不同应力历史条件下软黏土强度时效特性

自从 Taylor[1] 和 Casagrande 等[2] 展开应变速率 对不排水抗剪强度影响的研究以来 ,尤其是随着大
量软土工程的建设 ,应变速率对软黏土不排水强度 的影响得到岩土工程界普遍的关注 ,Bjerrum [3] 对不
收稿日期 :2007-04-10 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (50608058 ) ;国家“863”高技术研究发展计划资助项目 (2006AA11Z118 ) 作者简介 : 张冬梅 (1975 —) ,女 ,副教授 ,工学博士 ,主要研究方向为软土时效特性及隧道长期性态.E 2mail:dmzhang@mail.ton gji.edu.cn
examinedbasedontriaxialUCSRex perimentalresults.Theresultsshowthattheundrainedstren
gth
increasesb y9.7%incom pressiontestsand7.2%inextensiontestscausedb
切速率参数 ρε· ,ρε· 可以表示如下 :
a0
a0
ρε· a0
=[
(Δqf/Δqf0) /Δlog (ε·a) ] ·100 %
(1)
式中 , qf0为相对于剪切速率 ε·a0 的不排水抗剪强度
参考值 ,ε·a0 为剪切速率参考值 ,Δqf 表示剪切速率
从ε·a0变化到 ε·a 时不排水抗剪强度的变化量. 由于
第 10 期
张冬梅 ,等 :不同应力历史条件下软黏土强度时效特性
12 31
排水强度受应变速率影响的重要性进行了阐述. 姜
洪伟和赵锡宏[4] 通过真三轴试验对不排水抗剪强
度与剪切速率的相关性进行了研究. 从相关研究文
献来看 ,剪切速率越大 ,软黏土的不排水抗剪强度就
越大 ,这实际上也反映了软黏土长期抗剪强度会随
体的强度时效特性也会受到应力历史的影响. 目前 ,
在研究软黏土强度时效特性时 ,考虑土体固结应力
历史的研究还不多 ,Sheahan 等[6] 曾在三轴压缩试
验条件下对重塑的波士顿兰黏土 (BBC) 在 K0 固结 条件下 ,研究了在不同超固结比条件下 ,不同的剪切
速率对土体不排水抗剪强度和超孔隙水压力的影
geneitiesofdifferents pecimens.
Thestrain 2ratede pendent propertiesofundrainedshearstren gthandeffectivestress pathaswellasthe
effectof pre2shearin gstresshistor yonthestrain 2ratede pendent propertiesofthenaturalsoftcla ywere
软黏土不排水抗剪强度 qf0 同样具有时效性 ,因此 ,
不排水抗剪强度参考值 qf0也受到ε·a0的影响 ,因此 ,
ρε· 也受到 a0
ε·a0 的影响.
但是
,
为了保证能和目前文
献中所描述的各种不同试验条件下得到的土体的强
度时效性进行对比 ,ε·a0 最好选择在 0.1% ·h -1 左
右 ,而不要太大或太小.
Thetestedcla ywascharacterizedb yhi ghwatercontentandhi gh plasticit ywithsli ghtor ganicdebris.
Triaxialundrainedconstantstrainrate (UCSR ) testswereem ployedtostud ythestrain 2ratesensitivit y
第 36 卷第 10 期 2008 年 10 月
同 济 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) JOURNALOFTONGJIUNIVERSITY (NATURALSCIENCE )
Vol.36No.10 Oct.2008
不同应力历史条件下软黏土强度时效特性
张冬梅1,2 ,黄宏伟1,2
(1. 同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室 ,上海 200092;2. 同济大学 地下建筑与工程系 ,上海 200092 )
制的试验系统进行 ,三轴试验中试件的标准尺寸为 直径 50mm 、高 100mm 的圆柱体 ,试验中为了模拟 土体的原始静水压力 ,在试样的顶部施加反压力 ,反 压力的大小等于试样的原始静水压力的大小 ,施加
反压力的目的主要是为了模拟现场的孔隙水压力情 况和保持土体的饱和状态.
许多相关参考文献都曾经指出 ,剪切速率对土 体强度的影响程度和影响规律受到土体非均质性的 影响[8] . 因此 ,为了最大限度地减小土质不均匀性 对试验结果的影响 ,试验中通常采用一种变换剪切 速率的有效试验方法 ,也就是在同一个剪切试验中 , 连续采用不同的剪切速率进行试验 ,剪切速率之间 变换 的 比 例 通 常 为 10. 然 而 , 就 这 一 试 验 手 段 , Richardson 等[9] 却指出 ,对重塑土而言 ,变剪切速率 试验条件下得到的应力 —应变曲线和分别采用单一 剪切速率进行试验得到应力 —应变曲线并不能完全 吻合 ,同时 ,Graham 等[5] 也指出 ,尽管如此 ,与土体 不均匀性对试验结果带来的影响相比 ,采用变剪切 速率试验方法对试验结果带来的误差仍在可接受范 围内. 综合考虑以上因素 ,本文三轴试验采用了对同 一试样进行变速率剪切的试验方法 ,共对 6 个试样 进行了室内试验 ,各个试样的剪切速率的选取及变 化情况见表 1.
时间逐渐减弱. 为了定量研究剪切速率对黏土不排
水抗剪强度的影响 ,Graham 等[5] 引入了一个剪切速 率参数ρ 来描述当剪切速率每增长 10 倍不排水抗
0.1
剪强度的增加值 ,该增加值采用相对于剪切速率为
0.1% 时所对应的不排水抗剪强度的百分比来表示.
Sheahan 等[6] 又引入了一个更加具有普遍意义的剪
拉伸状态下不排水抗剪强度与剪切速率相关性的研
究还不十分丰富. 因为目前的研究大多是以重塑黏
土为目标展开.
本文综合考虑天然黏土的应力历史及土体非均
质性的影响 ,以土体的不排水抗剪强度时效特性为
研究目标 ,采用室内三轴压缩和拉伸试验 ,考查土体
不排水抗剪强度 、有效应力路径与剪切速率的相关
性 ,对天然黏土在不同应力历史条件下的时效特性
oftheundisturbednaturalcla yb yusin gcom puterizedtestin gs ystemwithstress 2pathcontrolled.The
specimenswereloadedtodifferentstressstateafterre
2consolidationwithin 2situstressand pore pres2
～5%
·h
-1
)
时
,剪切速率参数
ρ 0.1
随着超固结比的
增加而减小 ,也就是说剪切速率对土体不排水抗剪
强度的影响程度减小 ;当剪切速率较高 (50% ·h -1 )
时 ,剪切速率参数随着超固结比的增加保持恒定 ,即
超固结比对土体的强度时效特性不再产生影响 ;而
Zhu
等 [7]
则发现剪切速率参数
ρ 0.15
Sheahan 等[6] 对研究各种黏土的不排水抗剪强
度和剪切速率的试验进行了文献总结 ,从其收集到
的研究文献来看 ,绝大多数的土样在剪切前都是在
各向等压的条件下固结的 ,这种方法在一定程度上
忽略了土体剪切前的应力历史对软黏土强度时效特
性的影响. 从土力学的观点来看 ,土体的应力历史对
土体的力学特性产生重要的影响 ,因此 ,可以说 ,土
sureandbeforetheUCSRtestswere
performed.Thes pecimenswereshearedatste p2chan gingaxial
strainratesres pectivel ytoexcludetheinfluenceofinstinctivehetero
Abstract :Thetime 2dependenc yofundrainedbehaviorofthetestednaturalsoftcla
yaswellastheinflu 2
enceof pre2shearin gstresshistor yonthestudiedsub jectwasexaminedbasedonex perimentaldata.
ythe10 2timesincreased
strainratesforthetestedcla y.
Keywords : softsoil;undrainedstren gth;strain 2ratede pendenc y;triaxialconstantstrainrate;
pre2
shearin gstresshistor y
ywith
DifferentPre 2shearin gStressHistor yBasedonLaborator yTest
ZHANG Don gmei 1 ,2 , HUANG Hon gwei 1 ,2
(1.Ke yLaborator yofGeotechnicalandUnder groundEn gineeringoftheMinistr yofEducation,Ton gjiUniversit y,Shan ghai200092,China; 2.De partmentofGeotechnicalEn gineering,Ton gjiUniversit y,Shan ghai200092,China )
关键词 : 软黏土 ; 不排水强度 ; 时效性 ; 剪切速率 ; 应力历史 中图分类号 :TU411.3 文献标识码 :A
文章编号 :0253-374X (2008) 10-1320-07
Time2Dependenc yofUndrainedBehaviorofNaturalSoftCla
展开研究. 室内试验中通常对同一试样采用多剪切
速率法来消除土体不均质性对二者相关性的影响.
1 试验方案
1. 1 试验土样 试验土样属中世纪河相沉积软黏土 ,该黏土属
高塑性 ,高含水量的淤泥质黏土. 事实上 ,对该黏土 特性的研究已经持续了相当长的时间 ,为了估计该 土样在深度上的分布特征 ,从 1995 年开始对该试验 土体进行了多次现场十字板剪切试验 ,十字板剪切 试验紧贴室内试验取土孔进行 ,图 1 为该黏土的强 度随深度的分布. 从图 1 所示的抗剪强度 Cu 可以 发现 ,该土样在深度 h 为 4～8m 的范围内 ,在水平 向和深度方向上土性相对均匀 ,因此为了减小土样 本身的离散性对试验结果的影响 ,本文试验土样集 中在 4 ～ 8m 的范围内 , 土样的含水量为 80% ～
摘要 :采用恒定剪切速率的室内试验 ,对经历不同应力历史的天然软黏土的不排水强度时效特性进行了研究 ,探讨 了软黏土不排水强度的时效特性 、有效应力路径 、不同应力历史的影响和软黏土应变速率变化对不排水强度的影 响规律和影响程度. 为了消除土体各向异性对试验结果的影响 ,对同一土样采用了变剪切速率的试验方法. 土样在 剪切前 ,采用了不同应力路径进行固结. 试验结果表明 ,在三轴压缩条件下 ,剪切速率每提高 10 倍 ,不排水抗剪强 度平均提高 9.7%; 三轴拉伸条件下 ,剪切速率每提高 10 倍 ,不排水抗剪强度平均提高 7.2%.
切速率的相关性 ,因为在实际工程中 ,土体所经历的
应力历史和各向等压的条件相去甚远 ,所以将各向
等压条件下得到的研究成果扩展到实际应力状态具
有一定的不合理性. 因此 ,有必要对不同应力路径下
土体的不排水抗剪强度与剪切速率的相关性进行研
究 ,室内试验中 ,土体的应力历史可以通过试验手段
灵活控制.
(2) 不同应力历史条件下 ,天然软土在压缩和
和土体的超固结
比之间不存在稳定的相互关系. 除此之外 ,超孔隙水
压力随剪切速率的变化也出现不同的反应. 可以将
这种差异归结为不同试验土样的影响 ,但是 ,试样剪
切前的不同应力路径无疑对试验结果也产生一定的
影响. 因此 ,从这个意义上来看 ,有必要对下列问题
来自百度文库
作进一步的研究和探讨 :
(1) 不同应力历史条件下不排水抗剪强度与剪
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同 济 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)
第 36 卷
90%, 饱和度大于 95%, 孔隙比为 2.4 ～4.0, 土体的 前期固结压力约为 50kPa.
图 1 现场十字板剪切强度 Fig.1 Profilesofin 2situvanetestresults
1. 2 试验方案 三轴试验采用计算机控制的英国 GDS 公司研
响 ;Zhu 等[7] 利用三轴压缩和拉伸试验对香港海相
沉积软黏土 ( HKMC) 在不同超固结比条件下的强度
时效特性进行了研究 ,土体的超固结比在各向等压
的条件下得到 ;上述两种研究对每个试样采用了单
一的剪切速率加载 ,但是却发现了不同的现象 ,
Sheahan 等[6] 通过试验发现 ,当剪切速率较低 (0.05