高等土力学读书报告(顾建祥)

高等土力学读书报告
图 2-3 高压 K0 固结试验系统 Figure 2-3 K0 Consolidation System for High Pressure 固结仪底部安装一个微型土压力传感器，测量轴向加载后传递到土样最底端的荷载，如图2-4 所示。该土压力传感器直径8mm，长度10mm，测量范围0~12MPa，分辨率1kPa。通过该传感器的 测量，可以计算固结过程中钢筒内壁对活塞和土体的摩擦力，得到作用在土体上的实际荷载，从而 计算出真实的K0系数。固结仪底部的透水石需按照土压力传感器的安装位置钻出直径8mm的圆孔， 使传感器能够与土样直接接触。透水石下的底座需钻出孔隙水压力测量的通道，与安装在固结仪外 壁上的孔隙水压力传感器（如图2-5所示）连通。该孔隙水压力传感器的测量范围0~15MPa，分辨率 1kPa。土压力传感器和孔隙水压力传感器的参数如表2-2所示，满足试要求。 表 2-2 传感器参数 Table 2-2 Paramaters of Transducers 参数项目 量程 参考工作电压 零位输出 满量程输出 零位温度系数 灵敏度温度系数 非线性 重复性 迟滞 使用温度范围 土压力传感器 0~12MPa 6.000V -0.39mV 84.68mV 0.2 10-4/oC.FC 0.3 10-4/oC.FC 0.06%FS 0.05%FS 0.05%FS -40oC~+80oC 孔隙水压力传感器 0~15MPa 1.5mA -0.01mV 195mV 1 10-4/oC.FC 1.5 10-4/oC.FC 0.1%FS 0.1%FS 0.1%FS -10~+70oC
高等土力学读书报告 成 绩
中 国 矿 业 大 学
2014 级 硕 士研究生课程考试试卷
考试科目 考试时间 学生姓名 学 号
高等土力学读书报告 2015.06.21 顾建祥 TS14030155 力学与建筑工程学院 徐志伟
所在院系 任课教师
中国矿业大学研究生院培养管理处印制
高等土力学读书报告
《高等土力学》读书报告
图 3-1 过筛 Figure 3-1 Sieving Clay 2）配比拌和 泥浆试样通常按照1.25-1.5倍的粘土液限含水量进行配制[76]。 配置前的多次测试表明， 针对所研 究粘土，1.25倍液限含水量所制成的泥浆样流动性较差，会产生较明显的离析现象，并且抽真空后 的泥浆难以倒入制样器中。使用1.5倍液限含水量配制成的试样没有出现上述问题。该粘土的液限含 水量为51.88%，1.5倍液限含水量为77.82%。泥浆样的初始孔隙比为：
m V0 (1 w0 ) d
（3-3）
制备单个 39.1 55mm 试样所需风干土质量为62.68g， 所需蒸馏水质量为39.74g， 混合后单个 试样的质量为102.42g。 由于拌和过程以及真空饱和过程中会有部分泥浆粘在玻璃器皿的内壁上，为了计算方面，制样
高等土力学读书报告 时均按照2倍制样所需风干土质量和蒸馏水质量进行土、水混合。 将称量好的风干土倒入称量好蒸馏水的烧杯中拌合，如图3-2所示。倒入干土过程中要用玻璃棒 不断的搅拌，特别是干土将近要倒完时，泥浆较为粘稠，要少量多次地加速搅拌，防止土颗粒结团。
图 3-4 泥浆试样固结 Figure 3-4 Consolidation of Slurry Sample 5）取样 固结成形完成后，卸除加压砝码、托盘，取出有机玻璃制样器。对于做固结试验的试样，在制
高等土力学读书报告 样器的外部直接测量试样的高度，然后将试样从K0固结仪的上部推至固结仪中进行下一步的固结试 验。
0 引言部分
《应力水平对重塑深部粘土力学性质影响的试验研究》 利用自行研制的高压 K0 固结仪进行了从 0.25MPa 到 12MPa 范围内共 7 个压力等级的 K0 固结试验研究。试验结果表明：刚性侧限条件下， 侧壁摩擦力对 K0 系数的影响较大。 未考虑摩擦力影响的 K0 系数与固结压力呈指数关系， 扣除摩擦 力影响的 K0 系数与固结压力呈双折线的关系。压缩指数、K0 系数、孔压系数均在 1MPa 到 2MPa 轴向加载固结时产生较大的差异性，建议将 1~2MPa 作为所研究深部粘土的高低压分界点。变形小 于 0.005mm/h 的稳定标准对于高压固结不再适用。考虑孔压消散时采用孔压消散 95%作为稳定标准 较为合适；不考虑孔压消散时，低压下可以采用变形小于 0.005mm/h 或主固结完成作为稳定标准， 高压下采用主固结完成点作为稳定标准。 利用改进底座后的 GDS 三轴试验机进行了 0.3MPa、1.5MPa 和 2.5MPa 三个压力等级的 5 个固 结不排水剪切试验。试验结果表明：饱和粘土等向固结孔压消散完全时，主固结已经完成，且没有 次固结阶段。低压下试样剪切破坏后没有产生破裂面，为塑性破坏，表现应变硬化的特征；高压下 试样剪切破坏后均产生剪切破坏面，为脆性破坏，表现应变软化的特征。常规压力下的有效应力路 径和临界应力比不会受到试样固结的影响，高压固结后由于孔压系数的减小导致试样有效应力路径 的改变和临界应力比的减小不可忽略。饱和粘土固结后的反压饱和可以提高不排水剪切过程中的孔 压系数，对高压下饱和粘土的研究，固结前后均需要对试样进行反压饱和。 对三轴剪切试样的微观结构扫描与分析结果表明：泥浆试样中的微观颗粒主要以均匀的粒团形 式存在，粒团内还存在沉积历史中形成的层状结构。随着固结压力的增大，粘土粒团的表面逐渐形 成较多蒙脱土颗粒受挤压形成的弯曲絮状结构，说明固结压力对蒙脱土颗粒的形态影响较大。主应 力差对粘土颗粒水平方向的定向性不产生影响，对垂直剖面产生颗粒成层排列的效果，剪切面没有 明显的颗粒定向排列特性。 本读书报告则对其中的试验进行分析，指出其涉及的主要土力学问题及其中的创新性部分，并 对其进行总体评价给出建议。报告分析论文的内容包括： ⑴ 饱和粘土从常压至高压的直接剪切试验； ⑵ 饱和粘土从常围压至高围压的三轴剪切试验； ⑶ 直剪试验结果与三轴试验结果的对比； ⑷ 高压与常压下土力学性质的对比分析及机理分析；
（a）真空锥形瓶
（b）泥浆制样器
图 3-3 真空锥形瓶和泥浆制样器 Figure 3-3 Conical Flask for Vacuum and Implement for Slurry Sample
高等土力学读书报告 4）固结成形 泥浆抽真空饱和期间，可将泥浆固结加载架安装好。将不锈钢器皿放在加载架的下端托盘上， 并放置一块大于有机玻璃制样器直径的透水石于不锈钢器皿中央。有机玻璃制样器垂直放在透水石 上（保证制样器与透水石贴合紧密防止漏浆） ，盖上上部固定盖板，保证盖板卡住有机玻璃制样器的 外缘。安装加载托盘的固定夹和百分表。将与制样器内径相同的透水石和浸润的滤纸先后放入制样 器的下部。在不锈钢器皿中倒入蒸馏水，并保证水面超过透水石的高度。 将已准备好的泥浆缓缓倒入有机玻璃制样器中，如图3-3（b）所示。倾倒过程中要尽量避免泥 浆粘到有机玻璃制样器的内壁上。当一个试样质量的泥浆快要完全倒入有机玻璃筒的时候，要少量 多次的倒入泥浆，并多次称量所剩泥浆的质量，保证倒入有机玻璃筒中泥浆质量刚好为一个试样的 质量。如果倒入过量的泥浆，很难将泥浆倒回来，从而造成较大的误差。 单个试样质量的泥浆倒入制样器后，将一个直径与制样器内径相同的有机玻璃压头放入制样器 中。压头下端贴上直径相同并浸润的滤纸，方便固结成形后压头与试样分离。将加载托盘穿过上端 的固定夹， 压住有机玻璃压头。 将百分表放在加载托盘上， 记下初始读数。 在托盘上依次放上0.637kg、 1.275kg、1.275kg、1.275kg的砝码（对应荷载分别为5.2kPa、10.4kPa、10.4kPa、10.4kPa）进行固结。 加载时注意，当上一级荷载变形稳定后（小于0.005mm/h）再加下一级荷载。固结过程一般持续2-3 天时间，过程中要注意及时向下部不锈钢器皿中添加蒸馏水，防止器皿中水分大量蒸发后，影响底 部试样的饱和度。泥浆制样时，一般同时制备两个试样，防止装样时试样损坏耽误试验进度。泥浆 试样固结成形的过程如图3-4所示。
评论：
泥浆制样的优点是上下分布均匀，饱和度高。缺点是不仅制样过程繁琐、需要特殊设备，而且 预压时间较长。同时由于泥浆样流动性较差，会产生较一定的离析现象导致每一次预压好的泥浆样 高度和质量很难一样。 1.2 K0 固结及其存在问题 本试验研究目的是获得刚性侧向约束条件下，不同固结压力下重塑深部饱和粘土的固结变形特 性、孔压消散规律以及考虑侧壁摩擦和孔压消散影响的静止侧压力系数K0的变化规律。根据WG型 单杠杆三联固结仪的加载顺序和大小，结合试验研究的需求，轴向加载等级分别为： 0.25MPa 、 0.5MPa、1MPa、2MPa、4MPa、8MPa、12MPa七级。具体试验方案如下： 1）装样后，对试样进行预固结和反压饱和； 2）每一级加载前关闭排水阀门，待底部孔隙水压力稳定后打开阀门进行排水固结； 3）排水至底部孔隙水压力稳定不变，进行下一级加载。3.2.2 试验内容与步骤
图 3-2 泥浆拌和 Figure 3-2 Slurry Mixing 3）抽气饱和 泥浆拌和均匀后，倒入图3-3（a）所示的锥形瓶中，盖上橡胶塞。锥形瓶左侧出气口连接上真 空泵，上部进气口用止水夹夹住，打开真空泵连续抽气2小时。泥浆样在抽真空饱和过程中会产生少 量离析现象，这会对试样重量的称量以及试样的均匀性产生较大的影响。抽真空饱和2小时以后，反 复上下晃动锥形瓶以搅拌试样3-5分钟。在此过程中，注意保持真空泵为抽气状态，以免在搅拌过程 中有空气进入锥形瓶，影响试样的饱和度。同时要保持锥形瓶的侧口朝上，以免泥浆堵塞出气口。 搅拌后的试样要迅速进入下一步的固结成型过程，以免再次出现离析。
高等土力学读书ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ告
1 高压 K0 固结试验涉及的主要土力学问题
《应力水平对重塑深部粘土力学性质影响的试验研究》一文的利用自行研制的可考虑固结过程 中孔隙水压力消散、侧壁摩擦力影响的高压 K0 固结仪。 1.1 制样过程及存在问题 1）筛分 试验用土取自华东深厚表土层矿区某新建矿井地下525m处， 土样风干后经碾压并由橡皮锤击碎 后过1mm筛，以避免试样中存留较大的土颗粒，影响试样的均匀性。
——《应力水平对重塑深部粘土力学性质影响的试验研究》
顾建祥
（中国矿业大学 建筑工程学院，江苏 徐州 221008）
摘
要：经过一段时间土力学课程的学习，对土力学知识有了更好的理解，同时也产生了更浓
厚的兴趣。对《应力水平对重塑深部粘土力学性质影响的试验研究》一文内容进行阅读，通过读书 报告的形式将阅读后的一些想法总结出，这对于培养我对问题进行思考及评价的能力有非常重要的 意义。 关键词：重塑粘土试样；三轴试验；K0 固结；孔隙水压；剪切试验；扫描电镜；微观结构
e wsat d s =77.82% 2.715=2.113
设计干密度为：
（3-1）
d
ds 2.715 w 1.0 0.872 1 e 1 2.113
（3-2）
根据所测初始含水量 w0 、设计干密度 d 、试样尺寸，由公式3-3计算出制备土样所需风干土质 量。
评论：
（1）刚性侧向约束条件下侧壁摩擦较大，试样上下端受力不均，对 K0 的影响较大。 （2）由于中、高压下土样渗透系数变小、排水困难，相比于常压条件下其竖向固结变形发展缓 慢，常压下的固结稳定标准已不适用。 （3）高压固结需要的周期太长，解决上述问题，可以缩小试样的高度。 1.3 高压 K0 固结仪的设计存在问题 高压K0固结仪由固结压力室、加载系统和测量系统三大部分组成，如图2-3所示。固结压力室包 括：压力室底座，固结筒和固结压头三个部分。加载系统由WG型单杠杆三联固结仪组成，加载方 式为砝码瞬时加载。测量系统包括：孔隙水压力传感器、土压力传感器、竖向位移传感器、DT515 数据采集仪、压力-体积控制器、计算机以及相关的数据采集软件。该固结仪可对直径39.1mm，高 度30-50mm的试样进行最大12MPa的K0固结试验。