含水率对纯泥岩剪切特性影响的试验研究

储昊

【摘要】通过控制级配、干密度，研究纯泥岩对土体剪切特性的影响。试验设计纯泥岩含水率分别为0%、4%、8%、12%、17%，在法向应力分别为100kpa、200kpa、300kpa、400kpa条件下观测不同纯泥岩含水率的水平位移和竖向位移的变化情况，通过引入摩尔-库伦准则，分析不同含水率条件下，剪应力与水平位移的关系、抗剪强度的变化，得出剪应力随水平位移的增加而增大并趋于稳定且变化过程主要分为三个阶段弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段；发现随着含水率逐渐增大，抗剪强度指标上：粘结力呈抛物线增大而内摩擦角呈抛物线递减。

【关键词】剪切特性；纯泥岩；抗剪强度指标

中图分类号：TU 4

1、引言

由于纯泥岩大量存在于西部山区中，并且属于砂性土，而砂性土的状态随着含水量的变化而变化，为了研究不同含水率下土体剪切特性，找出哪种含水率条件下对土体的剪切性状影响最大。顾成权、孙艳[1]通过改变土体含水量、粘粒含量及压实度等参数，分析土体内聚力的变化情况，得出土体内聚力随含水量和粘粒含量比值的增大而减小并给出土体内聚力的变化方程；龙玉明[2]通过对不同含水率、孔隙比、不同砂含量的压实砂性土进行抗剪试验，研究含水率对抗剪强度指标c、φ值得影响情况，得出含水率对于粘结力c和内摩擦角φ均有影响，且粘结力和内摩擦角均随含砂量的增大而减小。本文通过控制级配、干密度等试验条件，研究纯泥岩含水率对土体剪切特性的影响。

2、试验设计

2.1试验材料

泥岩所处地层为三叠系上统须家河组。泥岩弱风化、呈紫红色。其中不均匀系数和曲线系数均在合理范围内，级配良好。

表1 泥岩的物理指标

Table1 Physical index of mudstone

天然密度（g/cm3） 饱和密度（g/cm3） 土粒比重Gs

泥岩 2.44 2.72 2.71

2.2试验仪器

试验仪器为现有应变控制式直剪仪。

2.3试验设计

本文中，综合考虑进行快剪试验，转速为12r/min，1r提供水平位移0.2mm。试验中测力计读数达到稳定值或有显著后退时，表示试样已经剪损；一般剪至4mm剪切变形，若测力计读数继续增加则剪切变形到结束为止，转轮每转动一圈对应记录下水平和竖直位移百分表读数。根据已有试验数据，选定固定干密度1.85g/cm3，含水率分别为0%、4%、8%、12%、17%，每种含水率进行4次试验，分别加载法向应力100kpa、200kpa、300kpa、400kpa。

3、数据分析

3.1应力-位移曲线随纯泥岩含水率的变化关系

根据试验数据，分别作出法向应力300kpa条件下，纯泥岩含水率别为0%、4%、8%、12%、17%的剪应力τ（kpa）关于水平位移λ（mm）的λ-τ关系曲线，如图1。由图可知，不同纯泥岩含水率条件下，λ-τ曲线趋势基本吻合。剪切过程主要由两个阶段构成：①弹性阶段，剪应力随水平位移的增大逐渐增大；②塑性阶段，在此阶段剪应力随水平位移的增大几乎不增加，这一阶段主要发生于含水率较低的含水率中；③破坏阶段，剪应力随水平位移的增加缓慢增加，并逐渐趋于稳定，土体发生破坏。

图2中，当纯泥岩含水率为4%时，可发现在塑性阶段存在水平段，即随着水平位移的增加，剪应力几乎不发生变化。考虑到土体抵抗剪切变形能力主要依靠土体自身的物质组成和结构[3-7]，即主要靠粘结力和内摩擦力。在剪切面相对位移时，首先克服土体与接触面间的粘结力，然后颗粒之间的摩擦阻力才起主要作用。

图1 λ-τ关系曲线

图2 低含水率条件下λ-τ关系曲线

3.2抗剪强度随纯泥岩含水率的变化分析

根据已知数据作点、拟合，得不同纯泥岩含水率条件下的法应力σ（kpa）和剪应力τ（kpa）的关系曲线σ-τ如图3。由拟合结果可看出，σ-τ存在良好的线性关系，且拟合直线中纯泥岩含水量4%时的拟合直线处于靠上位置；含水率12%时的拟合直线处于靠下位置。

引用摩尔-库伦准则：τ=c+σtanφ，其中c为土体的粘结力（kpa）；σ为施加的法向应力（kpa）；φ为土体的内摩擦角（°）。根据拟合参数反算出各纯泥岩含水率下的c、φ值，具体见表2。

图3 σ-τ关系曲线

表2 纯泥岩含水量与粘聚力、内摩擦角关系

纯泥岩含水率 粘结力c （kpa） 内摩擦角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，随着泥砂含水量w的逐渐升高，相应粘结力c逐渐增加的趋势而内摩擦角φ逐渐减小的趋势。以泥岩含量w为横坐标，粘结力c和内摩擦角φ分别为纵坐标，作点、拟合，发现随泥岩含量的增加，粘结力随之呈线性增长。但增加到一定程度及达到饱和含水率时趋于平稳；随着泥岩含量的增加，内摩擦角随之呈二次方递减，在泥岩含水量从0%增加至12%的过程中，此段的内摩擦角变化量占总变化量的15%。

4、结论

基于已有试验数据，一定级配、干密度条件下，通过对不同含水率条件下土体剪切特性的试验研究和数据分析，不同含水率对土体剪切特性的主要影响主要表现在在以下几个方面：

（1）土体剪切过程主要分两个阶段：塑性阶段和破坏阶段。纯泥岩含水率为4%时，可发现在塑性阶段存在一水平段，即随着水平位移的增加，剪应力几乎不增长。

（2）土体的抗剪强度根据摩尔-库伦准则；通过在不同含水率下对粘结力c和内摩擦角φ进行拟合，发现随着纯泥岩含水率增加，粘结力呈线性增大而内摩擦角呈二次方减小。

（3）在含水率4%时，土体抗剪强度最大；在含水率17%时，粘结力c最大；在含水率0%时，内摩擦角最大。

参考文献

[1] 顾成权，孙艳. 土体内聚力随含水量、粘粒含量及干密度变化关系探讨[J]. 水文地质工程地质. 2005（01）： 34-36.

[2] 龙玉民. 重塑砂性土cφ值影响因素研究[D]. 中南大学， 2012.

[3] 严耿升，张虎元，赵天宇. 改性黄土内摩擦角变化研究[J]. 粉煤灰. 2009（04）： 14-17.

[4] 张建民，侯文峻，張嘎，等. 大型三维土与结构接触面试验机的研制与应用[J]. 岩土工程学报. 2008（06）： 889-894.

[5] 张嘎，张建民，梁东方. 土与结构接触面试验中的土颗粒细观运动测量[J]. 岩土工程学报. 2005（08）： 903-907.

[6] 张嘎，张建民. 粗粒土与结构接触面的静动本构规律[J]. 岩土工程学报. 2005（05）： 516-520.

[7] 张嘎，张建民. 夹有泥皮粗粒土与结构接触面力学特性