剪切速率对结构性黄土力学性状的影响
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第 5卷 第 3期 2009年 6月
地 下 空 间 与 工 程 学 报 Chinese Journal of Underground Space and Engineering
Vol. 5 Jun. 2009
剪切速率对结构性黄土力学性状的影响3
党进谦 1 , 蒋仓兰 2 , 吉中亮 2
切速率越快 ,应变软化越明显 ;对同一初始含水率 而言 ,围压越低 、剪切速率越快 ,应变软化就越明 显 。因而 ,高应变速率可导致软化现象的产生 。D i Prisco C. [ 4, 5 ]曾对砂土提出应变速率软化的概念 , 建立了相应的模型 。陈铁林等 [ 4 ] 认为 ,应变速率 软化同样存在于结构性黏土中 。本文试验表明 ,结 构性黄土的应变速率软化现象也比较显著 。 3. 2 剪切速率对强度的影响
Abstract: During the deformation p rocess the structure of original loess will be destroyed. The strength charac2 teristics of loess during construction are not always the same, because of different construction speed of the p roject. Therefore, in order to fully understand the structural mechanical p roperties of loess, it is necessary to study natural structured loess and consider the effects of shear rate. In this paper, based on the triaxial test, it is discovered that the structured loess has special mechanical effect of shearing strain rate, and it is p roved that the structured loess also has the phenomena of strain rate softening. The CU shear strength and cohesion c increase at first, then decrease w ith the increase of strain rate, and a critical rate exists; the angel of internal friction doesn’t change visibly with the strain rate.
结合图 7从整体上看 ,围压越小 ,不同初始含
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
462
地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 5卷
< 0. 005 (mm )
23
按颗粒组成 分类
低液限粘土
2. 2 试验方案 本文采用固结不排水试验 。试样的初始含水
率 分 别 控 制 为 10%、14%、18%、22%、26% 和 30% ,从而反映含水率对结构性和结构性参数的影 响 ,在围压 100, 200, 300, 400 kPa下 ,分别进行剪 应变率 v为 0. 08, 0. 18, 0. 4 mm /m in的 CU 试验 , 共 72 组 ,以期获取不同应力水平条件下剪切速率 对结构性黄土变形与强度特性的影响 。
3 收稿日期 : 2008212216 (修改稿 ) 作者简介 :党进谦 (1964 - ) ,男 ,陕西澄城人 ,教授 , 主要从事土力学方面的教学与研究工作 。 E2mail: dangjinqian@ 163. com
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
(1. 西北农林科技大学水建学院 , 陕西 杨凌 712100; 2. 江西蓝天学院土木系 ,南昌 330098)
摘 要 :天然原状黄土一般都具有结构性 ,其变形过程必然伴随着结构的破坏 。而工程中 由于施工速度的不同 ,黄土的强度特性也不完全相同 。因此 ,为了全面认识结构性黄土的力学 特性 ,以天然结构性黄土为研究对象 ,并考虑剪切速率的影响是十分必要的 。通过结构性黄土 三轴试验研究 ,发现结构性黄土具有独特的剪应变速率力学效应 ,“应变速率软化 ”现象同样 存在于结构性黄土中 ;其 CU 剪切强度和凝聚力 c随剪应变率的增大而呈现先增大后减小的 特征 ,存在临界速率现象 ,而内摩擦角随剪切速率的增大基本上呈线性减小的趋势 。
DAN G J in2qian1 , J IANG Cang2lan2 , J I Zhong2liang2
( 1. College of W a ter R esou rces and A rch itectu ra l Eng ineering , N orthw est A &F U n iversity , Yang ling, S haanx i 712100, Ch ina; 2. B lue S ky U n iversity of J iangxi, N anchang 330098, Ch ina)
460
地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 5卷
2 试样制备及试验方案
2. 1 试样的来源及其物理性质指标 试验所用土样为杨凌黄土 ,取土深度为 3. 5m ,
属于 Q3 黄土 。比重为 2. 70,天然干密度为 1. 2 g /
cm3 ～1. 35g / cm3 ,天然孔隙比为 1. 109～1. 126,天 然饱和度为 24. 3% ～65. 8% ,针状大孔隙发育 , 有 虫孔 ,包含少量植物根茎 。试验土样的物理性质指 标见表 1。
461
图 5 应力 - 应变曲线 ( v = 0. 18mm /m in) Fig. 5 Stress - strain curves( v = 0. 18 mm /m in)
图 6 应力 - 应变曲线 ( v = 0. 4mm /m in) Fig. 6 Stress - strain curves( v = 0. 4 mm /m in)
由图可以看出 ,在本次试验的剪切速率范围
内 ,剪切速率为 0. 08mm /m in时无论含水率和围压
如何变化 ,应力 - 应变曲线都没出现峰值 ,呈应变
硬化型 。而当剪切速率为 0. 18mm /m in和 0. 4mm /
m in时 ,应力
- 应变曲线在低围压
(
σ 3
≤200 kPa )
和低含水率 (w≤14% )时都出现了峰值 ,应力 - 应
目前 ,结构性粘土的本构模型与力学分析方法 等取得了一些进展 [ 3 ] ,但主要是以一种应变速率 条件下粘土或人工制备土样三轴试验为基础 ,很少 考虑加载速率与结构性强弱的影响 。实际上 ,黄土 的不排水剪切强度随剪切速率的变化而变化 。因 此 ,要全面认识结构性黄土的力学特性 ,以天然结 构性黄土为研究对象 ,并考虑剪切速率的影响是十 分必要的 。
表 1 黄土土样的物理性质指标 Table 1 Physica l properties index of loess sam ple
液限 (%)
37. 9
塑限 (% )
塑性指数 按塑性 图分类
20. 4
17. 5
CL
比重 2. 70
> 0. 05 (ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱm )
18
颗粒组成 ( % ) 0. 05～0. 005 (mm ) 59
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2009年第 3期 党进谦 ,等 :剪切速率对结构性黄土力学性状的影响
变曲线呈应变软化型 。总之 ,结构性黄土在低围压
图 4 应力 - 应变曲线 ( v = 0. 08mm /m in) Fig. 4 Stress - strain curves( v = 0. 08 mm /m in)
下的应变软化特性比高围压下的应变软化特性明 显 ;而随着围压的增大 ,剪切速率对应变软化的影 响也相应地减弱 ;对同一围压而言 ,含水率越低 、剪
图 3 应力 - 应变曲线 ( v = 0. 4mm /m in) Fig. 3 Stress - strain curves( v = 0. 4 mm /m in)
图 1 应力 - 应变曲线 ( v = 0. 08mm /m in) Fig. 1 Stress - strain curves( v = 0. 08 mm /m in)
关键词 : 结构性黄土 ;剪应变速率 ;强度指标
中图分类号 : TU444 文献标识码 : A 文章编号 : 1673 - 0836 (2009) 03 - 0459 - 04
Effects of Shear Ra te on M echan ica l Behav ior of Structured L oess
Keywords: structured loess; shear strain rate; strength parameter
1 引言
天然粘土一般都具有结构性 ,其结构性在结构 联结未遭到破坏之前表现为维持结构可稳性的能 力 ,在结构联结遭到破坏后表现为结构可变性的能 力 [ 1 ] 。黄土在低湿度下有很好的可稳性 ,一旦受 到浸湿而结构性发生破坏时又有很好的可变性 ,因 此 ,它是一种强结构性的土 [ 2 ] 。
由试验过程中发现 ,剪切速率对黄土的强度有 较为显著的影响 ,图 7 为不同围压 、不同含水率条 件下的黄土强度与剪切速率的关系 。
以往诸多学者基于三轴试验成果 ,一般认为 强度是应变速率的增函数 ,可本次试验表明剪切速 率与黄土的强度间不是简单的单值函数关系 ,而是 存在临界应变速率 ,随剪切应变速率增大而呈现出 先稍有增大后又逐渐减小的特征 ,存在明显的临界 速率转折点 ,且随着围压的增大 ,剪切速率对强度 的影响作用逐渐减弱 。这与文献 [ 4 ]的结论相一 致 。由于本次试验不能测孔隙水压力 ,所以也没办 法从孔压角度分析结果 。但对于 CU 剪 ,国内外的 许多试验资料表明 ,剪切速率较小时 ,孔隙水压力 有充分的时间均匀 ;较大剪切速率时试样内的孔隙
3 试验结果
图 2 应力 - 应变曲线 ( v = 0. 18mm /m in) Fig. 2 Stress - strain curves( v = 0. 18 mm /m in)
3. 1 剪切速率对应变软化的影响 黄土在相同剪切速率 、不同含水率及围压下的
应力 - 应 变 曲 线 图 , 限 于 篇 幅 只 选 取 了 围 压 100kPa (图 1～图 3)和 200kPa (图 4～图 6)下的应 力 - 应变曲线图 。
图 7 强度与剪切速率的关系 Fig. 7 The strength - shearing strain rate curves
水压力有向两端流动现象 ,试样中部的孔隙水力大 于两端 ,导致在试验中测得的试样底部的孔隙水压 力较小 ,因此在较低剪切速率下的强度会比高剪切 速率下的小 ;另一方面 ,强度与剪切速率间的关系 还与粘土的触变效应有关 。当剪切速率太快时 ,强 度来不及恢复 ,故在其他条件相同的情况下 ,会出 现剪切速率过快 ,强度反而有下降的趋势 。
地 下 空 间 与 工 程 学 报 Chinese Journal of Underground Space and Engineering
Vol. 5 Jun. 2009
剪切速率对结构性黄土力学性状的影响3
党进谦 1 , 蒋仓兰 2 , 吉中亮 2
切速率越快 ,应变软化越明显 ;对同一初始含水率 而言 ,围压越低 、剪切速率越快 ,应变软化就越明 显 。因而 ,高应变速率可导致软化现象的产生 。D i Prisco C. [ 4, 5 ]曾对砂土提出应变速率软化的概念 , 建立了相应的模型 。陈铁林等 [ 4 ] 认为 ,应变速率 软化同样存在于结构性黏土中 。本文试验表明 ,结 构性黄土的应变速率软化现象也比较显著 。 3. 2 剪切速率对强度的影响
Abstract: During the deformation p rocess the structure of original loess will be destroyed. The strength charac2 teristics of loess during construction are not always the same, because of different construction speed of the p roject. Therefore, in order to fully understand the structural mechanical p roperties of loess, it is necessary to study natural structured loess and consider the effects of shear rate. In this paper, based on the triaxial test, it is discovered that the structured loess has special mechanical effect of shearing strain rate, and it is p roved that the structured loess also has the phenomena of strain rate softening. The CU shear strength and cohesion c increase at first, then decrease w ith the increase of strain rate, and a critical rate exists; the angel of internal friction doesn’t change visibly with the strain rate.
结合图 7从整体上看 ,围压越小 ,不同初始含
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地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 5卷
< 0. 005 (mm )
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按颗粒组成 分类
低液限粘土
2. 2 试验方案 本文采用固结不排水试验 。试样的初始含水
率 分 别 控 制 为 10%、14%、18%、22%、26% 和 30% ,从而反映含水率对结构性和结构性参数的影 响 ,在围压 100, 200, 300, 400 kPa下 ,分别进行剪 应变率 v为 0. 08, 0. 18, 0. 4 mm /m in的 CU 试验 , 共 72 组 ,以期获取不同应力水平条件下剪切速率 对结构性黄土变形与强度特性的影响 。
3 收稿日期 : 2008212216 (修改稿 ) 作者简介 :党进谦 (1964 - ) ,男 ,陕西澄城人 ,教授 , 主要从事土力学方面的教学与研究工作 。 E2mail: dangjinqian@ 163. com
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
(1. 西北农林科技大学水建学院 , 陕西 杨凌 712100; 2. 江西蓝天学院土木系 ,南昌 330098)
摘 要 :天然原状黄土一般都具有结构性 ,其变形过程必然伴随着结构的破坏 。而工程中 由于施工速度的不同 ,黄土的强度特性也不完全相同 。因此 ,为了全面认识结构性黄土的力学 特性 ,以天然结构性黄土为研究对象 ,并考虑剪切速率的影响是十分必要的 。通过结构性黄土 三轴试验研究 ,发现结构性黄土具有独特的剪应变速率力学效应 ,“应变速率软化 ”现象同样 存在于结构性黄土中 ;其 CU 剪切强度和凝聚力 c随剪应变率的增大而呈现先增大后减小的 特征 ,存在临界速率现象 ,而内摩擦角随剪切速率的增大基本上呈线性减小的趋势 。
DAN G J in2qian1 , J IANG Cang2lan2 , J I Zhong2liang2
( 1. College of W a ter R esou rces and A rch itectu ra l Eng ineering , N orthw est A &F U n iversity , Yang ling, S haanx i 712100, Ch ina; 2. B lue S ky U n iversity of J iangxi, N anchang 330098, Ch ina)
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地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 5卷
2 试样制备及试验方案
2. 1 试样的来源及其物理性质指标 试验所用土样为杨凌黄土 ,取土深度为 3. 5m ,
属于 Q3 黄土 。比重为 2. 70,天然干密度为 1. 2 g /
cm3 ～1. 35g / cm3 ,天然孔隙比为 1. 109～1. 126,天 然饱和度为 24. 3% ～65. 8% ,针状大孔隙发育 , 有 虫孔 ,包含少量植物根茎 。试验土样的物理性质指 标见表 1。
461
图 5 应力 - 应变曲线 ( v = 0. 18mm /m in) Fig. 5 Stress - strain curves( v = 0. 18 mm /m in)
图 6 应力 - 应变曲线 ( v = 0. 4mm /m in) Fig. 6 Stress - strain curves( v = 0. 4 mm /m in)
由图可以看出 ,在本次试验的剪切速率范围
内 ,剪切速率为 0. 08mm /m in时无论含水率和围压
如何变化 ,应力 - 应变曲线都没出现峰值 ,呈应变
硬化型 。而当剪切速率为 0. 18mm /m in和 0. 4mm /
m in时 ,应力
- 应变曲线在低围压
(
σ 3
≤200 kPa )
和低含水率 (w≤14% )时都出现了峰值 ,应力 - 应
目前 ,结构性粘土的本构模型与力学分析方法 等取得了一些进展 [ 3 ] ,但主要是以一种应变速率 条件下粘土或人工制备土样三轴试验为基础 ,很少 考虑加载速率与结构性强弱的影响 。实际上 ,黄土 的不排水剪切强度随剪切速率的变化而变化 。因 此 ,要全面认识结构性黄土的力学特性 ,以天然结 构性黄土为研究对象 ,并考虑剪切速率的影响是十 分必要的 。
表 1 黄土土样的物理性质指标 Table 1 Physica l properties index of loess sam ple
液限 (%)
37. 9
塑限 (% )
塑性指数 按塑性 图分类
20. 4
17. 5
CL
比重 2. 70
> 0. 05 (ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱm )
18
颗粒组成 ( % ) 0. 05～0. 005 (mm ) 59
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
2009年第 3期 党进谦 ,等 :剪切速率对结构性黄土力学性状的影响
变曲线呈应变软化型 。总之 ,结构性黄土在低围压
图 4 应力 - 应变曲线 ( v = 0. 08mm /m in) Fig. 4 Stress - strain curves( v = 0. 08 mm /m in)
下的应变软化特性比高围压下的应变软化特性明 显 ;而随着围压的增大 ,剪切速率对应变软化的影 响也相应地减弱 ;对同一围压而言 ,含水率越低 、剪
图 3 应力 - 应变曲线 ( v = 0. 4mm /m in) Fig. 3 Stress - strain curves( v = 0. 4 mm /m in)
图 1 应力 - 应变曲线 ( v = 0. 08mm /m in) Fig. 1 Stress - strain curves( v = 0. 08 mm /m in)
关键词 : 结构性黄土 ;剪应变速率 ;强度指标
中图分类号 : TU444 文献标识码 : A 文章编号 : 1673 - 0836 (2009) 03 - 0459 - 04
Effects of Shear Ra te on M echan ica l Behav ior of Structured L oess
Keywords: structured loess; shear strain rate; strength parameter
1 引言
天然粘土一般都具有结构性 ,其结构性在结构 联结未遭到破坏之前表现为维持结构可稳性的能 力 ,在结构联结遭到破坏后表现为结构可变性的能 力 [ 1 ] 。黄土在低湿度下有很好的可稳性 ,一旦受 到浸湿而结构性发生破坏时又有很好的可变性 ,因 此 ,它是一种强结构性的土 [ 2 ] 。
由试验过程中发现 ,剪切速率对黄土的强度有 较为显著的影响 ,图 7 为不同围压 、不同含水率条 件下的黄土强度与剪切速率的关系 。
以往诸多学者基于三轴试验成果 ,一般认为 强度是应变速率的增函数 ,可本次试验表明剪切速 率与黄土的强度间不是简单的单值函数关系 ,而是 存在临界应变速率 ,随剪切应变速率增大而呈现出 先稍有增大后又逐渐减小的特征 ,存在明显的临界 速率转折点 ,且随着围压的增大 ,剪切速率对强度 的影响作用逐渐减弱 。这与文献 [ 4 ]的结论相一 致 。由于本次试验不能测孔隙水压力 ,所以也没办 法从孔压角度分析结果 。但对于 CU 剪 ,国内外的 许多试验资料表明 ,剪切速率较小时 ,孔隙水压力 有充分的时间均匀 ;较大剪切速率时试样内的孔隙
3 试验结果
图 2 应力 - 应变曲线 ( v = 0. 18mm /m in) Fig. 2 Stress - strain curves( v = 0. 18 mm /m in)
3. 1 剪切速率对应变软化的影响 黄土在相同剪切速率 、不同含水率及围压下的
应力 - 应 变 曲 线 图 , 限 于 篇 幅 只 选 取 了 围 压 100kPa (图 1～图 3)和 200kPa (图 4～图 6)下的应 力 - 应变曲线图 。
图 7 强度与剪切速率的关系 Fig. 7 The strength - shearing strain rate curves
水压力有向两端流动现象 ,试样中部的孔隙水力大 于两端 ,导致在试验中测得的试样底部的孔隙水压 力较小 ,因此在较低剪切速率下的强度会比高剪切 速率下的小 ;另一方面 ,强度与剪切速率间的关系 还与粘土的触变效应有关 。当剪切速率太快时 ,强 度来不及恢复 ,故在其他条件相同的情况下 ,会出 现剪切速率过快 ,强度反而有下降的趋势 。