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昆明泥炭、 泥炭质土的力学特性研究 熊恩来1,阮永芬2,刘文连1 1. 中国有色金属工业昆明勘察设计院,昆明650051 ; 2.昆明理工大学建筑工程学院,昆明650224 摘 要昆明泥炭土作为一种特殊土类,其工程力学性质不同于一般粘土和有机质土,对这层土的力学特性的研究 具有重要的理论意义和实用价值。通过对昆明泥炭、 泥炭质土进行三轴不固结不排水、 固结不排水剪切试验,得到 在不同围压下的轴向应力、 轴向应变和孔隙压力等参数之间的关系,以及土样的破坏形态。作为一种特殊土,其应 力应变关系,孔隙压力与应变关系是否存在归一化性状值得研究。 关键词泥炭,泥炭质土,力学特性,力学实验,应力与应变关系,归一化性状。 中图分类号TU457 文献标识码 B 文章编号 10042315220060120053204 昆明盆地由于阳光充足,水温适宜,又有湖泊、 河流、 洼地等地貌条件,有利于水生、 湿生植物的生 长蔓延,向沼泽化辟落发展,所以泥炭、 泥炭质土的 分布,是有其地区特点的。现建设现代新昆明,有许 多建筑必须建设在这样的地基土上,因此,有关昆明 泥炭、 泥炭质土工程特性及工程应用的研究,具有十 分重要的理论意义和实用价值[1]。近年来,有关这 类土的工程性质及其本构关系的研究,已经取得了 一些有益的成果[2～3]。泥炭、 泥炭质土作为地质介 质,是在漫长的地质作用过程中的产物,不同于一般 的连续固体介质,具有多孔性的特点,即孔隙比大、 含水量丰富、 压缩性高、 有机质含量高等,呈多级团 粒结构特征;其力学性质受结构特性、 应力历史、 应 力条件和排水条件及各种物理化学因素的影响;土 的变形和强度有机地联系起来,作为应力应变发展 过程来考虑,若土的应力应变关系存在归一化,那 么,其强度、 孔压和应力路径也必定存在归一化。 1 泥炭、 泥炭质土的基本物理力学性 质 本实验使用的土是云南省昆明市中国有色金属 工业昆明勘察设计研究院某岩土工程勘察的土样, 其土样基本物理力学性质指标见表1。土的分类按 文献[4]。 表1 基本物理力学指标 土的分类 孔隙 比e 比重Gs g/ cm3 天然密度 ρg/ cm3 含水量 ω 有机质含 量ωu 液限 ωL 塑限 ωp 液性指 数 I p 塑性指 数 I p 压缩模量 EsMPa 压缩系数 a1～2MPa21 泥炭质土2. 581. 971. 0260347. 104803301. 821501. 409.81 泥炭质土5. 881. 771. 0832051. 902881631. 261251. 007.16 泥炭质土5. 501. 771. 1030452. 802861831. 171031. 086.04 泥炭8. 291. 631. 0348763. 004713061. 101650. 6314. 69 粘土1. 042. 661. 803844260. 67183. 000.68 有机质土1. 652. 521. 55637. 4062351. 04272. 401.10 由表1可知,昆明泥炭、 泥炭质土与一般粘土、 有机质土相比,有以下特点 1孔隙比很大,一般在2～3左右,大的可以达 到8以上。 2含水量高,一般在300 左右,大的可以达 到600 。比重较一般粘土、 有机质土轻,在1. 80 g/ cm3左右。 3有机质含量在50 左右,液限和塑限很大, 收稿日期 2005201225 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 压缩性很高。 2 实验研究 2. 1 土样、 实验仪器及实验方法 本次实验的土样为昆明泥炭原状土,取自昆明 市某工程,由昆明市有色金属勘察设计院提供。本 实验对试样进行了不固结不排水、 固结不排水实验。 本次实验的仪器为南京土壤仪器工程公司生产的 TSZ3. 0～2. 0台式三轴仪。实验过程采用应变控 制,轴向应变速率为0. 4 mm/ s ,当土样应变量达到 15 或剪切破坏时,即结束实验。在土样的不固结 不排水和固结不排水三轴剪切实验中,围压分别采 用50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa四种。 2. 2 实验结果及分析 根据实验的测试数据,得到昆明泥炭、 泥炭质土 在不同围压下的应力与应变关系曲线,孔隙压力与 应变关系曲线,有效应力比与应变关系曲线,见图 1、2、3、4。 图1 UU实验应力与应变关系曲线图 图2 CU实验主应力差与应变关系曲线图 图3 CU实验孔隙压力与应变关系曲线图 图4 CU实验有效应力比与应变关系图 1由图1可知,进行不固结不排水实验,当围 压为50 kPa、100 kPa、200 kPa时,土样破坏时应变 约为7 ;当围压为400 kPa时,土样破坏时应变约 为9 。 2由图2可知,在围压为50 kPa、100 kPa的 情况下,固结不排水土样的偏应力有明显的峰值,相 应的应变大约为12 ,应力～应变曲线呈现弱软化 型,应力随应变的增大而增大。而围压为200 kPa、 400 kPa的情况下,大约为16 ,应力～应变曲线呈 现弱硬化型,在400 kPa围压下,开始应力随应变变 化很大,当应变达到12 时变化有所减弱。 3由图3、4可知,孔压～应变呈双曲线关系, 孔压随应变的增大而增大,随围压的增大而增大。 有效应力比～应变大约呈线性关系,有效应力比随 应变的增大而增大,随围压的增大而减少,没有明显 的峰值。 2. 3 土样的破坏形态 各种土样在固结不排水和不固结不排水三轴剪 切实验后的破坏形态为 1固结不排水中的大多数土样呈中鼓破坏,有 少量的弯曲和腰鼓型破坏,没有明显的剪切带。 2不固结不排水试样多数无明显的破坏特征, 少量有明显的剪切面,剪切面和水平面的夹角约为 60度。 3剪切过的土样干缩现象严重,经过一个月以 后,由原来高6 cm～7 cm ,直径4 cm ,变成高为4 cm ,直径为2. 5 cm。体积变为原来的四分之一。 3 归一化性状研究 康德纳kondner提出应力应变关系呈双曲线 形式,其方程形式为 σ1-σ3 ε a bε 1 归一化采用的应力一般有两种[5] 1用围压σ3进行归一化 45土 工 基 础 2006 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. σ1-σ3 σ3 ε A1 B1ε 2 满足归一化条件,必须是C 0;φ const。 2用平均固结压力σmσ 1 2σ3 3 进行归一化 σ1-σ3 σm ε A2 B2ε 3 满足归一化条件,必须是C 1 2σ 3tanφ,φconst。 若昆明泥炭、 泥炭质土应力应变关系曲线存在归一 化性状,对于不排水实验,孔隙水压力增量Δu可以 用剪应力q σ1-σ3或者平均主应力归一化。 3. 1 偏应力与应变的归一化曲线及方程 以平均主应力P 1 3 σ’12σ’3作为归一化应 力,对偏应力与应变关系曲线进行归一化处理,获得 固结不排水实验下的偏应力与应变的归一化曲线, 见图5、 图6。 图5 CU实验η ～ ε1关系曲线 图6 CU实验ε1/η ～ ε1关系线 图5表明在固结不排水实验中,不同围压下经 归一化处理后各个实验点离散程度比较大,并不能 很好的归一化。 图6表明在相同围压下,偏应力与 剪应变关系可以归一化为一条直线,在围压为50 kPa、100 kPa、200 kPa时归一化直线相差不大;而 围压为400 kPa时,与之相差比较大,说明归一化后 的偏应力与剪应变关系与固结压力有关。从图7可 知,不同固结压力下,归一化的各个实验点不能归一 化为一条直线,但是在不同围压下,ε1/η ～ ε1关系线 基本上呈直线。其归一化直线方程可为 ε1 η A Bε14 归一化的A、B参数见表2,表中R2为决定系 数,是回归平方和与总离均差平方和之比,R2 SS回 SS总 ,系数越大回归模型越好,即直线拟合就越 好[6]。 表2 偏应力与应变归一化参数表 固结不排水实验 固结压力50kPa100kPa200kPa400kPa A10221.853.023.934.44 B0.450.460.520.70 R20. 9910. 9810. 9350. 995 3. 2 孔隙压力增量与剪应变的归一化曲线及方程 Skempton 1948 ,1954 提出的孔隙压力方 程[7～8] △u B[Δ σ3 A Δ σ1-Δ σ3 ] 5 式中Δ σ1和Δ σ3分别为附加的大、 小主应力, A和B 为孔隙压力系数或参数,当土样完全饱和时,B 1。 研究表明,在不同围压下的孔隙压力增量与剪 应变关系的归一化曲线 △u/ p～η,在不同围压下归 一化处理后相差较大,见图7。由图8可知孔隙压 图7 Δ u/ p～ η关系曲线 图8 CU实验Δu/ p ～ ε 1关系线 力经归一化处理后的 △u/ p ～ ε 1可以用统一的表达 式表示。经研究表明,孔隙水压力增量用偏应力进 55 第1期 熊恩来等昆明泥炭、 泥炭质土的力学特性研究 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 行归一化的效果不是很好。在不同围压下孔隙水压 力增量与剪应变关系用平均主应力进行归一化分 析。归一化的孔隙水压力增量与剪应变关系呈直线 关系,其归一化直线方程可写为 Δu p C Dε16 归一化后的参数C - 0.03, D 7, R2 0.976。其中R2为决定系数,系数越大回归模型越 好,即直线拟合就越好。 4 结论 1昆明泥炭、 泥炭质土孔隙比大,含水量大,压 缩性高,有机质含量高等特点。 2含水量随着比重的增大而减少,随着有机质 含量的增加而增大。 3CU实验时昆明泥炭、 泥炭质土的应力、 孔 压与应变关系呈双曲线形式。在50 kPa和100 kPa 围压下应力与应变呈应变弱软化型;在200 kPa和 400 kPa围压下应力与应变呈应变弱硬化型。 4CU实验时,土样破坏形态大多数呈现出中 鼓,有少量弯曲和腰鼓型,无明显剪切带。 5剪切过后的土样,干缩现象严重。经过一个 月以后,体积变为原来的四分之一。 6实验用的原状土的归一化性状,按平均有效 应力归一化的应力应变关系,在同一围压下可以归 一成一条直线,孔隙压力与应变在不同围压下可归 一为一条直线。 参考文献 [1] 阮永芬,刘岳东等.昆明泥炭与泥炭质土对建筑地基的影响 [J ].昆明理工大学学报,2003 ,33 . [2] 黄俊.南昆线七甸泥炭土的工程岩土力学特性[J ].路基工程, 19996 . [3] 黄俊.南昆线七甸泥炭土的研究新技术及方法[J ].路基工程, 19996 . [4] 中华人民共和国建设部. GB50021 - 2001.岩土工程勘查规范 [S].北京中国建筑工业出版社,2002. 138～139. [5] 孙岳松,濮家骝,李广信.不同应力路径对砂土应力-应变关系 影响[J ].岩土工程学报,1987 ,96 . [6] 宇传华,颜杰. Excel与数据分析[ M].北京电子工业出版社, 2002. [7] Skempton , A. W. 1954 , The Pore2Pressure Coefficients A and B[J ]. Geotechnique , No. 4 ,143. [8] 曾国熙.正常固结粘土不排水剪切的归一化性状[M].曾国熙 教授科技论文选集 编委会.曾国熙教授科技论文选集.北京 中国建筑工业出版社,1997. Experimental Study and Analysis of Normalized Behavior on the Mechanical Characteristics of Peat 2. College of Architectural Engineering , Kunming University of Science and Technology , Kunming 650224 , China Abstract The peat peaty soil in Kunming is a kind of special soil , its physical and mechanical properties are different from usual clay or organic soil. Research on the mechanical characteristics of the stratum is of significance in both theory and in prac2 tice. In this paper , the mechanical characteristics of the peat peaty soil in Kunming were studied using the unconsolidated2 undrained triaxial shear tests and the consolidated2undrained triaxial shear tests under various confining pressure states. The re2 lationship among axial stress , axial train and pore water pressure of the clay and the peat and peaty soil and the failure shape of soil sample were obtained as a special soil , its normalization is worth of further research. Key words the peat and peaty soil , mechanical Properties , mechanical test , relationship between strain and stress , normalized behavior 65土 工 基 础 2006 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.