高剪切率对饱和黄土的剪切行为利用环剪试验

文摘

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。

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]。

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0.02μ米,使用的测量原理是米氏散射理论。有效的大小( )是0.8μ米,值(直径对应于30%细材料)为6.7μ米,值(直径对应于60%细材料)为19.3μm。粘土含量( 毫米)的样本为24.8%,淤泥的内容( mm - 0.005毫米)是73.4%,含砂量( 毫米)为1.8%。

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。

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。

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。

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))。

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( )(35,36)是用于分析不同样品的剪切破坏的结果。定义如下: 在哪里峰值抗剪强度(kPa)和在稳态(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为每个测试。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,剪切速率增加而增加。然而,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,样本与正常压力100 kPa通常大于其他人。因此,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,减少与剪切速率的增加36]。

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。

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]。

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。

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 , , ,和 。有效的大小( )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( )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)。

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]。

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]。

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:(1)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(2) 增加而增加剪切速率(法向应力测试低范围内)。此外,样品100 kPa的正应力大于其他人(3)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(4)更高的超孔隙水压力生成快速剪切过程中剪切带内(5)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)。

引用

1. y愣,j .彭问:王、孟z和w·黄,“怜滑坡发生在黄土高原:一项研究在泾阳南塬黄土滑坡,“工程地质卷,236年,第136 - 129页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. 李y和j .赵在中国黄土和黄土地质灾害,1博卡拉顿,CRC出版社,2017。
3. j .壮族j .彭g . Wang Javed, y . Wang和w·李,“黄土高原分布和滑坡的特点:一个案例研究在陕西省,”工程地质卷,236年,第96 - 89页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. x气,问:徐和f . Liu”倒退分析黄土flowslides Heifangtai,中国,“工程地质卷,236年,第128 - 119页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. a . w . Skempton”,顺层滑移,残余强度和Vaiont滑坡,“岩土工程,16卷,不。1,第84 - 82页,1966。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. w .元,w .风扇、江c和x Peng”试验研究黄土和古土壤的剪切行为基于环剪试验,”工程地质卷。250年,11日至20日,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. k . Sassa福冈和h . g . Wang”对饱和砂进行不排水抗剪试验在一个新的智能类型的环剪仪,“岩土测试日报,26卷,不。3、257 - 265年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. 丽安,j .彭x王,黄问:“含水率影响环剪切滑移区黄土在高剪切率的特点,“《工程地质和环境,卷79,不。2、999 - 1008年,2020页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. r . Yatabe”,剪切速率对滑坡土的残余强度的影响,”工程地质对社会和领土d . r . Bhat Ed.G。,吉尔丹Lollino,正是由于这些超越性别的g . b . Crosta et al .,。,卷。2,pp. 1211–1215, Springer International Publishing, Cham, 2015.视图:谷歌学术搜索
10. n . t . Duong m .铃木,n . van海”速度和加速度对剩余强度的影响高岭土和高岭土-膨润土混合环剪切,”土壤和基金会,卷。58岁的没有。5,1153 - 1172年,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. S.-W。宋和s。公园”,表面粗糙度对颗粒材料的剪切强度环剪试验,”应用科学,9卷,不。15,2977年,页2019。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. 小时。林,黄永发。吴,e . Sunarya“巩固和不排水剪切环测试Hsien-du-shan滑坡的滑动面在台湾,“Geofluids卷。2018年,12页,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. 即Tomasetta、d·巴勒塔和m . Poletto“高温环形剪切单元:修改后的环剪试验机测量粉末在高温下的流动特性,”先进的粉技术,24卷,不。3、609 - 617年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. z Zhongqiong, w . Qingbai j ., fireworks, c,和l . Yongzhi“冻土温度的变化从2003年到2015年在青藏高原,“寒冷地区科学技术,第169卷,第102904页,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. Z.-Q。张,张齐兵。吴,M.-T。侯,B.-W。大,Y.-K。一个,“冻土改变在中国东北在1950年代- 2010年代,“气候变化研究进展》,12卷,不。1,18-28,2021页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. x张e .翟d .太阳,和陆y, y . Wu”理论和数值分析hydro-thermal-salt-mechanical交互不饱和盐渍土壤受到典型的单向冻结过程中,“国际地质力学杂志,21卷,不。7日,2021年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. a . w . Skempton”残余强度的粘土滑坡、褶皱和实验室,”岩土工程,35卷,不。1,3-18,1985页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. t . e . Tika j·n·哈钦森,“环剪试验土壤Vaiont滑坡滑动面,“岩土工程卷,49号1,59 - 74年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. o .饥饿和n . r . Morgenstern”高速环剪试验砂。”岩土工程,34卷,不。3、415 - 421年,1984页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. k Sassa和h福冈“内摩擦角的测定土壤中运动的高速环剪仪,“山体滑坡卷,29号4,1-8_1,1993页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. t . e . Tika p·r·沃恩和l . j . l . j . Lemos”快速剪切的剪切区土壤中”,岩土工程,46卷,不。2、197 - 233年,1996页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. e·阿基,a . Mekael和m . t . Yilmaz”调查剪切速率对剩余强度的影响的高塑性粘土,”阿拉伯地球科学杂志》,13卷,不。2、2020。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. 佐藤的消息,那么户籍册s Wahyudi j . t、g . Chiaro”Multiple-liquefaction砂在循环的行为简单stacked-ring剪切测试,”国际地质力学杂志,16卷,不。5,2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. y, g . Yu和郑x, y . Wu”循环荷载对剩余强度的影响固结粉质粘土的环剪试验,”山体滑坡,8卷,不。2、233 - 240年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. i b Gratchev和k Sassa粘土的抗剪强度不同的剪切率,”岩土和Geoenviromental工程杂志》上,卷141,不。5,06015002页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. y江、g . Wang和t .使“快速颗粒材料的剪切行为环剪试验和影响迅速滑坡,“Acta Geotechnica,12卷,不。3、645 - 655年,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. 福冈h . k . Sassa g·王,“剪切速度和法向应力对颗粒材料的剪切行为和剪切带结构在自然排水环剪试验,”山体滑坡,4卷,不。1,第74 - 63页,2007。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. w·w·s . Wang Wu,和刘问:“饱和黄土的剪切行为自然排水环剪试验,”建模滑坡与泥石流的最新进展w·吴,艾德。,页19-27,施普林格国际出版,可汗,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
29. l .徐f .戴l . g . THAM x, y金,”之间的过渡斜坡滑坡和河流阶地黄土平台,中国西北,”环境与工程地球科学,17卷,不。3、267 - 279年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
30. z段,观测。程,J.-B。彭、m·m·拉赫曼和h . Tang”互动的滑坡与阶地沉积物沉积:视角从沉积速度运动和明显的摩擦角,“工程地质,第280卷,第105913页,2021年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
31. p . j . Peng妈,问:王et al .,“滑坡材料之间的相互作用和底层黄土flowslide受侵蚀的床上,“工程地质卷。234年,38-49,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
32. z段,观测。程,J.-B。彭,徐瑞秋王,w·陈,“调查南部黄土滑坡的触发机制旌阳区平台,陕西省,”《工程地质和环境,卷78,不。7,4919 - 4930年,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
33. ASTM D2487-17e1,土的工程分类标准实践目的(统一的土壤分类系统)、ASTM国际,西肯肖霍肯的PA, 2017年。
34. c, h·詹·t·张,w .姚明,“调查剪切行为软弱夹层的环剪试验,”工程地质卷。254年,34-42,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
35. a . w .主教,“进步导致其失败有特殊的机制,”《岩土工程会议上自然土壤和岩石的抗剪强度特性,页142 - 150年,奥斯陆,挪威,挪威岩土研究所1967年。视图:谷歌学术搜索
36. k . g . Wang Sassa h .福冈,t .恩,”试验研究饱和粉土的剪切行为基于环剪试验,”岩土和Geoenviromental工程杂志》上,卷133,不。3、319 - 333年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
37. b . m . Das和k·索班,岩土工程的原则澳大利亚,Cengage学习第九版,2018年。
38. s . Li梁h, h·李,j . Ma和b·李,“最小孔隙比模型建立的尾矿和确定最佳的孔隙比,”Geofluids文章ID 8619121卷,2021年,页1 - 15,2021。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
39. h·魏、赵,j .他问:孟,x王,“进化粒子破碎的钙质砂环剪切测试过程中,“国际地质力学杂志,18卷,不。2,p。04017153, 2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
40. a . Sadrekarimi和s·m·奥尔森“粒子破坏环剪试验中观察到金沙,”加拿大岩土期刊卷,47号5,497 - 515年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2021马Jianquan et al。这是一个开放分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。