（岩土工程专业论文）利用环剪仪对超固结黏土抗剪强度特性的研究.pdf

摘要 滑坡是地质灾害的主要类型之一，其中很多边坡发生了高速、长距离的滑动破坏， 其滑动距离长达几十米、甚至上百米，这类滑坡造成的危害和损失也是最大的。因此， 有必要对这种高速、长距离的滑坡灾害进行详细的试验研究。 由于常规直剪仪和三轴仪受其应变范围所限无法满足这种大剪切位移的试验条件， 而作为主要用于研究土在大剪切位移条件下土的力学特性的环剪仪具有其独特的设计 构造和试验功能，已经逐渐扩展到涉及与土体剪切破坏过程相关的研究当中。目前，环 剪仪在土的应变软化研究方面正发挥着越来越重要的作用。 本文是在广泛查阅和收集资料的基础上，借鉴国内外的研究成果，利用吉林大学的 大型高速环剪仪对典型的长春第四纪粉质黏土进行了试验研究，并得出了一些有意义的 结论，为今后的研究工作提供了一定的参考。论文具体完成的内容： ( 1 )回顾了国内外在峰后软化、残余强度、循环荷载对黏土抗剪强度的影响等方 面的研究成果，针对实际的工程现状，阐述了本文的现实研究意义。 ( 2 )详细研究了环剪仪的发展历史、基本组成和主要功能，并对试验用料、试样 制备等方面的内容进行了详细的阐述。 ( 3 )广泛查阅有关测定黏土残余强度的试验方法，并对各种试验方法进行了分析 比较，同时总结了影响残余强度的主要因素。 ( 4 )通过多组试验，得出了超固结比、法向应力和剪切速率对超固结饱和黏土的 峰值强度、残余强度和软化特性的影响结果，同时得到了残余强度在施加循环荷载前后 的变化情况。试验还得到了频率、振动方向两个主要影响因素对循环荷载下土体应变软 化和残余强度的影响结果。 关键词：环剪试验；残余强度；剪切速率；循环荷载 利用环剪仪对超固结黏土抗剪强度特性的研究 s h e a rs 仃髓啦b e h a v i o ro fo v * c o n s o l i 血t i o nc l a yi n 弛gs h e a rt e s t s a b s tr a c t l a n d s l i d ei so n eo ft 1 1 em a i ng 1 0 百c a ld i s a s t e 体m a n y1 狃d s l i d e so c c 陬h i 曲s p e e da n d l o 运d i s t 缸c es h 幽唱锄u r e ，a n d 血es h 凼唱d i s t 趾c eo r a m o u n tt om o r em 趾t e nm e t e r s ， e v e nu p p e rh u n d r e dm e t e 璐d 锄a g ea n dl o s s 血a t 也i s1 趾d s l i d eb r i n 笋a b o u ta r ea l s o 也e 加a x i m a l t h e r e f b 玛i t sn e c e s s a r yt oc a r r yo 啦d 勉i l e de x p 钉面鹋l 如o nt h i sh i g h 印饯粗a n d l o n gd i s 切n c el a n d s l i d ed i s a s t e r s i l l c ec 0 n v 酬o n a ld i r e c ts h e 盯a p p 盯a t 峪a n dt r i a 虹a la p p 盯a ! t 1 1 sc 趾ts a 缸s 匆t h i s1 0 n g g h e a rd i s p l a o 锄e n tb y 、) i i r h o s es 仃a 血r 姐g e ，鹊b e i n gu s e dt os t u d ys o i lm e c h a i l i c si n1 a r g es h e a r d i s t a n c e ，血玛g h e 盯a p p 盯a t 啮k 迟d i 鲥| n c t i v ed e s i g n 缸d t e s tf 1 1 n c t i o n s ，a n da 1 ：r e a d ye x p a n dt 0 也er e s e 砌丘e l dj i l v o l v i n gs o ns h e a rf a i l u r ep r o c e s s a tp f e s e n t ，r 通g h e a ra p p 踟t l l sp l a ya n i d l p o r t 锄tr 0 1 ei nr e s e c ho n 舳s o a 印迦唧e c t t h i sp a p 盱i sb 够e do n1 0 0 i d n gu p 缸dc o l l e c t i i 培d a 【：七u mb r o a m y 趾d1 珞e1 1 0 m e 觚d a b r o a df e s e a 蚤c h 嚣如rr e 缸i 钮c e r e s e 嬲h e sw e r ec o n d 呶e d0 n 哪锄a t i v eq l a n g c ：h ：u nq 2 s i l 妙c l a yb y 印1 p l o 妯呜血gs h e a ra p p a r 曲l si nj n i nu n i v e r s i 够t e s t sr e a c h e daf 押 m n i n g 触c o n c l l l s i o 璐，弛di tw mp r 耐d ec e r t a i l lr e f 打既t 0m r 血e rr 豁e 疵h 骼t h em a i n w o r k i s 南u o w i l 玛硒： ( 1 ) l o o l ，血gb 龇kt 0 也eh i s t 0 巧锄dd e v e l o p m e n to fr 镐e 盯d h e s0 na s p e c t so f s o n e n i i l 吕吲d u a ls t r e n g m 趾di m p a c to fc y c l i cl o a do v e rd a y s h e a rs 仃e n g t l l b e a i m e da ta c ：t u a lp r o j e c t s ，r e s e a r c hs i g n i j e i c a n c eo ft h i sp a p e rw e r es e tf - 0 r m ( 2 ) d e t a i l e dr 鹃e 缸c b 船w e r ec a 盯i e do u to nh i s t o r y ，如n 咖e m a lc o m p o s i 廿o na n d m a i l l 知q 嘶o n so f 血gs h e a ra 即a r a ：t l l s ，a n dd “1 c de x p o u n d i n g0 nm 越晒a 1a n d s a m p l ep r e p a r a 石0 nw 觞a l s oc a m e do u t ( 3 ) l o o ku pe x p 妇e n tm 幽d a b o u tm 翩舳gd a yr e s i d m l l 蜘g mb r o a d l y ，缸d c 痂e do u t 锄菌y s i sa n dc o m p 撕s o n0 nv 撕o l l se x p 舐m 锄tm e t h o d s m 髭姗砬e t h el 删0 rf a m o r s 耐- f c n i i l gc l a yr 豁i d l l a l 蜘g c l lw e r e 跚m m e du p ( 4 ) t e s t sr e a c hr e 跚_ 1 t so fp e a ks 仃g 啦r e s i d u a ls 仃e i i g t l la n ds o f t e n i i l gc h 缸t e 娼o f 0 v e r c 0 璐o l i 删o nc l a y s 训钮c c db yo v 昏c 0 璐0 1 i 捌o nr 撕o ，n o 血a 1g 吮s s 趾d s h 鲫妇g 印e e d m e a n w 瑚e ，也ev a i i a t i o no fr i d u a ls 廿蜘g 吐1b e f o r e 蛆dn 盱 a p p l y 通gc y c h cl o a dw 勰r e a c h e d t h i sp a p e ra l s og o tm er 船m t so fs o i lg 咄 s o r e n i n ga n dr e s i d l i a ls 仃e n g mu n d e rc y c l i cl o a di n n 珊：n c e db y 丘锚阻e d 掣锄d 啊h 缅gd i r e 出o n k e yw o r d s ：慰n gs h e 越协t ；r 镐i d 岫ls 岫g m ：s h e 缸s p e e d ；c y c l i cl 0 a d ： n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：叠：! 埴 日期：丝：笸： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文 作者签名：疆! 蕉 导师签名：二雩赴 鲤年丘月厶日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1引言 随着我国经济的高速发展以及相伴的大规模基础设施的规划与建设，各种复杂工程 问题在实际工作中不断出现，这对土力学基本理论的研究提出了新的要求和挑战。同时 借助于现代土工试验技术的不断进步和计算技术的迅猛发展，土力学的研究也在不断深 化。然而由于我国幅员辽阔，地质条件复杂，各种土的物理性质和工程性质差别巨大， 因此对土的研究尚需不断完善。 由于复杂的地形地貌条件、变化多样的气候以及活跃的动力地质作用，导致我国地 质灾害频繁发生。特别是近年来伴随着象三峡水利枢纽工程等特大型工程建设和资源开 发而诱发的边坡失稳现象以及在某些具有独特地质条件地区发生的灾难性地质灾害，造 成了巨大的人员和物质损失。在对这些工程地质现象的研究中，遇到了许多与岩土体下 伏软弱滑动面( 带) 处土有关的工程问题并引起了广泛的关注和重视。由于这些土具有 独特的工程性质和地质历史条件以及复杂的应力状态，因此正确地分析其在复杂环境下 的变形与强度特性，建立有效的本构模型进而改进边坡稳定性分析方法等，对保证工程 建设的顺利进行和有效地防治地质灾害的发生具有深刻的实际意义。 滑坡现象的发生是一个复杂的地质力学过程，国内外学者从不同角度对其机理提出 了自己的观点。s 丛s a 和王家鼎提出了滑坡发生的液化机制【1 a n d e 岱o n 等基于土的应 力路径试验提出了滑坡形成机制包括排水条件下的剪胀启动和其后的不排水加载软化、 应力转移造成的流动两个阶段【3 】；戴福初等根据低围压条件下土的应力应变特性提出了 浅层滑坡泥石流形成的剪胀压缩软化机理【4 】；b r a n d 等认为暴雨入渗条件下斜坡土体破 坏的应力路径应为土体所受偏应力g 不变，平均有效应力p 逐渐减小的排水剪切过程【5 】， 等等。由此可见不同地质条件和不同应力路径条件下滑坡发生机理是不同的。一般认为 滑坡是在重力或其他力的作用下形成，当重力的下滑分力超过了岩土体中已有或隐伏的 软弱面或带的强度，岩土体的稳定极限平衡遭到破坏时才可能发生。可见滑坡的演化以 及最终破坏，与剪切破坏滑动面处土的变形过程和抗剪强度有着密切的关系。对于大多 数滑坡现象而言，由于沿滑动面上的各点应力并非均匀分布，抗剪强度也并不是同时发 挥作用，因此滑坡表现为随时间缓慢变形和突发性崩坏的过程。s k e m p t o n 在研究边坡 的稳定性问题时首先提出了边坡渐进式破坏概念【6 】。由于这种渐进破坏理论揭示了土体 变形和失稳的关系，因此成为当今岩土工程界研究的焦点之一。而要精确分析边坡的渐 进破坏过程并建立可靠的稳定性分析方法，不仅要考虑和把握滑带土的应力应变特性 利用环剪仪对超固结黏土抗剪强度特性的研究 ( 如：应变软化性状和残余强度特性等) ，而且还要发展新的数值模型。然而，由于不 同地区不同类型的土结构性有一定差异，物理力学、地球化学等性质千差万别，所表现 出来的力学特征也有很大差别，因此有必要对典型性土及其主要控制因素等展开针对性 研究，揭示出这些土的共有力学特性，进而提出滑坡的发生机制并建立破坏模型以及稳 定性计算方法。 滑带土是滑坡地质历史发展过程的产剜7 1 ，一般是黏土成分占优势的黏性土。作为 一种具有独特性状的土，黏性土在自然界中表现出复杂的工程特性。其中在一定条件下， 其具有应变软化的特性。而这种软化效应对于滑坡的发生、发展以及失稳破坏都发挥着 重要的作用。 国内外学者都试图通过试验和力学理论来解释土应变软化机理并建立能够描述应 变软化过程的弹塑性本构模型。实际上应变软化过程是一种不稳定过程，常伴随着应变 局部化( 剪切带) 的出现，其在软化过程中产生不同强度特性的主要原因与其内部微观 结构的发展变化具有直接关系。土的这种软化性状不能简单地视作土性，可视为土的局 部化变形的结构反映【引，因此反映土的应变软化的数学模型一般形式比较复杂。尽管在 对一般土的弹塑性模型进行修正的基础上，建立了一些反映土应变软化模型，然而这些 软化本构模型是根据试验测得的峰值后软化应力应变曲线进行数值拟合而成，从现有的 室内试验结果来看，这种软化型应力应变关系并不是土体本身的一种本构反应【9 1 。正是 由于剪切带内部的真实应力应变难以确定，所以传统的应变软化本构模型无法真正意义 上用来分析坡体的渐进破坏和失稳问题。近年来，针对与土的软化现象有密切关系的应 变局部化问题和数值模型研究成为岩土工程界的热点。国内外岩土工作者利用常规三轴 试验、平面应变试验和真三轴试验等，借助宏观、微观量测手段，量测局部孔压、应变 及含水量，确定局部化变形的产生、发展和演变过程，分析剪切带形成条件；区分柔性 边界和刚性边界，采用不同试样尺寸、不同应力历史、不同实验条件进行试验，研究各 种因素对剪切带形成的影响以及剪切带形成对边坡稳定性和应力应变关系性状评价等。 此外，鉴于这些试验仪器在试验能力和方法上的局限性，并不能很好地反映土在实际大 剪切位移下诸如颗粒定向排列、粒子破碎以及变形局部化发展等情况，因此亦有学者利 用环剪仪对土峰后强度衰减规律和剪切带生成等开展了研究。由于土软化力学性质的复 杂性，目前对其试验研究尚存在诸多难点，利用环剪仪在这方面的研究尚在不断探索当 中，还需要大量试验工作。在理论上，基于分叉理论，从土体的本构模型出发，建立土 局部化分叉特征方程式，确定剪切带形成时的特征应力、特征应变条件，确定剪切带的 倾角；反之，根据分叉理论的计算结果验证本构模型的合理性：数值模拟方面，基于数 值计算手段，模拟变形局部化形成后软化变形过程直至最终破坏【10 1 。目前有关应变局部 化的研究还都限于各自特定的适用条件，尚有许多问题没有得到彻底解决。但是随着有 关应变局部化的试验研究、理论建模和数值模拟等的不断深入，一些学者认为有必要将 软化机制研究与应变局部化演化过程研究相结合来分析地质材料软化机制的实质。此 外，由于天然地质材料的复杂性，要想找到个能够全面、正确表达所有条件下土的本 构特性的数学模型是不现实的。因此应根据不同的土性和工程需要，采用不同的本构模 型才是正确和实用的途径。 此外，土强度参数的取值对于边坡稳定性评价和治理工程设计都有至关重要的作 用。土的强度参数与边坡所处的发育发展状况、稳定程度、土的结构和组成、地下水作 用等密切相关。由于滑带土物质组成、结构形态、滑动成因、赋存环境等的多样性，其 强度参数受外界影响因素复杂【1 1 1 。其中黏性土的应变软化特性表现为应力应变关系曲线 中土的抗剪强度随着剪切位移的增加而历经峰值抗剪强度、完全软化抗剪强度、残余抗 剪强度等强度衰减的过程。对这一强度变化过程的研究对于分析土样在剪切过程中发生 的局部破坏以及沿剪切面的渐进破坏过程，建立考虑渐进破坏过程的边坡稳定性分析方 法等都具有重要意义。而鉴于滑坡活动具有位移量大和多次启动等特点，作为应变软化 过程最终阶段的残余强度在研究天然边坡的长期稳定性问题中同样具有重要的作用。而 要研究土的峰后抗剪强度变化特性需进行大剪切位移下的剪切试验，只有利用扭转剪切 方法才能满意地测定峰值强度后的应力应变关系和强度。其中环剪仪即是能够满足这种 试验条件最有效的手段之一。目前国外科研机构正在积极对开发环剪试验设备和相应的 试验方法进行研究。 1 2 国内外在应变软化、残余强度和循环荷载方面的研究概况 1 2 1 关于应变软化 在对土的应力应变关系的研究中，大量的试验结果证实某些土( 密砂和超固结土) 表现出应变软化特性，即在应力应变关系曲线中表现为土的抗剪强度随着剪切位移的 增加而历经峰值抗剪强度、完全软化抗剪强度、残余抗剪强度等强度衰减过程。 土的应变软化过程是个不稳定过程，常伴随着应变局部化的出现，其在软化过程 中产生不同强度特性的主要原因与其内部微观结构的发展变化具有直接关系。自2 0 世 纪七十年代以来，各国学者利用直剪仪、平面应变仪和三轴试验仪等试验设备针对土的 峰后强度变化规律、应变局部化产生条件和机制以及土体应变局部化形成后的应力应变 性状等进行了大量试验研究。但是，鉴于这些试验仪器在试验能力和方法上的局限性， 并不能很好地反映土在实际大剪切位移下诸如颗粒定向排列、粒子破碎以及变形局部化 发展等情况，因此有学者利用环剪仪对土峰后强度衰减规律和剪切带生成等开展了研 究。其中s k e 唧由0 n 【1 2 】的试验研究表明在抗剪强度由峰值强度下降至完全软化强度的过 利用环剪仪对超固结黏土抗剪强度特性的研究 程中，土体中尚未形成大的连通的连续剪切面，但出现了一些由复杂的不连续小剪切裂 隙组成的软化剪切带；而且粒子定向排列已在这些小剪切中存在并反映在完全软化强度 形成过程中。随着剪切位移的增长，土体中主要的大剪切裂隙相互连通进而形成连续剪 切面，并最终形成沿整个光滑滑动面上的残余强度。吼d 1 3 】在对滑坡滑带土进行环剪 试验中，通过在土样中垂直插入导电体，利用试验过程中所测量的导电体电压的变化对 土样在剪切过程中发生的局部破坏以及沿剪切面的渐进破坏过程进行了研究。其证实土 应变软化过程是沿滑动面附近应力集中和渐进破坏的结果，并根据剪切过程中剪切面处 土体破坏情况( 剪切面由不连续到形成连续破坏面) 定义了一个介于完全软化抗剪强度 和残余抗剪强度之间的抗剪强度参数，土样分离抗剪强度( s p e c i m e n - s 印a r a t e ds 慨g m ) 。 这种根据土样实际破坏形式定义的强度指标被应用于考虑渐进破坏过程的边坡稳定性 分析当中。此外，a g i l n gmw 【1 4 】通过一系列力矩控制环剪试验对饱和条件下砂质土在不 同剪切位移阶段的剪切带发展过程进行了研究。其通过对试样剪切面在整个剪切过程中 由起伏不对称到形成定向连通的形态发展过程以及剪切带形状和厚度的变化等进行观 察，证实砂质土剪切带厚度随持续性的剪切而增加；同时在不同剪切阶段剪切带内发生 不同程度的颗粒破碎现象，并由此导致孔隙水压力上升，进而使抗剪强度减小。 由于土软化力学性质的复杂性，目前对其研究尚存在诸多难点，利用环剪仪在这方 面的研究尚在不断探索当中，还需要大量试验工作。 1 2 2 关于残余强度 作为土应变软化过程最终阶段的残余强度在边坡长期稳定性评价和分析滑带土工 程性质等研究中具有重要作用，因此到目前为止，利用环剪仪对土的力学性质的研究也 主要集中在对残余强度的研究方面。研究表明，土的残余强度受多种因素影响和控制， 并具有与环境变化相对应的动态特性。通过在不同类型环剪仪上对各种人工合成土、重 塑土及原状土的环剪试验，国外学者就土的初始结构、应力历史、应力水平、剪切速度、 黏粒含量、矿物成分、孔隙水化学成分以及剪切面土颗粒排列状况等因素对残余强度的 影响进行了详细研究。并建立了残余强度与土各种物理参数间的经验关系，进而对控制 残余剪切的机理以及准确测定残余强度的方法等进行了分析。 g i b oe ta 1 ，s t a r ke ta 1 ，d im a i o 等人的环剪试验结果证明排水残余强度与黏土颗粒 定向排列、矿物成分、土中液体成分、黏土的种类和黏土颗粒的含量有直接关系【l 纠7 】， 而与土初始结构和应力历史无关【1 8 2 1 】。特别是对富含片状黏土矿物和大量黏土成分的 土，残余剪切特性表现的更加明显。当黏土成分小于2 0 时，黏土矿物对残余强度影响 很小，而当黏粒含量大于5 0 时，残余强度将完全由黏土矿物间的滑动摩擦控制。并且 黏土矿物的定向性能显著降低残余强度值，这种定向作用在低有效正应力时表现的更为 明显。s k e m p t i 咂，v o i 翟灿，c 0 n o t t a ，李妥德等人【6 丑2 4 】通过对大量从不同地区采集的土 和人工合成土的试验分析，建立了残余摩擦角与黏土含量、级配、液限及塑性指数之间 的经验关系，并提供给实际边坡灾害治理工作。 k n e 严习在对黏土的化学成分对残余强度影响的研究中发现，充满饱和钠离子的高 岭石矿物比充满饱和钙离子的高岭石矿物具有更低的残余强度；含蒙脱石矿物的黏土比 含高岭石矿物的黏土具有更低的残余强度，纯蒙脱石黏土与纯高岭石黏土的残余摩擦角 相差达5 3 度。m 0 0 【2 6 】通过对纯黏土和天然黏土的环剪试验以及对黏土矿物和孔隙水 化学成分分析表明，风化黏土与未风化黏土之间以及钙饱和黏土与钠饱和黏土之间在残 余强度上存在差异，单价钠离子能极大降低黏土的残余强度。试验结果显示由于阳离子 交换作用和粒间结合力的增加，土的残余强度和塑性指数随孔隙水中盐分浓度的升高而 增加，孔隙水盐分浓度可导致纯黏土的残余强度发生2 1 的差异。对于风化天然黏土和 未风化天然黏土而言，由孔隙水盐分浓度产生的残余强度差异分别达1 2 1 4 和 5 - 1 0 。 剪切速率对残余强度的影响比较复杂。一般认为，剪切速率对粒状土在大剪切位移 条件下强度的影响很小。s k 即1 舯0 n 的研究表明，在慢剪条件下( 0 0 1 m m m i n ) ，剪切 速度的变化对黏性土残余强度的影响很小，强度变化幅度在正负5 以内；当剪切速度 大于1 0 0 加m m i n 时，速度对残余强度的影响变得非常明显【2 7 1 。t i k ae ta 1 【2 8 】通过对一系 ： 列不同性质天然土样进行环剪试验发现，在排水慢剪条件下形成的预设剪切面上进行快 速剪切时，土样强度表现出先升高后明显降低的形态。在快剪初始极小位移条件下，剪 切面上首先产生一个初始强度阀值，此阀值大于慢剪残余强度并随剪切速率的增加而增 加；此后，随着快剪位移的增加，强度值增加至一个峰值，该峰值强度亦是剪切位移速 率的函数；土在到达峰值后，强度随剪切位移的进一步增加而逐渐下降至一最小值，即 形成快剪残余强度。根据快剪残余强度与慢剪残余强度的比较，快速剪切的速度影响效 应包括三种类型：正速度效应( 快剪残余强度大于慢剪残余强度时) ；中速度效应( 快 剪残余强度等于慢剪残余强度) ；负速度效应( 快剪残余强度小于慢剪残余强度) 。这 种土在快剪条件下残余强度所发生的变化被认为与剪切过程中剪切面处土的剪胀及结 构破坏有关。 l u 口i n ie ca 1 【2 1 】通过对不同级配的人工合成土和天然土的残余剪切机制的分析，发现 黏性土的残余剪切行为和剪切机制随着土中黏土含量的增加而发生变化。其通过对土剪 切后结构和强度衰减变化情况的研究，并根据土中不同形状土颗粒含量的差异和粒间摩 擦系数建立了三种残余剪切类型，即扰动型( n 曲1 1 1 e n tm o d e ) ，过渡型( t r 锄s j t i o 加1 m o d e ) ，滑动型( s n d i 】唱m o d e ) 。其中的扰动型剪切具有高残余强度，没有土颗粒的 定向排列，峰后强度衰减主要是由于颗粒间接触关系及相对位置充分调整的结果。这种 利用环剪仪对超固结黏土抗剪强度特性的研究 剪切主要发生在圆状土颗粒含量高或具有高粒间摩擦力而不易使扁平颗粒发生定向排 列的土中。残余摩擦角主要依赖土中圆状颗粒的形状和密实度而不是粒间摩擦系数。此 类型土中形成的剪切带具有不同的孔隙比，并且受以后的应力历史的影响而发生显著改 变。滑动型残余剪切发生在由具有低粒间摩擦力的扁平矿物颗粒组成的土中。残余摩擦 角主要依靠矿物成分、孔隙水化学成分以及粒间摩擦系数。残余剪切发生后在土中产生 一个由颗粒定向排列所形成的低抗剪强度剪切面。剪切面一般不受此后的应力历史的影 响，而峰后应交软化是颗粒定向排列的结果。过渡型剪切介于上述两类残余剪切类型之 间，发生于没有以某种形状土颗粒占优势的土中。在剪切带的不同部位分别表现出扰动 型和滑动型残余剪切的性质。在此种剪切形式中，残余摩擦角的变化对土级配的变化非 常敏感。 此外，通过分析黏性土残余强度的变化特征，t i k ae ta 1 建立了残余剪切速度效应与 上述三种残余剪切类型之间的关系。研究表明具有扰动型剪切的土在快剪试验中易表现 出中或负速度效应，过渡型剪切土表现出负速度效应，而滑动型剪切土则即可能表现为 负速度效应或为正速度效应【2 8 1 。这种由土残余强度与剪切速度和位移间所建立的特征关 系被应用到实际对边坡稳定性评价和土的运动学特征研究当中。 1 2 3 关于循环荷载下黏土性状的研究 周期荷载作用下黏土性状的研究在国外已取得较多的成果。蝴e 娼钮等人【2 9 】应北海 重力式石油平台建设的需要曾对d i 铀m 饥黏土进行了系统而广泛的研究。m a t s u i 【3 0 】等 人的研究则较多地关注孔隙水压力的发展变化，分析了残余孔压与剪应变之间的相互关 系以及循环荷载作用历史对剪切特性的影响。b a l i 3 1 】等人曾给出一个较为完善的循环 荷载作用下的固结理论。 m 搬旺【3 0 】对塑性指数，。= 5 5 的s e 耐黏土进行了应力控制式的三轴双幅循环剪切试 验，所采用的频率为o 0 2 0 5 h z 。试验结果表明，孔隙水压力和轴向应变均随循环次 数的增加而增加，对于给定的循环次数而言，低频荷载产生较高的孔隙水压力和轴向应 变。b r e w c r ( 1 9 7 2 ) 对j 。= 3 5 的黏土在频率为0 0 1 4 h z 下所作的试验也得出类似的结论。 y 鲫血髓掣3 2 】对“a k e 黏土( ，。= 5 8 ) 进行应力控制式三轴试验的结果也认为加荷频率 ( 0 1 1 h z ) 对孔压有一定影响，但结论是频率愈高，孔压愈大，与上述结果有区别。然 而，s h 耐f 的试验则表明，当频率在l 2 h z 间变化时，对给定的应力水平，频率对周 期应变和孔压几乎没有什么影响。b r 0 、m 等【3 3 】的研究成果也有类似的结论。 ， 对于不同的循环应力比，土体的轴向周期应变和孔隙水压力随加荷周期不断变化。 当循环应力比较小时，随着加荷周数的增加，土体的应变、孔压逐渐增加，但增加的速 率并不快，应变、孔压在较大的加荷周数下才达到破坏值。而当循环应力逐渐增大至某 一值时，孔压和应变随加荷周数的增加迅速增加，并且试样在加荷周数较少时很快破坏， 此时对应的循环应力比即为临界循环应力比。对应于较高的循环应力比( 大于临界循环 应力比) ，土体将在较短的时间内产生较大的孔压，同时引起较大的轴向周期应变软化， 使得土体很快破坏，其应变软化机理和破坏机理与循环应力比低于临界值的情况不同 【3 4 1 o 黏性土的超固结状态对其变形和孔压发展有较大影响。m a l s f l l i 等人【3 0 】给出的试验结 果表明，超固结比o c r 较大时，在循环荷载作用的初期将出现负孔压，且负孔压随o c r 的增大而增大，当循环次数较大时才产生正孔压，且o c r 愈大，正孔压愈小。a z z o l 】z 等【3 5 】的试验结果如此，而m a t a s 硎c 等【3 6 】由应变控制式循环单剪试验也得出类似的结论。 1 3 本文的主要研究工作 本文是在广泛查阅和收集资料的基础上，借鉴国内外的研究成果，利用吉林大学的 大型高速环剪仪对典型的长春第四纪粉质黏土进行了峰后软化、残余强度、循环荷载对 黏土抗剪强度的影响等方面的试验研究，论文的主要内容如下： ( 1 )回顾了国内外在峰后软化、残余强度、循环荷载对黏土抗剪强度的影响等方 面的研究成果，针对实际的工程现状，阐述了本文的现实研究意义。 ( 2 )详细研究了环剪仪的发展历史，分析了环剪仪的基本组成、设计原理和能够 实现的主要功能，提出本次环剪试验的基本思路和试验内容，并对试验用料、试样制备 等方面的内容进行了详细的阐述。 ( 3 )广泛查阅有关测定黏土残余强度的试验方法，并对各种试验方法进行了分析 比较，同时研究了影响黏土残余强度的主要因素。 ( 4 )本文利用大型高速环剪仪，对不同超固结比、法向应力和剪切速率下的超固 结饱和黏土的峰值强度、残余强度和软化特性进行了详细的试验研究，同时对施加循环 荷载前后残余强度的变化情况进行了初步探讨。另外，本次试验还对循环荷载下影响土 体应变软化和残余强度的部分因素做了初步的试验研究，包括频率、振动方向两个主要 影响因素。结合试验数据，对试验结果进行了分析，得出了一些结论，为今后的研究工 作提供了一定的参考。 利用环剪仪对超固结黏土抗剪强度特性的研究 2 试验设备与试验方法 2 1 环剪仪简介 2 1 1概述 大型高速环剪仪是日本京都大学佐佐教授主持研制，由中日国际科技合作项目日本 皿c a 资助引进。主要用于岩土力学参数测定，研究地质灾害滑坡、泥石流等形成和运 动机制及其防治。目前，在这个研究领域内，该试验装置在世界是领先的，在我国也是 唯一的。 作为一种主要用于研究土在大剪切位移条件下力学特性的土工试验设备，环剪仪 ( 陆gs h c 盯a 1 ) p a r 帅) 具有其独特的设计构造和试验功能。各国学者根据各自的研究 目的和内容，相继开发出了各具不同功能的环剪试验设备，并应用到实际研究工作当中。 随着现代环剪试验设备的不断改进完善以及试验方法的日益成熟，利用环剪试验进行研 究的科研领域正在不断扩展。环剪仪已经由其设计初期的主要研究土体在剪切面生成后 的残余强度性质，逐渐扩展渗透到涉及与土体剪切破坏过程相关的研究当中。 研究土在大剪切位移条件下的力学特性，对于边坡稳定性分析、地质灾害发生的力 学机理研究及其边坡渐进式破坏过程研究等具有重要的学术意义。然而由于常规直剪仪 与三轴仪等受其应变范围所限无法满足这种试验条件，因此有必要发展能够实现大剪切 位移试验条件的特殊土工设备和相应试验技术。其中环剪仪即是能够满足这种试验条件 最有效的手段之一。 自2 0 世纪2 0 年代至今，国外学者和研究机构一直致力于开发结构简单、操作和制 样便捷的环剪试验设备并相继研制出了各种类型的环剪仪。按其结构特征可分为两种类 型：单环式环剪仪和双环式环剪仪。与其它土工试验方法相比，这些环剪仪具有两个共同 的优点，即在试验过程中可以保持剪切面面积不变和试样可在连续的位移条件下进行剪 切【3 7 1 。世界上早期原始的环剪仪主要为单环式。试验过程中将土样装入圆筒形试样盒中， 通过上部加压板对试样施加垂向压力和扭转剪力。此类型环剪仪的主要优点是在剪切试 验过程中，不会发生土样渗漏问题。但该类试验装置的缺陷是剪切破坏通常不是发生在 土样内部而是出现于接近旋转加压板处，并且不能保证沿圆柱形试样径向应力与应变的 均匀分布，因此所测量的数值被认为并未反映土样中产生的真实力学指标。虽然经过不 断改进，但是由于单环式环剪仪固有的缺点，其仍无法保证对某些土( 主要是砂土) 剪 切强度精确测量的要求p 引。 g m n 呱1 9 3 4 年) ，t i e d e m a n i l ( 1 9 3 7 年) 和h v o r s l e 、，( 1 9 3 9 年) 等人通过将整体式单环剪 切盒设计成为上下分离的环形剪切盒，开发出了早期真正意义上的环剪试验设备。其设 计的环剪仪使土样沿上下各自独立的环状剪切盒中部的预设面进行剪切，以期达到减少 试验过程中沿剪切面处应力与应变分布的不均匀性、减少土样与剪切环间阻力以及消除 剪切环边缘应力集中的目的。但是，尽管这些早期环剪设备能够用于量测土的强度指标， 但其在试验过程中仍然存在很高的局部应变集中和主应力方向不确定等缺点【3 7 】。另外， 在环剪仪制造过程中最大的困难是不能很好地保持上下约束土样的金属剪切环的间距， 从而无法有效减少剪切环间金属摩擦和防止土样在试验过程中的渗漏等问题。 在 i v o r s l e v 等人环剪仪设计理念的基础上，b i s h o pe ta 1 ( 1 9 7 1 年) ，h u n 冒就a 1 ( 1 9 8 4 年) ，1 伙a ( 1 9 8 9 年) ，s 嬲s a ( 1 9 8 4 年，1 9 9 2 年，1 9 9 7 年) 等学者相继对环剪仪进行了进 一步改进。其中最为著名和被广泛应用的一类环剪仪是由英国皇家科学技术学院与挪威 土木研究所在2 0 世纪7 0 年代初联合开发的b i s h o p 型环剪仪。此型试验仪与其他早期 类型环剪仪相比的主要优点是能够很好地控制剪切环间缝，并能够测量土样与剪切环侧 壁间的摩擦力。正是由于其可以精确确定试验过程中所有作用于土样上的应力，因此这 一特征对于环剪试验而言具有非常重要的意义。同期，我国铁道部科学研究院西北研究 院的科研人员在吸取国内外经验的基础上设计制造了具有相近构造和功能的环剪仪，并 得到推广使用【3 9 1 。 进入2 0 世纪8 0 年代以来，随着土工试验设备加工技术的进步，环剪仪的制造趋于 大型化和高度自动化。能够由计算机程序自动控制试验过程，并能自动采集和处理试验 数据的环剪仪不断被国外科研机构和厂家开发出来( 见表2 1 ) 。由于在仪器的开发过 程中大量采用了高精度传感器和自动机械传动控制装置，因此现代环剪仪能够进行模拟 更加复杂应力条件下的土工试验，并能够保证试验结果的准确性。尽管现代环剪仪的工 作原理与b i s h o p 等开发的环剪仪基本相同，但研究目的和设计理念已有所不同。以前 传统的环剪仪主要是用于研究土的抗剪强度随位移增长的变化规律，重点是研究残余强 度特性。而随着现代环剪仪在动力系统和加压设备等方面的改进，使得环剪仪的试验能 力得到极大提高，试验范围和领域也不断扩大。目前，由日本京都大学防灾研究所研制 的大型高速高压动荷载环剪仪具有最大3 0 0 0 好a 的竖向加荷能力，最大剪切速度可达 3 0 0 c 州s e c 。可以进行应力控制、位移控制、剪切速度控制等各种条件下的环剪试验。现 代高精密环剪仪通过快速加荷系统和高速数据记录设备能够模拟地震、地下水波动等情 况下试验过程中发生的应力变化、孔隙水压力变化以及可能的液化现象等，进而可以考 察边坡在失稳破坏前后的活动特点。随着技术手段的进步，环剪仪能够通过伺服控制系 统和剪切环间缝传感器保证各种试验条件下剪切过程中不排水状态的实现，并能够保证 排水和不排水试验条件的实施和转换，因此试验条件和成果能够更加真实地反映实际状 况。同时计算机控制和高感度记录设备的应用也使得试验数据的分析处理更加方便快 利用环剪仪对超固结黏土抗剪强度特性的研究 捷。但是，随着现代环剪试验系统日益复杂化和精密化，环剪仪的制造成本和使用成本 逐渐增加，仪器的日常维护和保养费用变得日益昂贵。 表2 1 世界上代表性环剪仪主要参数指标 t a b l e 2 1t y p i c a l 血gs h e 缸a p p a r a t 雌 2 。1 2 环剪仪的基本组成 高速环剪试验机主要由三部分组成，即主机、主控制台、记录及控制存储部分。图 2 2 所示为试验机主机的结构图。图中a 为升降机马达，它起到升降加压板作用；b 为 气压活塞，起到加卸垂直荷载的作用；c 为提升臂，它受a 控制可以升降加压板；d 为 活塞轴固定器，起到固定活塞，以免无压力时活塞自动落下：e 为垂直荷载传感器，可 以直接测定由活塞加到加压板上荷载的大小；f 为垂直变形传感器，可以直接测定加压 板的垂直位移，用以计算试样的垂直变形；g 为中轴，起到固定上环的作用；h 为孔隙 水压力传感器，测定剪切面处的孔隙水压力；i 为剪切阻力( 剪应力) 传感器，测定剪 切过程中剪切面处的摩擦阻力：j 为加压板，起到给试样施加垂直压力的作用；k 为剪 切位移传感器，测定剪切面中心线剪切的位移量；l 为试样：m 为橡胶圈，起到减小上 下环间摩擦阻力的作用：n 为透水网，起到传输孔隙水压力的作用：0 为转动部分：p 为基座；r 为垂直荷载传感器，可测定加压时加压板与内外剪切环之间的摩擦力；s 为 间隙控制司服电机，起到自动控制间隙的作用；t 为剪切力矩传感器，测定施加在试样 上剪切力矩；u 为固定反向载荷；v 为剪切司服电机；w 为间隙高精度位移传感器，测 定上下环间的距离；x 为变速箱，分高、中、低三个档位：y 为减速器齿轮箱：z 为孔 隙水排水阀。 大连理工大学硕士学位论文 该试验机与以前的环剪试验机相比，属于大型高速环剪试验机。其试验槽内环直径 为2 1 吼，外环直径为3 1 c m ，最大高度为11 c m ，有效高度9 c m ( 加压板厚度为2 c m ) ，一 般需要5 7 蝇的干燥试样。其剪切面积为4 0 8 8 锄2 。因此，该试验机环剪面积大，克服了 小环剪试验机中的试样尺寸的影响。 该试验机由司服电机控制环剪速度，其速度可由o 0 0 1 c 州s 连续或间断增加到1 吲s 。 上下环间间隙的大小也同样由司服电机控制，同时为避免试样由间隙漏出，在下环粘贴 着橡胶圈，并起到减小上下环间的摩擦阻力的作用，粘贴的橡胶圈的宽度为5 m m 。该试 验机的垂直压力由高压空气压缩机提供，最大压力为2 0 0 0 k p a ，作用在试样上的最大压 应力为5 0 0 k p a 。该试验机整个试验过程可由计算机控制，也可以在主控制台上人工控制。 ( a ) 法向应力 ( b ) 图2 1 环剪仪( d p 砌3 型) f i g 2 1r i l l gs h e a r 印p a r a t u s ( d p r j 一3 ) ( c ) 利用环剪仪对超固结黏土抗剪强度特性的研究 图2 1 ( b ) 是环剪仪的剪切盒部分。图2 1 ( c ) 是试样在环剪仪中的剪切模型。上下两 个透明剪切盒限制了试样的侧向位移。法向应力由上部的加压系统通过加压板施加在试 样上。伺服电动机通过传动系统控制剪切盒的下半部分沿水平方向转动；剪切盒的上半 部分由一对扭力臂固定并测量剪应力的大小。当试样发生剪切破坏后，下部剪切盒沿轴 向转动，试样随之沿滑动面产生相对运动。 图2 2 环剪仪主机的结构图 f i 9 2 2 m m a i n 删蛐s t r 删脚o f 血g s h e 缸a p p 枷 - 1 2 大连理工大学硕士学位论文 2 2 试验方法 2 ，2 1 试验用料 本试验采用重塑土试样，试样为典型的长春第四纪粉质黏土( q 2 ) 。这种土在长春 地区广泛分布，具有很明显的代表性。选用这种土对研究长春地区的地质和土力学性质 等都有重要的现实意义。其颗粒级配曲线如图2 3 所示，由图可以看出该土颗粒级配均 匀，定名为粉质黏土。土的各项基本物理性质指标见表2 2 。 表2 2 土的基本物理性质指标 t a b 2 2b 雏i cp h y s i c a lp i 哪棚啊i n d e x 鹳o fc l a y 1 0 0 8 0 芝 嘲6 0 知 鑫4 0 2 0 0 - z 广。 ， - j- 广 -_- j - ，一 一一 一一， ， o 0 0 10 0 1 o 1 粒径大小衄 图2 3 颗粒级配曲线 f i g 2 3p a r t i c l eg m d i n gc l 他 2 2 2 试样制备 试样制各的好坏是试验成功与否的关键，此外试样成型方式不同对试验结果会产生 明显的影响。为了减少或消除由于试样成型方式的不同对试验结果所造成的影响，试验 利用环剪仪对超固结黏土抗剪强度特性的研究 采用仪器自动倒灌饱和成样。这样就避免了人为原因造成的试样差异，也能使试验误差 减小。 取来的代表性土样经烘干，碾碎后过2 姗的筛。称取5 8 k g 的土料均匀装入内径 为2 1 0 m m ，外径为3 1 0 m m ，有效高度9 0 n 皿，剪切面积为4 0 8 10 4 皿n 2 的环形剪切盒 内，用仪器自带的设备将土样上表面刮平。然后采用去离子水真空倒灌饱和2 4 h ，饱和 度均达到9 5 以上。最后将试样固结2 4 h ，直到垂直位移不再变化为止。 2 2 3 试验内容 本试验将采用不同的超固结比( o c r ) ，法向应力( n s ) 和剪切速率( s s ) 对超 固结黏土的峰值强度和残余强度进行详细的研究。( 1 ) 初始固结应力( p c s ) 。首先将试 样分别固结到2 0 0 k p a 、3 0 0 k p a 、3 5 0 妞a ，固结时间2 4 h ，此时孔隙水压力和沉降量均不 变。( 2 ) 超固结比( o c r ) 。根据初始固结应力将荷载分别卸至5 0 好a 、1 0 0 心a 、2 0 0 心a 、 3 0 0 好a ，得到不同超固结比的试样。( 3 ) 剪切速率( s s ) 。对每组的三个试样分别采用 0 0 1 c 州s ，o 1 c 州s