含水率對純泥巖剪切特性影響的試驗研究

儲昊

【摘要】通過控制級配、干密度，研究純泥巖對土體剪切特性的影響。試驗設計純泥巖含水率分別為0%、4%、8%、12%、17%，在法向應力分別為100kpa、200kpa、300kpa、400kpa條件下觀測不同純泥巖含水率的水平位移和豎向位移的變化情況，通過引入摩爾-庫倫準則，分析不同含水率條件下，剪應力與水平位移的關系、抗剪強度的變化，得出剪應力隨水平位移的增加而增大并趨于穩(wěn)定且變化過程主要分為三個階段彈性階段、塑性階段和破壞階段；發(fā)現(xiàn)隨著含水率逐漸增大，抗剪強度指標上：粘結(jié)力呈拋物線增大而內(nèi)摩擦角呈拋物線遞減。

【關鍵詞】剪切特性；純泥巖；抗剪強度指標

中圖分類號：TU 4

1、引言

由于純泥巖大量存在于西部山區(qū)中，并且屬于砂性土，而砂性土的狀態(tài)隨著含水量的變化而變化，為了研究不同含水率下土體剪切特性，找出哪種含水率條件下對土體的剪切性狀影響最大。顧成權(quán)、孫艷[1]通過改變土體含水量、粘粒含量及壓實度等參數(shù)，分析土體內(nèi)聚力的變化情況，得出土體內(nèi)聚力隨含水量和粘粒含量比值的增大而減小并給出土體內(nèi)聚力的變化方程；龍玉明[2]通過對不同含水率、孔隙比、不同砂含量的壓實砂性土進行抗剪試驗，研究含水率對抗剪強度指標c、φ值得影響情況，得出含水率對于粘結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ均有影響，且粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角均隨含砂量的增大而減小。本文通過控制級配、干密度等試驗條件，研究純泥巖含水率對土體剪切特性的影響。

2、試驗設計

2.1試驗材料

泥巖所處地層為三疊系上統(tǒng)須家河組。泥巖弱風化、呈紫紅色。其中不均勻系數(shù)和曲線系數(shù)均在合理范圍內(nèi)，級配良好。

表1 泥巖的物理指標

Table1 Physical index of mudstone

天然密度（g/cm3） 飽和密度（g/cm3） 土粒比重Gs

泥巖 2.44 2.72 2.71

2.2試驗儀器

試驗儀器為現(xiàn)有應變控制式直剪儀。

2.3試驗設計

本文中，綜合考慮進行快剪試驗，轉(zhuǎn)速為12r/min，1r提供水平位移0.2mm。試驗中測力計讀數(shù)達到穩(wěn)定值或有顯著后退時，表示試樣已經(jīng)剪損；一般剪至4mm剪切變形，若測力計讀數(shù)繼續(xù)增加則剪切變形到結(jié)束為止，轉(zhuǎn)輪每轉(zhuǎn)動一圈對應記錄下水平和豎直位移百分表讀數(shù)。根據(jù)已有試驗數(shù)據(jù)，選定固定干密度1.85g/cm3，含水率分別為0%、4%、8%、12%、17%，每種含水率進行4次試驗，分別加載法向應力100kpa、200kpa、300kpa、400kpa。

3、數(shù)據(jù)分析

3.1應力-位移曲線隨純泥巖含水率的變化關系

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，分別作出法向應力300kpa條件下，純泥巖含水率別為0%、4%、8%、12%、17%的剪應力τ（kpa）關于水平位移λ（mm）的λ-τ關系曲線，如圖1。由圖可知，不同純泥巖含水率條件下，λ-τ曲線趨勢基本吻合。剪切過程主要由兩個階段構(gòu)成：①彈性階段，剪應力隨水平位移的增大逐漸增大；②塑性階段，在此階段剪應力隨水平位移的增大幾乎不增加，這一階段主要發(fā)生于含水率較低的含水率中；③破壞階段，剪應力隨水平位移的增加緩慢增加，并逐漸趨于穩(wěn)定，土體發(fā)生破壞。

圖2中，當純泥巖含水率為4%時，可發(fā)現(xiàn)在塑性階段存在水平段，即隨著水平位移的增加，剪應力幾乎不發(fā)生變化。考慮到土體抵抗剪切變形能力主要依靠土體自身的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)[3-7]，即主要靠粘結(jié)力和內(nèi)摩擦力。在剪切面相對位移時，首先克服土體與接觸面間的粘結(jié)力，然后顆粒之間的摩擦阻力才起主要作用。

圖1 λ-τ關系曲線

圖2 低含水率條件下λ-τ關系曲線

3.2抗剪強度隨純泥巖含水率的變化分析

根據(jù)已知數(shù)據(jù)作點、擬合，得不同純泥巖含水率條件下的法應力σ（kpa）和剪應力τ（kpa）的關系曲線σ-τ如圖3。由擬合結(jié)果可看出，σ-τ存在良好的線性關系，且擬合直線中純泥巖含水量4%時的擬合直線處于靠上位置；含水率12%時的擬合直線處于靠下位置。

引用摩爾-庫倫準則：τ=c+σtanφ，其中c為土體的粘結(jié)力（kpa）；σ為施加的法向應力（kpa）；φ為土體的內(nèi)摩擦角（°）。根據(jù)擬合參數(shù)反算出各純泥巖含水率下的c、φ值，具體見表2。

圖3 σ-τ關系曲線

表2 純泥巖含水量與粘聚力、內(nèi)摩擦角關系

純泥巖含水率 粘結(jié)力c （kpa） 內(nèi)摩擦角φ（°）

0% 10.07 39.69267

4% 17.2 38.30874

8% 23.25 35.33664

12% 20.92 33.34092

17% 24.02 35.86693

由表2可知，隨著泥砂含水量w的逐漸升高，相應粘結(jié)力c逐漸增加的趨勢而內(nèi)摩擦角φ逐漸減小的趨勢。以泥巖含量w為橫坐標，粘結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ分別為縱坐標，作點、擬合，發(fā)現(xiàn)隨泥巖含量的增加，粘結(jié)力隨之呈線性增長。但增加到一定程度及達到飽和含水率時趨于平穩(wěn)；隨著泥巖含量的增加，內(nèi)摩擦角隨之呈二次方遞減，在泥巖含水量從0%增加至12%的過程中，此段的內(nèi)摩擦角變化量占總變化量的15%。

4、結(jié)論

基于已有試驗數(shù)據(jù)，一定級配、干密度條件下，通過對不同含水率條件下土體剪切特性的試驗研究和數(shù)據(jù)分析，不同含水率對土體剪切特性的主要影響主要表現(xiàn)在在以下幾個方面：

（1）土體剪切過程主要分兩個階段：塑性階段和破壞階段。純泥巖含水率為4%時，可發(fā)現(xiàn)在塑性階段存在一水平段，即隨著水平位移的增加，剪應力幾乎不增長。

（2）土體的抗剪強度根據(jù)摩爾-庫倫準則；通過在不同含水率下對粘結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ進行擬合，發(fā)現(xiàn)隨著純泥巖含水率增加，粘結(jié)力呈線性增大而內(nèi)摩擦角呈二次方減小。

（3）在含水率4%時，土體抗剪強度最大；在含水率17%時，粘結(jié)力c最大；在含水率0%時，內(nèi)摩擦角最大。

參考文獻

[1] 顧成權(quán)，孫艷. 土體內(nèi)聚力隨含水量、粘粒含量及干密度變化關系探討[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì). 2005（01）： 34-36.

[2] 龍玉民. 重塑砂性土cφ值影響因素研究[D]. 中南大學， 2012.

[3] 嚴耿升，張虎元，趙天宇. 改性黃土內(nèi)摩擦角變化研究[J]. 粉煤灰. 2009（04）： 14-17.

[4] 張建民，侯文峻，張嘎，等. 大型三維土與結(jié)構(gòu)接觸面試驗機的研制與應用[J]. 巖土工程學報. 2008（06）： 889-894.

[5] 張嘎，張建民，梁東方. 土與結(jié)構(gòu)接觸面試驗中的土顆粒細觀運動測量[J]. 巖土工程學報. 2005（08）： 903-907.

[6] 張嘎，張建民. 粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面的靜動本構(gòu)規(guī)律[J]. 巖土工程學報. 2005（05）： 516-520.

[7] 張嘎，張建民. 夾有泥皮粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面力學特性