饱和黏土不排水剪切特性及双曲线模型_齐剑峰

under the confining pressure of 100 kPa
图 1 显示黏土的变形与强度特性有如下特征： （1）非线性。当应变速率较低时，应力-应变关 系一直呈现非线性特征，而在高应变速率下，应力应变关系的初始阶段近似为直线，随着应变的增加 逐步表现为非线性特征。 （2）非弹性。加、卸载试验（观察）表明，该 黏土达到屈服极限时轴向应变 εa 一般不超过 2 %。 在达到屈服极限以前，当应变速率较低时偏应力 q 上升速率较慢，切线模量较小，而随着应变速率的 升高，切线模量逐渐增大。在达到屈服极限以后， 低应变速率和高应变速率下的应变-应变关系 都呈 现出明显的非弹性。 （3）软化特性。在达到屈服极限以前，偏应力 q 随着轴向应变的增加而增大。超过屈服极限后， 应变速率较低的条件下应力-应变关系一直具有应 变强化的特点，而当应变速率较高时应力-应变关 系出现峰值强度，并随后发生应变软化。
2 试验研究
2.1 试验方法与试验条件 试验所用黏土取自大连。首先对所取土样作烘
干、碾碎处理，过 0.1 mm 土工筛，以除去杂物和 较大颗粒的土，再按一定的水土比例配制成泥浆， 采用真空抽吸技术[6]制备成试验所需的样品。基于 上述制样过程所制备的样品，具有组成成份均一、 饱和程度高、易于切削制备成三轴或空心圆柱试样 等优点。试样基本物理性质指标见表 1。
摘 要：采用真空抽吸制样技术制备的饱和重塑黏土，在 0.015∼3.75 %/min 应变速率范围内进行了多组不固结不排水（UU）
剪切试验。通过对试验结果的分析，着重探讨了应变速率和约束压力对应力-应变关系及其强度特性的影响。试验结果表明，
黏土的应力-应变关系与强度特性基本上不依赖于约束压力，而受应变速率的影响较为显著，强度随应变速率的增加而增长，
三轴不排水剪切试验（CU），探讨了应变速率和超 固结比对强度与孔隙水压力发展规律的影响。蔡羽 等[3]对湛江强结构性黏土得结构性与速率效应进行 了研究，探讨了该类黏土的力学性状。同时，沈珠 江[4]认为黏土对加荷速率更加敏感，不同应变速率 下峰值强度可能相差 30 %以上。然而，由于试验 土料与试验类型及条件的差异，研究未获得一致性 认识。
收稿日期：2006-03-03 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.50579006）；国家自然科学基金重点基金资助项目（No.50639010，No.50439010）；教育部科学技术研究 项目重大项目（No.305003）。 作者简介：齐剑峰，男，1975 年生，博士研究生，主要从事软土工程等方面的试验与理论研究。E-mail: jianfengluck@
土不固结不排水条件下 UU 三轴试验应力-应变关 系如图 1 所示。
qq//kkPPaa
445
440 UU 335 330 225 2200
3.75 %/min
1.875 %/min 1.25 %/min
0.225 %/min 0.094 %/min
0.015 %/%mi/nmin 33..7755 %/min
2278
岩土力学
2008 年
由于渗透性低，黏土地基一般要经历较长时间 才能完成固结[5]。对于新近沉积的黏土地基，考虑 到固结没有完成，可以通过室内不固结不排水试验 （UU）确定其在历时较短加载条件下的强度与变形 特性。目前通过 UU 三轴试验系统地探讨黏土剪切 变形特性的应变速率效应较为少见。为了进一步地 明确黏土的加荷速率效应，需要针对不同的应变速 率，通过试验探讨在不固结不排水条件下饱和黏土 的强度与变形特性，建立能够反映黏土加荷速率效 应的应力-应变关系，以便对黏土地基变形与稳定 性进行计算与分析。
1155
11..887755 %/min
11..2255 %/min
110
00..222255 %/min
55
00..009944 %/min
0
00..001155 %/min
0 2 4 6 8 100 122 1144 1166
εεaa//%%
图 1 不同应变速率下应力-应变关系（σ3 =100 kPa） Fig.1 Stress-strain relations at different strain rates
本文针对由真空抽吸制样技术制备的饱和黏 土，进行了应变控制的 UU 三轴剪切试验。在探讨 应变速率和围压对应力-应变关系和强度特性影响 的基础上，针对不固结不排水条件下饱和黏土的剪 切特性建立了双曲线经验模式，建议了通过试验确 定有关参数的简便方法，探讨了应变速率对剪切特 性及双曲线模型中有关参数的影响及其实用考虑方 法。
第8期
齐剑峰等：饱和黏土不排水剪切特性及双曲线模型
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τ /kPa UU、oPr/kPP/akPa
取应力-应变关系出现峰值或轴向应变达到 5 %时偏应力 1/2 作为不排水抗剪强度。将对应于 同一应变速率下的多个试验所得到的抗剪强度平 均，得到该应变速率下的平均抗剪强度。按照表 2 的试验组合所得到的平均剪切强度，如图 2 和表 3 所示。不排水抗剪强度和应力 Mohr 圆随应变速率 的增加而增大，当应变速率从 0.015 %/min 增至 3.75 %/min 时，不排水剪切强度从 11.3 kPa 增加为 19.5 kPa，增长幅度为 72.3 %，表明该黏土的抗剪 强度对应变速率的变化比较敏感。考虑到实测数据 比较离散，在双对数坐标系中分别以 0.015 %/min 及其相应的不排水强度为参考应变速率与参考强 度，对应变速率和不排水强度进行归一化处理，由 此所得到的归一化后实测不排水强度与应变速率之 间的经验关系近似为一条直线（图 3），采用下列 线性关系进行拟合：
第 29 卷第 8 期 2008 年 8 月
文章编号：1000－7598－(2008) 08－2277－06
岩土力学 Rock and Soil Mechanics
Vol.29 No.8 Aug. 2008
饱和黏土不排水剪切特性及双曲线模型
齐剑峰，栾茂田，王忠涛，聂 影，范庆来
（大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室/土木水利学院岩土工程研究所，大连 116024）
Abstract: A series of unconsolidated-undrained (UU) triaxial tests are performed in order to examine the effect of strain rate and confining pressure on strength and stress-strain behavior of reconstituted saturated clays. Strain rate is controlled to vary between 0.015 %/min and 3.75 %/min. It is found by comparing the experimental data that strength and stress-strain behavior are mainly affected by strain rate, however, they are almost independent on confining pressure. Undrained shear strength of the saturated clay increases with increase of strain rate; and the increase of 70 % of strength may be attained. An empirical correlation between strength and strain rate is proposed after a given normalization. Furthermore, the hyperbolic constitutive model of nonlinearity is recommended in order to take the effect of strain rate on the stress-strain relation into consideration; and the experimentally-based procedure for defining the parameters in the hyperbolic model is given. The model is verified through test data in the monotonic triaxial and torsional shear tests. Key words: saturated clays; strain rate; stress-strain relations; hyperbolic stress-strain model
⎛ lg ⎜
⎝
Su Sur
⎞ ⎟ ⎠
=
A
+
⎛ B lg ⎜
⎝
1前言
与砂土相比，黏土不仅表现出蠕变和应力松弛 特性，而且其变形与强度特性强烈地依赖于加载或 应变速率。早期，Richardson 和 Whitman [1]针对正 常固结黏性土，通过固结不排水试验（CU）探讨了 应变速率对抗剪强度参数与孔隙水压力发展规律的 影响。Sheahan 等[2]通过对波士顿兰黏土（BBC）的
表 1 黏土试样的物理性质指标 Table 1 Physical properties of the clay samples
密度 含水率 ρ /g⋅cm−3 w / %
1.95
29
比重 Gs
2.67
塑限 wp / %
18
液限 塑性指数 饱和度
wl / %
Ip
Sr /%
36
18
>98
用削样器将制备的土样加工成为圆柱状和空 心圆柱状试样，圆柱试样的直径和高度分别为 39.1 mm 和 80 mm。空心圆柱试样的内径、外径与 高度分别为 30，70 mm 与 100 mm。由计算机自动 控制的应变式三轴仪控制试验。为了对建议的双曲 线模型进行验证，采用扭剪试验设备分别控制围压 和应变速率，进行了少量试验，应变速率的变化范 围为 0.015∼3.75 %/min，应变速率和围压的组合试 验条件见表 2，由试样底部的孔压传感器测量孔隙 水压力的变化。