GEOFLUIDS Geofluids 1468 - 8123 1468 - 8115 Hindawi 10.1155 / 2021/6527788 6527788 研究文章 高剪切率对饱和黄土的剪切行为利用环剪试验 https://orcid.org/0000 - 0001 - 6409 - 1448 马 Jianquan 1 2 赵 小姐 1 https://orcid.org/0000 - 0002 - 5637 - 4920 李 世博 1 https://orcid.org/0000 - 0002 - 8200 - 1669 段 赵 1 张 Zhongqiong 1 地质与环境学院 西安科技大学 西安710054年 中国 xust.edu.cn 2 重点实验室的青藏高原北部地质过程与矿产资源 青海地质调查研究院 西宁810012 中国 2021年 11 9 2021年 2021年 17 6 2021年 3 8 2021年 26 8 2021年 11 9 2021年 2021年 版权©2021马Jianquan et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

饱和黄土的剪切行为进行了一系列的环剪试验与不同的剪切率。剪切率的影响饱和黄土的剪切行为提出了不同的法向应力和讨论。结果表明,峰值抗剪强度和稳态剪切强度更大,当剪切速率很低,反之亦然。与高、低剪切率相比,最大强度降低峰值抗剪强度和稳态剪切强度的比率分别为34.2%和37.2%,分别。在剪切测量的轴向位移,被发现在所有测试增加随着剪切位移。比较样本高度减少(剪切速率时停止)发现,低剪切速率测试样本进行了更大的减少比高剪切速率测试样本;然而,减少变异范围在4毫米。监测在剪切过程中孔隙水压力显示,它与剪切位移增加,和更高的超孔隙水压力在fast-shearing剪切带内产生的过程。比较后的样品的粒度分布测试和原样品表明,颗粒在剪切过程中碎。细的百分比比0.005毫米与剪切率和法向应力增加,土壤结构内爆随着法向应力变得更加明显。

 陕西省自然科学基础研究计划 2017年jq4019 重点实验室的青藏高原北部地质过程与矿产资源 2019 - kz - 01 中国国家自然科学基金 42177155 41907255 41602359 1。介绍

黄土flowslide在黄土高原是一个重要的灾害类型,和各种因素可以引起山体滑坡 1, 2]。黄土滑坡有高速和长跳动的特点( 3, 4]。一般来说,峰值抗剪强度的快速减少滑带土的残余抗剪强度是高速滑坡的机制( 5]。滑带土的残余强度可以测量使用剪切逆转,三轴压缩和剪切环测试。与逆转直剪和三轴压缩试验相比,环剪切测试被优先用于确定土的残余抗剪强度,由于剪切的能力无限的位移 6- - - - - - 8]。许多因素,如剪切速率、含水率、表面粗糙度,整合状态,和温度,影响残余土壤强度的大小( 9- - - - - - 16]。在这些因素中,强度的损失造成的剪切速率(大于100毫米/分钟)解释了高获得滑坡速度( 17, 18]。

从文献中发现的高剪切率方面,饥饿和Morgenstern [ 19)确定完美的摩擦行为中观察到所有剪切测试剪切率的16.0厘米/秒和98.2厘米/秒,而没有受剪切速率或法向应力的影响。Sassa和福冈 20.)发现,摩擦角变化从-3.2°的粒状材料在不同的剪切率为0.01 + 3.7°cm / s - 100 cm / s。对粘土材料,剪切速率对测试结果的影响不同于颗粒材料。Tika et al。 21)确认三种类型的比例对剩余强度的影响:积极率效应(快残余强度高于慢残余强度),中性利率效应(常数快残余强度等于慢残余强度),和一个负率效应(显著下降快残余强度低于慢残余强度剪切率高于临界值时)。Tika和哈钦森 18)发现粘土样品显示力量的重大损失,60%以下的缓慢的残余强度,当剪切速率大于100毫米/分钟。丽安et al。 8]还发现残余强度的差异和样品剪切率1 - 3牧师/分钟。

大多数以前的研究已经研究了饱和土的残余强度或液化行为和沙子或粒状材料使用环剪切测试( 22- - - - - - 27]。然而,除了少数的研究( 6, 8, 28),有相对有限的研究饱和黄土的剪切行为使用环剪试验。探索饱和滑移区黄土的剪切行为与高剪切率(大于100毫米/分钟)和不同法向应力使用环剪切测试很少进行岩土的文学。

在目前的研究中,从滑带饱和黄土的剪切行为被执行了一系列环剪试验与不同的剪切率为滑坡机理分析提供有用的信息。首先,峰值抗剪强度,稳态剪切强度、高度减少样本,和孔隙水压力进行了分析,讨论了剪切率下131年,262年,100年和393毫米/分钟和正常压力,200和300 kPa。然后,不同的剪切率的影响和正常压力粒子大小和压制讨论了利用粒度分布(PSD)后的样品测试。

 2。材料和方法 2.1。样本特征

黄土测试来自南部旌阳区平台中国黄土高原东南边缘(图 1)。大约50涉及黄土滑坡flowslides和黄土滑坡发生自1976年灌溉这个平台开始( 29日, 30.]。现场调查表明,滑坡的滑动面在第四纪黄土沉积地层(主要是发达国家 31日]。因此,黄土样品收集相邻地层的Miaodian滑坡泾阳平台的网站( 32]。

取样的位置和地图的山体滑坡。

表中列出的物理性质 1按ASTM国际过程得到。样品的自然含水量为7.4%,干密度是1.48克/厘米<年代up>3。样品的液限和塑限分别为26.4%和16.1%,分别;因此,计算塑性指数为10.3。根据ASTM D2487 [ 33),土壤分类是精益粘土(CL)。使用Bettersize2000 PSDs的样本测量激光粒度分析仪(Bettersize仪器有限公司,中国),如图 2。PSD测量设备的最小分辨率为0.02 μ米,使用的测量原理是米氏散射理论。有效的大小( D 10 )是0.8 μ米, D 30. 值(直径对应于30%细材料)为6.7 μ米, D 60 值(直径对应于60%细材料)为19.3 μm。粘土含量( 粮食 大小 < 0.005 毫米)的样本为24.8%,淤泥的内容( 粮食 大小 = 0.075 mm - 0.005毫米)是73.4%,含砂量( 粮食 大小 > 0.075 毫米)为1.8%。

样本的属性。

土壤特性 值
天然含水量(%) 7.4
干密度(g∙厘米<年代up>3) 1.48
特定的重力, G 年代 2.71
液限(%) 26.4
塑性极限(%) 16.1
塑性指数 10.3
统一的土壤分类系统 CL

样品的粒度分布( D 10 , D 30. , D 60 相对应的粒子大小的10%,30%,和60%细材料累积粒度分布曲线,分别)。

 2.2。试验装置和程序

环剪仪生殖芽细胞肿瘤srs - 150使用在目前的研究中,可以应用剪切率从0.001到360度/分钟不断没有反对复制真实的现场应变率在失败。设备可以接受150毫米外径,内径100毫米,30毫米高度环形标本(98厘米<年代up>2有效样本区域)。

重塑样本准备环剪试验。样品风干,压碎,经过2毫米筛。然后,蒸馏水喷洒在土壤渗到含水率为31%(几乎饱和含水量)。和样品所需的水分是保存在一个塑料袋和放置在一个密封的护发素大约48小时获得均匀性。重组样本均匀地填充在剪切框用抹刀和压实测试系列。样品的剪切盒的干密度维持在1.4克/厘米<年代up>3。在剪切之前,固结压力将一次性加载。整合的标本持续了至少24小时,直到轴向结算率< 0.01毫米/分钟。

环剪试验程序如表所示 2。单级环剪试验过程在排水条件之后。九环剪试验进行了在正常压力的100年,200年,120年和300 kPa和剪切率,240年,360度/分钟(131、262和393毫米/分钟)在目前的研究。

环剪试验程序的黄土样品。

剪切速率(度/分钟(毫米/分钟)) 正常应力水平(kPa) 剪切方法
One hundred. 200年 300年
120 (131) RS_1 RS_2 RS_3 单级剪切
240 (262) RS_4 RS_5 RS_6 单级剪切
360 (393) RS_7 RS_8 RS_9 单级剪切
3所示。结果和分析

在测试系列,所有样品都剪切位移的400毫米。这里给出的测试说明了剪切速率对饱和黄土的剪切行为的影响在不同的正常压力。的影响是清楚的看到测试结果。所有测试结果总结在表 3。

环剪试验结果的总结。

测试数量 剪切条件 剪切状态值
剪切速率(毫米/分钟) 正应力(kPa) τ p (kPa) τ 年代 (kPa) u p (kPa) h 一个 (毫米)
RS_1 131年 One hundred. 63.3 57.5 6.20 2.031
RS_2 131年 200年 114.5 109.1 7.00 2.722
RS_3 131年 300年 172.7 167.0 7.74 3.541
RS_4 262年 One hundred. 56.6 50.6 7.50 1.392
RS_5 262年 200年 101.5 92.6 7.92 2.107
RS_6 262年 300年 149.2 128.1 8.32 2.826
RS_7 393年 One hundred. 49.4 36.1 9.30 1.257
RS_8 393年 200年 79.3 68.2 9.79 1.922
RS_9 393年 300年 113.7 104.5 11.50 2.372

τ p :峰值抗剪强度; τ 年代 :在稳态剪切强度; u p , h 一个 :孔隙水压力和轴向位移剪切时停止。

结果在剪切率的131、262、和393毫米/分钟数据所示 3- - - - - - 5,轴向位移、孔隙水压力和剪切强度是绘制在不同的剪切速率与剪切位移。

环剪切测试的结果剪切速率为131毫米/分钟。

环剪切测试的结果剪切速率为262毫米/分钟。

环剪切测试的结果剪切速率为393毫米/分钟。

轴向位移与剪切位移(图逐渐增加 3(一个))。轴向位移响应几乎是相同的其他剪切速率测试(人物 4(一)和 5(一个))。法向应力越大,轴向位移越大。然而,在相同的法向应力,剪切速率越高,轴向位移越低。所有测试的最后一个轴向位移不超过4毫米。同样的现象发生在先前的研究中残余强度的样本Shikou滑坡区,日本,和一个示例Krishnabhir滑坡区,尼泊尔,利用环剪试验( 9]。

一般来说,在一个缓慢的剪切试验在排水条件下,孔隙水压力消散,假定为零( 9, 34]。然而,在这个高速剪切试验,超孔隙水压力没有完全消散。超孔隙水压力逐渐增加,剪切位移(图 3 (b))。超孔隙水压力的反应几乎是相同的其他剪切速率测试(人物 4 (b)和 5 (b))。预固结后,虽则孔隙水压力增量不同正常压力下是相同的。

数据 3 (c), 4 (c), 5 (c)显示抗剪强度之间的关系,法向应力和剪切速率与剪切位移的进步。所有的抗剪强度曲线显示“hardening-stabilizing”的过程。正常压力低(100 kPa)时,剪切率对峰值抗剪强度几乎没有影响和稳态剪切强度。例如,剪切速率的峰值抗剪强度393毫米/分钟49.4 kPa,和这个值是63.3 kPa的剪切率131毫米/分钟,只有13.8 kPa的区别。然而,在高正应力(300 kPa)的差异之间的峰值抗剪强度高、低剪切率是59 kPa。因此,正常越高压力越大,剪切速率对剪切强度的影响。

 4所示。讨论 4.1。对峰值抗剪强度和稳态剪切强度的影响

的峰值抗剪强度和稳态剪切强度是绘制在图 6剪切速率。峰值抗剪强度和稳态剪切强度都较高,当剪切速率很低,反之亦然。解释为什么强度随剪切速率增加而降低,强度降低率(SRR)计算,即在不同的剪切强度的比值差异率在低剪切速率的力量。当剪切速率增加到393毫米/分钟,从172.7 kPa峰值抗剪强度下降到113.7 kPa样本与正常压力300 kPa, SRR是34.2%(图 6(一))。然而,对于样本与正常压力100 kPa, SRR是22.0%。因此,剪切速率显著影响样品的峰值抗剪强度高正应力相比,较低的样品正常压力。相对于峰值抗剪强度、剪切速率对稳态剪切强度的影响更一致的样品用不同的正常压力,SRR是37.2%(图 6 (b))。

(一)峰值抗剪强度和(b)稳态剪切强度和剪切速率。

 4.2。失败的结果

如数据所示 3- - - - - - 6,每个样本都经历了一定数量的减少剪切破坏后抗剪强度,不同的不同样本在不同的测试。在这里,脆性指数( 我 B )[ 35, 36)是用于分析不同样品的剪切破坏的结果。 我 B 定义如下: (1) 我 B = τ p − τ 年代 τ p , 在哪里 τ p 峰值抗剪强度(kPa)和 τ 年代 在稳态(kPa)抗剪强度。

之间的相对价值分析失败后的峰值抗剪强度和抗剪强度,最小剪切强度的稳定状态是用来计算 我 B 为每个测试。 我 B 值获得不同法向应力测试是绘制在图 7剪切速率。在所有的测试中, 我 B 剪切速率增加而增加。然而, 我 B 样品与正常压力的300 kPa和剪切速率的393毫米/分钟在该地区没有一个明显的趋势变化与剪切速率的变化,可能由于增加了孔隙水压力(图 5 (b))。此外, 我 B 样本与正常压力100 kPa通常大于其他人。因此, 我 B 增加而增加剪切速率(法向应力测试低范围内)。然而,对于混合样品的硅砂黄土和黄土的内容10%重量, 我 B 减少与剪切速率的增加 36]。

脆性指数和剪切速率。

 4.3。对高度减少样本的影响

在整个剪切过程中,轴向位移(减少样本高度)继续增加(数据 3(一个), 4(一), 5(一个))。减少样品的高度(剪切停止时)对剪切速率图绘制 8。比较样本高度减少所有的测试发现,低剪切速率测试样本进行更大样本高减速比高剪切率的测试样本。例如,示例RS_3剪切速率的降低131毫米/分钟表现出更大的样本比RS_9高度,由于更大的孔隙水压力消散的剪切带在低剪切率;然而,减少的变化范围在4毫米。

剪切速率和减少样本高度剪切后停了下来。

 4.4。对超孔隙水压力的影响

超孔隙水压力生成和消散在剪切框同时发生。因此,如果孔隙水压力产生率超过了耗散率,积极的超孔隙水压力是建立在剪切带内。图 9描述了超孔隙水压力的变化与剪切速率的增加剪切后停了下来。更高的超孔隙水压力产生快速剪切过程中剪切带内由于耗散依赖于时间,而生成依赖于剪切位移,正应力和剪切速率。当其他条件不变,更快的剪切速率会导致更大的剪切位移在短时间内,生成和更大的超孔隙水压力,随后导致抗剪强度降低。排水路径生成的超孔隙水压力的剪切带可能是大约15毫米(上面的样品的厚度剪切带)的环剪仪,而在该领域可能的顺序米( 1]。剪切带,一个长的排水路径延迟孔隙水压力的消散,促进形成剪切带内的超孔隙水压力( 36]。

剪切速率与剪切停止后孔隙水压力。

 4.5。对粒径的影响

确定剪切速率和正应力的影响样品的粒度,PSD分析后进行样品测试,结果如图 10。从三个方面分析:PSD曲线参数,晶粒尺寸的百分比,和谷物压碎。

测试后样品的粒度分布。

 4.5.1。PSD曲线参数

一些参数确定的PSD曲线表中列出 4,包括 D 10 , D 30. , D 50 , D 60 。有效的大小( D 10 )是一个很好的测量估算土壤水力传导率和排水通过( 37从0.80)和减少 μ0.31米(原样) μ米(样本300 kPa的法向应力和剪切速率的393毫米/分钟)。平均大小( D 50 )从14.51下降 μ11.68米(原样) μ米(样本300 kPa的法向应力和剪切速率的393毫米/分钟)。

粒度分布分析的总结。

样品 PSD曲线参数( μ米) 晶粒尺寸比例(%)
D 10 D 30. D 50 D 60 沙子 淤泥 粘土
最初的样品 0.80 6.70 14.51 19.29 1。8 73.4 24.8
RS_1 0.41 5.27 13.13 17.76 0.5 70.3 29.2
RS_2 0.37 4.71 12.12 17.15 0.7 68.5 30.8
RS_3 0.35 4.06 11.85 16.39 0.2 67.1 32.7
RS_4 0.39 4.98 12.36 17.51 0.4 69.5 30.1
RS_5 0.36 4.66 12.67 17.33 0.5 68.6 30.9
RS_6 0.31 3.63 11.76 16.42 0.3 66.1 33.6
RS_7 0.37 4.73 12.78 17.38 0.5 68.7 30.8
RS_8 0.36 4.43 12.09 16.56 0.3 67.8 31.9
RS_9 0.31 3.24 11.68 16.48 0.2 65.4 34.4

D 10 , D 30. , D 50 , D 60 相对应的粒子大小10,30岁,50岁和60%细累积粒度分布曲线,分别。

 4.5.2。晶粒尺寸比例

基于PSD曲线,沙子,淤泥,粘土颗粒大小和确定,如表所示 4。粘土比例从24.8%上升(原样)34.4%(样本300 kPa的法向应力和剪切速率的393毫米/分钟),和淤泥(原始样品)的73.4%,下降至65.4%(样本300 kPa的法向应力和剪切速率的393毫米/分钟)。因此,剪切速率和正常压力对晶粒尺寸的影响很大,在高剪切率造成泥级粒子的比例更高。

 4.5.3。颗粒破碎

结果在表 4和粘土颗粒大小的百分比的增加意味着土壤结构内爆和破碎成为更加明显随着法向应力和剪切率。脆弱的地区的土壤颗粒,正常压力会导致土壤颗粒变得粉碎,而剪切应力导致土壤颗粒成为碎(图 11),这可能会增加的原因在粘土颗粒大小的百分比( 38]。这种现象也被证明在沙子上使用环剪试验样品( 39, 40]。

示意图说明粮食破碎和高度降低。

 4.6。对摩擦角的影响

动员摩擦角的最重要的因素是土壤预测滑坡运动( 20.]。对于上述样品,摩擦角测定用莫尔-库仑破坏准则。图 12显示了摩擦angle-normal应力和剪切速率的关系。摩擦角的测试样品的剪切速率为29.9°131毫米/分钟;然而,当剪切速率增加到393毫米/分钟,摩擦角下降到19.1°。因此,随着剪切速率的增加,摩擦角降低。40滑坡的研究在研究区,明显的摩擦角(反正切坡高和滑动距离之间的关系)大约是20°( 32]。

摩擦角和剪切速率之间的关系。

 5。结论

进行了一系列的环剪试验研究饱和黄土的剪切行为与剪切率131,262和393毫米/分钟。根据测试结果,剪切率的影响部分排水条件下剪切行为进行了讨论。得到了以下结论:

峰值抗剪强度和稳态剪切强度都相对更大的剪切速率较低时,反之亦然。基于剪切速率、最大SRR的峰值抗剪强度和稳态剪切强度为34.2%和37.2%,分别

我 B 增加而增加剪切速率(法向应力测试低范围内)。此外, 我 B 样品100 kPa的正应力大于其他人

低剪切速率测试样本进行更大样本高减速比的高剪切速率测试样本;然而,减少的变化范围在4毫米

更高的超孔隙水压力生成快速剪切过程中剪切带内

与原样品的PSD相比,PSD的样品测试后显示,粘土含量显著增加。土壤颗粒在剪切过程中碎,和土壤结构内爆变得更加明显增加正常压力

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 确认

这项工作得到了国家自然科学基金(格兰特数字41602359、41907255和42177155),重点实验室的青藏高原北部地质过程与矿产资源(批准号2019 - kz - 01),和在中国陕西省自然科学基础研究计划(批准号2017 jq4019)。

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