低液限粘土三轴剪切试验分析

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　　 摘要：对某工程低液限粘土进行了不固结不排水和固结排水三轴剪切试验，获得液限粘土不固结不排水抗剪强参数cu、φu和固结排水抗剪强度参数cd、φd，工程的设计和施工提供依据。
　　关键词：三轴剪切试验；不固结不排水；固结排水；抗剪强度
　　中图分类号：C33文献标识码：A 文章编号：
　　
　　
　　1 引言
　　该工程为I等工程，设计洪水标准为300年一遇，校核洪水标准为1000年一遇，主要建筑物地震设计烈度为7度，因此，工程的设计和施工责任重大。研究不同工况下黄土边坡的稳定性，并为后续渠道开挖方案的确定提供设计和施工依据，了解该区黄土的力学指标。
　　2 试验原理和试验目的
　　三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种方法，它通常用3~4个圆柱形试样，分别在不同恒定周围压力（即小主应力σ3）下施加轴向压力（即产生主应力差（σ1-σ3））至土样剪切破坏，然后根据莫尔-库伦理论，求得抗剪强度参数c、φ。莫尔-库伦破坏准则表达式为：
　　
　　其中：σ1、σ3—大、小主应力，kPa；
　　c—土的凝聚力，kPa；
　　φ—土的内摩擦角，（°）。
　　普通三轴压缩仪对低液限粘土进行了不固结不排水（UU）和固结排水（CD）三轴剪切试验，试验目的是获得低液限粘土不固结不排水抗剪强参数cu、φu和固结排水抗剪强度参数cd、φd。通过对抗剪强度参数的特殊统计计算得出统计抗剪强度指标作为设计、施工参数，为工程的设计和施工提供了依据。
　　3 试样的制备与试验方案
　　原状土样均取自工程三个地点（a、b、c）的低液限粘土。土样制备严格按水利部颁布的《土工试验规程》（SL237-1999）[6]执行。依据排水情况不同，分别进行不固结不排水剪切(快剪)、固结排水剪切(慢剪)试验，测得不同试验方法的抗剪强度参数，即不固结不排水剪切试验的抗剪强度参数cu、φu和固结排水剪切试验的有效抗剪强度参数cd、φd。
　　
　　对a、b、c三个地点采集的土样分别进行三轴不固结不排水试验（UU）和固结排水试验（CD），对每个高程下的土体制作两个试样。三轴试验的强度参数一般不宜简单的采用各试样强度参数的算术平均值，故以各级围压下的（σ1+σ3）f/2的平均值作为圆心，（σ1-σ3）f/2的平均值作为半径来绘制强度包线，从而求出土体抗剪强度参数c。
　　根据实验数据可知，a点处土体三轴不固结不排水（UU）试验的抗剪强度参数cu、φu范围值分别为10.00～30.00kPa、25.8～28.3°，三轴固结排水（CD）试验的有效抗剪强度参数cd、φd范围值分别为9.00～20.00kPa、26.6～29.0°。统计三轴不固结不排水试验所得到的抗剪强度参数cu、φu分别为21.13kPa、26.7°，统计有效抗剪强度参数cd、φd分别为13.44kPa、27.3°。
　　根据实验数据可知，b点处土体三轴不固结不排水（UU）试验的抗剪强度参数cu、φu范围值分别为14.00～49.00kPa、21.5～25.3°。固结排水（CD）试验的有效抗剪强度参数cd、φd范围值分别为13.00～21.00kPa、27.4～28.2°。统计三轴不固结不排水试验所得到的抗剪强度参数cu、φu分别为24.43kPa、23.3°，统计有效抗剪强度参数cd、φ分别为17.06kPa、27.8°。
　　根据实验数据可知，c点处三轴不固结不排水（UU）试验的抗剪强度参数cu、φu范围值分别为31.00～87.00kPa、13.6～23.5°。固结排水（CD）试验的有效抗剪强度参数cd、φd范围值分别为13.00～21.00kPa、27.4～28.2°。统计三轴不固结不排水试验所得到的抗剪强度参数cu、φu分别为50.30kPa、16.1°，统计有效抗剪强度参数cd、φd分别为17.54kPa、26.9°。
　　4 结论
　　通过对低液限粘土的三轴不固结不排水和固结排水试验的研究,得到如下结论：
　　（1）土的抗剪强度参数随着含水率、密度、以及其他物理指标的不同而不同。因此在工程勘察设计中应尽可能模拟现场条件,使试样的密度、含水率、孔隙水压力、孔隙气压力以及其它物理指标都符合现场条件。
　　（2）三轴试验的结果不宜简单的采用算术平均值统计，建议以各级围压下的（σ1+σ3）f/2的平均值作为圆心，（σ1-σ3）f/2的平均值作为半径来绘制强度包线，从而求出的土体抗剪强度参数c，φ更合理。
　　（3）在进行土的不固结不排水三轴剪切试验时，对于饱和粘土，通常认为在不固结不排水条件下，由于土体体积不发生改变，围压的变化被孔隙水压力的变化所抵消，3个试件的有效应力保持不变，故强度包线为水平直线，即抗剪强度参数φ为零。但是，对于非饱和的低液限粘土，由室内试验数据知道，不但有的试样具有一定的φ值，而且某些土样的φ值较大。其原因是在不饱和的低液限粘土不固结不排水试验时，由于围压的作用，土样体积要减小，从而土样孔隙率减小，强度增加。当围压加到一定程度时，土样接近饱和状态，强度包络线趋于水平，土体抗剪强度不再增加。
　　（4）室内三轴试验表明，低液限粘土的cu、φu统计值范围分别为21.13～50.30kPa、16.1～26.7°；cd、φd统计值范围分别为13.44～17.54kPa、27.4～28.2°；其中土层c的cu值最大为50.30kPa、φu最小为16.1°，而a和b土层的cu、φu比较接近；三土层的cd、φd统计值比较接近。
　　（5）由于土体在不同的排水条件下受荷剪切，土体的抗剪强度参数有很大的差别，因此，采用三轴剪切试验结果作为设计、施工参数时，应充分考虑地基土的渗透性、排水条件及不同工况，采用合理的抗剪强度指标。
　　参考文献：
　　[1] 张品萃,胥建华。土三轴压缩试验试验方法的对比探讨[J].地质灾害与环境保护,2003,14(1):67-60。
　　[2] 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。
　　[3] 李苏春,蒋刚。南京地区粉土的不排水三轴压缩试验[J].南京工业大学学报,2007,29(2):40-44。
　　[4] 《土工试验规程》（SL237-028-1999）。
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