Q_2黄土的非饱和直剪试验研究_申春妮

第6卷第4期地下空间与工程学报V o.l6 2010年8月Chinese Journal o fU nderground Space and Eng i neering A ug.2010Q2黄土的非饱和直剪试验研究*申春妮1,方祥位2,3,陈正汉2(1.重庆科技学院建筑工程学院,重庆401331;2.后勤工程学院建筑工程系,重庆401311;3.重庆交通科研设计院,重庆400067)摘要:改进了后勤工程学院研制的国内第一台非饱和土直剪仪,升级为四联非饱和土直剪仪。

四联非饱和土直剪仪极大的缩短了试验时间,提高了效率。

利用该仪器研究了原状、重塑非饱和Q2黄土的抗剪强度特性。

试验结果表明,在试验研究的吸力范围内,原状、重塑Q2黄土的凝聚力均随吸力线性增加,内摩擦角随吸力的变化较小,可以认为是一常数;吸力摩擦角较大,说明Q2黄土的抗剪强度受吸力变化影响较大,也即受含水率变化影响较大。

原状Q2黄土的抗剪强度大于重塑Q2黄土,随着吸力增大,结构性增强。

关键词:四联非饱和土直剪仪;Q2黄土;非饱和土;直剪;强度中图分类号:TU441文献标识码:A文章编号:1673-0836(2010)04-0724-05The Unsaturated D irect Shear T ests of Q2L oessShen Chunn i1,Fang X iang w e i2,3,Chen Zhenghan2(1.School of C i vil Eng i neering and A rchitect ure,Chongq i ng Universit y of Science and T echnology,Chongq i ng401331,Ch i na;2.D epart m ent of A rchitect ure and C i v il Eng i neering,Log istical Engineer i ng Universit y,Chongq ing401311,Ch i na;3.Chongq i ng C o mmun ications R esearch&D esi gn Institute,Chongq i ng400067)Abstract:The d irec t s hear appa ratus f o r unsaturated so il s developed i n Log isti ca lEng i nee ri ng U n i versity,Ch i na w as i m proved to quadrup l e t direct shear apparatus for unsatura ted so il s.T he quadruplet direct shear appa ratus o f unsatura ted so il s shortened the test ti m e.T he direct shear tests w it h contro lled sucti on we re conducted to st udy the shea r streng t h of unsaturated i ntact and remo lded Q2l oess usi ng i m proved quadruplet direct shea r apparat us o funsatura ted so il s.T he test results sho w t hat t he cohes i ons o f unsaturated i ntact and re m o l ded Q2loess have a li neari ncrease w it h t he i ncreasi ng of suction;but t he fr i c tion ang l es have little change w it h the change o f suc tion and thefr icti on ang l es of suction are big.T he shear strength are affected by suc tion or wa ter content.T he shear strength o funsatura ted i ntac tQ2loess are b i gger than unsa t urated remo lded Q2loess.The strength o f struct u re i ncreasesw it h thei ncrease in suc tion o f i ntact Q2loess.K eyword s:quadrup l et d irect shear apparatus fo r unsat urated so ils;Q2l oess;unsatura ted so i;l direct shea r;strength*收稿日期:2010-01-01(修改稿)作者简介:申春妮(1976-),女,陕西长安人,硕士,讲师,主要从事岩土力学与建筑材料研究。

E-m ai:l scn1999@ 基金项目:重庆市自然科学基金计划资助项目(CS T C,2009BB6174)1引言黄土是我国分布较广的区域性特殊土,按地质特征可分为Q1、Q2、Q3、Q4黄土[1]。

以往对黄土的研究主要集中在Q3、Q4地层中,对Q2黄土涉及较少;但随着经济的发展和科学技术的进步,特别是近年来西部大开发战略的实施,工程建设规模不断扩大,越来越多的工程将直接涉及到厚层Q2黄土。

例如,陕西蒲城电厂建筑地基主要由Q2黄土构成[2];大量黄土地区的隧洞直接穿越Q2黄土层等。

在以Q2黄土为主要地基对象的工程中,不断地认识到Q2黄土有别于Q3、Q4黄土的工程特性,但其研究工作尚未真正展开。

因此,对Q2黄土力学特性和工程性质等进行研究具有重要的意义。

Q2黄土属于典型的非饱和土,以非饱和土理论来研究黄土的基本特性已成为众多专家学者的共识,也逐渐成为研究黄土基本特性的一种趋势。

由于非饱和黄土性质的复杂性,要完全从理论上探究是十分困难的。

根据试验发现规律性的成果,然后通过理论加以解释,这是必要的途径。

庆幸的是为了探讨非饱和黄土的性质,许多学者进行了不懈的努力,研制出了形形色色的仪器设备[3],特别是非饱和土的核心变量)))吸力的测试精度取得了较大的进展,非饱和黄土试验研究取得了越来越多的成果。

陈正汉[4]、邢义川[5]、骆亚生[6]、胡再强[7]、方祥位[8]等都对重塑或原状非饱和黄土的力学特性进行了试验研究,取得了一批有价值的试验成果,有力的促进了非饱和土理论研究的深入和推动在实际工程中的应用。

但是上述试验研究成果主要以Q3黄土为研究对象,对Q2黄土几乎没有涉及。

本文改进了后勤工程学院研制的国内第一台非饱和土直剪仪,升级为四联非饱和土直剪仪。

利用改进的仪器对原状、重塑非饱和Q2黄土进行了控制吸力的固结排水剪切试验,研究了原状、重塑非饱和Q2黄土的抗剪强度特性。

2非饱和土直剪仪的改进文献[9]介绍了笔者参与研制的国内第一台非饱和土直剪仪,如图1所示。

该仪器有以下鲜明特色:(1)气压室座与气压罩两部分以粗螺纹联结,并用O型圈密封,装卸方便。

气压罩侧壁为有机玻璃筒,可以随时观察试验情况。

(2)荷载传感器内置,提高了量测精度。

(3)水平推力活塞杆及竖向压力活塞杆与气压室之间都采用滚动隔膜密封。

(4)备有15档剪切速率,可根据需要选用。

(5)有报警装置,剪切力与剪切行程自行设定保护功能。

(6)剪力曲线实时显示,便于查看与比较;数据可直接输出到Exce l表格,使转移、阅读、处理方便。

(7)价格低廉,约为国外同类产品的十分之一。

但由于用一台非饱和直剪仪完成一组试验的历时较长,因此升级为四联非饱和土直剪仪。

改进后的仪器照片见图2,除升级为四联外,还对局部进行了改进,比如用同步电机代替三相异步电机(减小噪声)、改进陶土板传统粘结方式(使维护、清洁方便)、增加了孔隙水压力量测功能、采用更可靠的传感器和调压阀等。

改进后的四联非饱和土直剪仪最大的优点是一次能做4个土样(相同吸力,不同压力的四个样),极大的缩短了试验时间,提高了效率。

图1后勤工程学院研制的非饱和土直剪仪F i g.1T he d irec t shea r apparatus f o r unsatura ted so ilsdeve l oped i n L og isti ca l Eng i neering U n i versity,Ch ina图2改进的四联非饱和土直剪仪F ig.2The i m proved quadrup l e t direct shear apparatusfor unsaturated so ils7252010年第4期申春妮,等:Q2黄土的非饱和直剪试验研究3土样与试验方法3.1土样试验用土采用陕西蒲城电厂J108孔中的黄土,取土深度16-19m,为L3土层,是典型的Q2黄土。

该土层主要岩性特征:红褐色,稍湿,硬塑,土质较均匀、密实,孔隙不甚发育,下部可见钙质结核。

土样的粒径分布曲线利用后勤工程学院先进的激光散射粒度分布分析仪LA-300得到的颗粒分布如下:粒径>0.05mm占0.55%,粉粒(0.05~ 0.005)占80.14%,小于0.005mm的粘粒含量占19.31%;颗粒组成以粉粒为主,粘粒含量相对于Q3黄土大。

土样的主要物性指标为:液限W L= 28.3%,塑限W P=18.4%,塑性指数I P=9.9,液性指数I L=0.3,相对密度2.72。

原状试样的制备采用常规的环刀法,试样的干密度为1.38~1.43g/c m3,初始含水率为18~ 19%。

重塑制样时,根据设计的试样干密度算出一个土样所需的湿土,用专门的加载设备把土料在试样模中压实,重塑土样的干密度控制为1.4g/c m3,初始含水率控制为18.5%。

试样的直径和高度分别为61.8mm和20mm。

3.2试验方法利用自行研制升级的四联FDJ)ZO型非饱和土直剪仪,对原状、重塑非饱和Q2黄土各进行了3组9个控制吸力的固结排水剪切试验。

试验中分别控制吸力和竖向应力为3个不同的定值,具体方案见表1。

试验过程包括固结和剪切两个阶段,由于非饱和土的渗透性很小,固结时间必须足够长,待其稳定后才能剪切,剪切速度必须较慢。

参照已有经验,本次试验变形的稳定标准取为每2h变形量不超过0.01mm,排水的稳定标准取为每2h排水量不超过0.012mm3,采用上述稳定标准,本次试验的固结时间一般为2d左右,剪切速率控制为0.0167mm/m i n。