黏性土的剪切.doc

第x期 作者，等. 中文文题xxxx黏性土的剪切破坏特征摘 要：对饱和黏性土试样进行三轴不固结不排水剪切、固结不排水剪切和固结排水剪切试验,获得了饱和黏性土三轴试验的抗剪强度指标,通过对强度指标的分析比较， 绘制应力与应变的关系曲线和强度包线，并计算土的内聚力和摩擦角。得出三轴慢剪指标，并作为设计、施工的参数。为黏性土路基的设计和施工提供依据，使施工的数据更加合理、科学，提高工程的安全性、可靠性、科学性。关键词：黏性土；三轴剪切试验；不固结不排水；固结不排水；固结排水；强度包线中图分类号：xxxxx.xx 文献标识码：X 文章编号：xxxxxxxx(xxxx)xxxxxxxxReliability analysis of high level backfill based on chaotic optimizationLIU Zhi-xiang, LI Xi-bing, ZHANG Yi-ping(Central South University, Changsha 410083, China)Abstract: To adhere to the saturation ： took three samples of the earths axis is not an end and drainage, sewerage and could not cut it to the cut the knot and got saturated soil stuck of three axes to cut the strength to strength the target indicators, by comparison, the analysis of stress to strain of the relationship between the curve and the intensity of the bag, and the earths cohesion and rubbing horns. the three axes to cut down, and as a design and construction of parameters. To adhere to the nature of the design and construction, construction provides for data more rational, scientific and engineering safety, reliability, scientific.Key words: Very nature of the earth ； three axis of an experiment ； not solidated ； is no sewerage and drainage ； not solidated drainage ；Line is wrapped0 引 言在实际工程施工中,出于施工安全的考虑,往往要对坝基的稳定性、地基的承载力、挡土墙的压力与稳定性以及边坡稳定等进行计算和评估,而这些安全评价都与土的抗剪强度有着密切的关系。三轴剪切试验能够模仿土体在实际土层中的受力状况,试验中可模拟与工程条件相近的三向受力状态,易于反映土体不连续性和各向异性,具有能控制主应力及排水条件,受力状态明确,剪切面不固定,破坏面是土体最薄弱面,并根据工程所需准确测定土的孔隙压力及体积变化等优点,同时还能提供所需有效强度指标,进行土体稳定的有效应力分析，所以通常我们用三轴剪切实验测定土的抗剪强度及应力-应变关系，根据剪切前的固结状态和剪切时的排水条件不同分为三种情况：不固结不排水剪(UU)；固结不排水剪(CU)；固结排水剪(CU)。确定强度指标需要通过室内外试验与测试,不同的试验方法测得土的强度指标有较大区别。而在工程应用中,选择的试验条件应当尽可能与实际工程条件相似。众所周知，黏性土的抗剪强度比无粘性土复杂得多，本文将重点讨论正常固结饱和粘性土在剪切时将具有的不同强度特性。1. 不固结不排水强度（UU）进行地基基础设计计算及进行边坡稳定计算和挡土墙压力计算时,建筑物如果修建在饱和粘性土地基上,施工周期短(填筑速度快) ,建筑物荷载较大,或地基土为粘性土,排水条件较差时,土体中的水来不及排出进行固结,此时作为稳定性分析所需的参数是土体天然强度参数粘聚力c 和内摩擦角,不固结不排水剪试验能够较为准确的模拟实际工程情况。不固结不排水剪试验,英文称 Unconsolidated Undrained Triaxial test ,简称UU 试验。在不排水条件下施加周围压力增量3，然后在不允许有水进出的条件下，逐渐施加附加轴向压力q，直至试样剪破。因此，试验中径向应力3等于（c+ 3 ），轴向应力1等于（3+q ），孔隙水压力等于。试验的结果如下图：正常固结饱和土UU试验的强度包线图中实线半圆A、B、C分别表示三个试件在不同的作用下破坏时的总应力圆，虚线是有效应力圆。试验的结果表明，虽然三个试件的周围压力不同，但破坏时的主应力差相等，在图上表现出三个总应力圆直径相同，因而破坏的包线是一条水平线，即： 式中：-不排水内摩擦角，度； -不排水抗剪强度，在试验中如果分别量测试样破坏时的孔隙水压力，试样结果可以用有效应力整理，结果表明，三个试件只能得到同一个有效应力圆，并且有效应力圆的直径与三个总应力圆直径相等，即：这是由于在排水的条件下，试样在试验的过程中含水量不变，体积不变，饱和黏性土的孔隙压力系数B=1，改变周围压力增量只能引起孔隙水压力的变化，并不会改变试样中的有效应力，各试件在剪切前的有效应力相等因此抗剪强度不变。如果在较高的剪前固结应力下进行不固结不排水试验，就会得出较大的不排水抗剪强度。由于一组试件试验的结果，有效应力圆是同一个，因而就不能得到有效应力破坏包线和、值，所以这种试验一般只用于测定饱和土的不排水强度。不固结不排水试验的“不固结”是在三轴压力室压力下不再固结而保持试样原来的有效应力不变，如果饱和黏性土从未固结过，将是一种泥浆状土，抗剪强度也必等于零。一般从天然土层中取出的试样，相当于在某一压力下已经固结，总具有一定天然强度。天然土层的有效固结压力是随着深度而变化的，所以不排水抗剪强度也随着深度变化，均质的正常固结不排水强度大致随有效固结压力成线性增大。饱和土的超固结黏土的不固结不排水强度包线也是一条水平线，即。2. 固结不排水强度（CU）建筑物如果修建的地基基土层属于软土,基土被碾压密实,但地基排水条件较差,如经常受水位影响的堤坝工程中,堤坝水位突然下降,在分析其稳定性验算时都应采用固结不排水剪试验的强度参数来进行分析计算。固结不排水剪试验,英文称Consolidated Undrained Triaxial test ,简称CU试验。在试验装样后先施加围压,再打开排水阀对试样进行前期的排水固结,但在剪切过程中须关闭排水阀。进行剪切时,首先检查轴向是否与量力环接触良好,因为在固结时由于固结围压的压缩作用,试样的体积会减小。然后施加轴向压力,直至剪切破坏后或达到控制应变时结束试验。在试样固结过程中,试样含水率逐渐减小,在试样受剪破坏过程中, 试样的含水率保持不变。对于CU试验，抗剪强度在一定程度上受应力历史的影响，因此，试验前需区别式样是正常固结还是超固结。确定好后，由于式样在、下固结稳定，所以试验时可直接加使其固结稳定。然后，在不允许水有进出的条件下逐渐加附加轴向压力即偏应力，直至式样剪切破坏。如果在试验中测定量测孔隙水应力，则结果可用有效应力整理。从破坏时的总应力中减去,可得到相应破坏时的有效大主应力和有效小主应力 及破坏应力圆，绘出这些破坏应力圆的包线，可得有效应力强度包线。由于正常固结土剪破时的孔隙水应力为正值，则剪破时的有效应力圆总在总应力圆的左边。有效应力强度包线也是通过坐标原点的直线，直线的倾角大于，于是用有效应力表示的CU试验抗剪强度为: 其中：剪破面上的有效应力； 有效内摩擦角。同时由于式样的剪切前固结压力随着的增加而增大，则式样剪前的有效应力增大而孔隙比相应减小，因此，强度和极限总应力圆也相应增大。作这些极限总应力圆的包线即得到正常固结土CU试验得总应力强度线，如下：正常固结土CU试验的强度包线和有效应力强度包线土中以实线表示的为总应力圆和总应力破坏包线，如果试验时量测孔隙水压力，试验结果可以用有效应力整理，图中虚线表示有效应力圆和有效应力破坏包线，为剪切破坏时的孔隙水压 力，由于，故 ，即有效应力圆与总应力圆直径相等，但位置不同，两者之间的距离为，因为正常的固结试样在剪切破坏时产生正的孔隙水压力，故有效应力圆在总应力圆的左方，总应力破坏包线和有效应力破坏包线都通过原点，说明未受任何固结压力的土（如泥浆状土）不会具有抗剪强度。总应力破坏线的倾角以，一般在之间，有效应力破坏包线的倾角称为有效内摩擦角，一般比大一倍左右。3. 固结排水强度（CD）建筑物如果修建的地基基土层属于软土,基土被碾压密实,施工工期较长,但地基透水性较好,排水条件到位,一般采用固结排水剪试验来测得土体抗剪强度参数来分析稳定性。固结排水剪试验,英文称Unconsolidated Undrained Triaxial test，简称CD 试验。在试验装样后先施加围压,再打开排水阀对试样进行前期的排水固结,在剪切过程中须打开排水阀。进行剪切时,首先检查轴向是否与量力环接触良好,因为在固结时由于固结围压的压缩作用,试样的体积会减小。然后施加轴向压力,直至剪切破坏后或达到控制应变时结束试验。在试样固结及剪切破坏过程中,试样含水率一直减小到某一数值时稳定。对于CD 试验直接施加使其固结稳定，然后再逐渐施加附加轴向压力，即偏压力，在试样剪破过程中，允许试样充分排水。由于在固结与剪切整个试验过程中均允许试样充分排水，剪切前和剪切过程中的孔隙水压力始终为零。有效应力就等于外加总应力，极限总应力圆就是极限有效应力圆，因而总应力强度包线即为有效应力强度包线。CD试验中的有效应力强度指标常用，正常固结土CD试验的强度包线表示。其强度包线是一条通过坐标原点的直线，其倾角为，。于是CD试验抗剪强度可表示为：式中：剪破面上的法向应力； 固结排水强度指标；内摩擦角。从图中可以看出，正常固结土的破坏包线通过原点，黏聚力=0，内摩擦角约在之间，试验证明，、与固结不排水试验得到的、很接近，由于固结排水试验所需的时间太长，故实用上以、代替、，但是两者的试验条件是有差别的，固结不排水试验在剪切过程中试样的体积保持不变，而固结排水试验在剪切过程中试样的体积一般要发生变化，、略大于、。4. 三种剪切性状的结果比较将上述三种三轴压缩试验的结果汇总于图中： 正常固结饱和黏土三种试验结果的强度包线 由图可见，对于同一种正常固结的饱和粘土，当采用三种不同的试验方法来测定其抗剪强度时，其强度包线是不同的。其中UU试验结果是一条水平线，CU和CD试验各是一条通过坐标原点的直线。三种方法所 得到的强度指标间的关系到的强度指标间的关系是： ， 。 试验结果表明，当用有效应力表示试验结果时，三种剪切试验将得到基本相同的强度包线及十分接近的有效应力强度指标，这就意味着同一种土三种试验的试样将沿着同一平面剪破。实测资料表明，通常约为60，而粘性土的一般在30左右，实测的角接近于，这也是有效应力概念下的理论剪破角。正常固结土为应变硬化型，体变多表现为剪缩。超固结饱和黏土的试验方法和过程与正常的固结土的情况完全相同。它们的试验结果主要不同点在于；对试样施加的周围应力即初始有效固结应力小于原位应力（或先期固结应力），,即体现试样剪前为固结状态。其偏应力一轴向应变曲线的规律与正常固结饱和土和黏土完全不同，其抗剪强度特征也有很大差别，正常固结黏土与超固结黏土的三轴试验抗剪强度包线如下图： 饱和黏土UU、CU、CD试验结果的强度包线由图可见，如果以总应力表示，完全不同的试验结果；而已有效应力表示，则不论采用哪种试验方法，都得到近乎同一条有效应力破坏包线（如图中虚线所示）,由此可见，抗剪强度与有效应力具有唯一对应关系。5. 结束语如前所述，黏性土的强度性状是很复杂的，它不仅随剪切条件不同而异，而且还受许多因素（如土的各向异性、应力历史、蠕变等）的影响，此外对于同一种土，强度指标与试验方法和试验条件都有关，实际工程问题的情况千变万化，用实验室的试验条件去模拟现场条件毕竟还会有差别。因此，对于某个工程问题如何确定土的抗剪强度指标并不是一件简单的事情。首先要根据工程问题的性质确定分析方法，进而决定采用总应力或有效应力强度指标，然后选择测试方法。一般认为，由三轴固结不排水试验确定的有效应力强度和宜用于分析地基的长期稳定性（例如土坡的长期稳定分析，估计挡土结构物长期土压力、位于软土地基上结构物的地基长期稳定分析等）；而对于饱和软黏土的短期稳定问题，则宜采用不固结试验的强度指标，即，以总应力进行分析，一般工程问题多采用总应力分析法。6. 参考文献 1 杨金钟,王艳宏. 天津市上部地基土三轴剪切试验强度的研究 J . 天津理工大学学报, 2005, 21 ( 3) : 86- 88.（YANG J in-zhong,WANG Yan-hong. Study on variation of UU - shear strength indices of Tianjin shallow soils J . Journal of Tianjing University of Technology, 2005, 21(3) : 86 - 88.） 2 HUANGWen-xiong, SUN De-an, Sloan SW. Analysis of the failure mode and softening behaviour of sands in true triaxial tests J . International Journal of Solids and Structures, 2007 (44) : 1423 - 1437.3 许延春. 深部饱和黏土的力学性质特征J . 煤炭学报, 2004 ,29 (1) :27-30.（XU Ya