所以无 论是慢剪还是固结快剪，试验所得到的剪应力与剪切位移关系曲线几乎无峰值， 这里取剪切位移6 m m 所对应的剪应力作为破坏值进行抗剪强度分析【堋，分别测 出试样在垂直压力依次为5 0 k p a 、1 0 0k p a 、2 0 0 k p a 、4 0 0k p a 下所对应的抗剪强 度，并作出抗剪强度与垂直压力之间的关系曲线，拟合出相应的粘聚力和内摩 擦角。 图2 2 0 a 图2 2 0 c 分别是第3 、4 、5 层土的重塑土样慢剪试验所得到的抗 剪强度与垂直压力之间的关系曲线；图2 2 1 a 图2 2 1 e 分别是第3 、4 、5 层土 的重塑土样固结快剪试验所得到的抗剪强度与垂直压力之间的关系曲线。得出 的各层土抗剪强度参数如表2 1 3 。 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 2 5 0 2 0 0 山 专1 5 0 型 孽i 0 0 呖 蝠 5 0 0 o1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 垂直压力p ( k p a ) 图2 2 0 a 第三层土重塑土样慢剪的抗剪强度与垂直压力关系曲线 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 o 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 垂直压力p ( k p a ) 图2 2 0 b 第四层土重塑土样慢剪的抗剪强度与垂直压力关系曲线 3 5 一生一卜越慧蠡辖 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 2 0 0 1 5 0 岔 d _ 卫 u 答瑚 密 摄 5 0 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 垂直压力p ( k p a ) 图2 2 0 c 第五层土重塑土样慢剪的抗剪强度与垂直压力关系曲线 山 j c j 蜊 强 容 堰 01 0 02 0 03 0 04 0 0 垂直压力p ( k p a ) 5 0 0 图2 2 1 a 第三层土重塑土样固结快剪的抗剪强度与垂直压力关系曲线 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 0 垂直压力p ( k p a ) 图2 2 1 b 第四层土重塑土样固结快剪的抗剪强度与垂直压力关系曲线 畲 山 邑 j 型 慧 钕 辗 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 o 01 0 02 0 03 0 04 0 0 垂直压力p ( k e a ) 5 0 0 图2 2 l c 第五层土重塑土样固结快剪的抗剪强度与垂直压力关系曲线 3 7 一之邑j型联襁辖 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 表2 3 各层土直剪抗剪强度参数及其均值、均方差 土样 试验方式 土层慢剪固结快剪 编号 c 。、值 均值及均方差 c c q 、叩c q 值 均值及均方差 c 。= o c 一 3 1 吼= 2 6 3 0 - 2 5 4 。 第三层淤泥质 c 却 c 却 = 0 粉质粘土 3 2q 。= 2 7 7 0 c c q 卸 = 2 8 0 0 甲s = 2 9 4 。 t p c q = 3 1 5 。 6 = 1 30 = 2 6 c q = o 3 3 c - ：oq = 2 7 5 0 = 2 7 2 。 c - 卸 c c q = 0 4 1 ( i ) , - - - 2 6 0 。 币c q - 2 2 5 0 第四层淤泥质 c 冈 e s = o = 0 粘土 4 - 2 q i - 2 6 5 。 c c 一 q 矿2 0 2 。 9 产2 6 6 0 p c q 2 15 8 。 a = 町。3o = 1 ，6 c i = o c 田= o 4 3 9 。- 2 6 8 0 q c q 2 1 9 4 0 c = 0 = 0 5 1 饥= 2 3 7 0 q 明2 17 8 0 c 。= o c i = oc c q = 0 第五层粘土5 - 2 9 。= 2 3 2 。 c 鹎= 0 9 c q 2 1 9 0 。 吼= 2 3 6 。 9 明- 2 1 7 0 a - q ) 7o = 1 9 c i = o c 一 5 - 3 ( i ) , - - - 2 2 2 。 甲c q 2 1 7 6 。 由图2 2 0 a 图2 2 0 c 和图2 2 1 a 图2 2 1 e 可以看出，无论是慢剪还是固结 快剪，重塑土样的粘聚力均为0 ，这是由于重塑土的颗粒结构被打散所造成的【2 3 1 。 由图中还可看出，每层土重塑试样的内摩擦角比较接近，且内摩擦角随着土层 深度加深而逐渐变小。但表2 3 的均方差值显示，无论是固结快剪或慢剪，第三 层土三个重塑试样的内摩擦角都较第四、五层土重塑试样的内摩擦角离散。这 与土的不均匀性有一定的关系，也与土的塑性指数有关。关于内摩擦角与塑性 指数的关系，将在下一章分析。 2 5 本章小结 本章通过采用直剪试验的方式，分别研究了上海地区重塑粘性土在慢剪和 第2 章上海地区重塑粘性土直剪试验研究 固结快剪两种状态下的特性。分析了剪应力与剪切位移关系的归一化