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取样卸荷对膨胀性泥岩强度与变形特性影响的试验研究

马福荣 张信贵 易念平

马福荣, 张信贵, 易念平. 取样卸荷对膨胀性泥岩强度与变形特性影响的试验研究[J]. 水利水运工程学报, 2017, (5): 109-116. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.05.016
引用本文: 马福荣, 张信贵, 易念平. 取样卸荷对膨胀性泥岩强度与变形特性影响的试验研究[J]. 水利水运工程学报, 2017, (5): 109-116. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.05.016
MA Furong, ZHANG Xingui, YI Nianping. Experimental study of unloading impact on deformation behavior and strength of mudstone in sampling state[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017, (5): 109-116. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.05.016
Citation: MA Furong, ZHANG Xingui, YI Nianping. Experimental study of unloading impact on deformation behavior and strength of mudstone in sampling state[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017, (5): 109-116. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.05.016

取样卸荷对膨胀性泥岩强度与变形特性影响的试验研究

doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.05.016
基金项目: 

广西自然科学基金资助项目 2011GXNSFB018002

广西高校中青年教师基础能力提升项目 KY2016YB586

详细信息
    作者简介:

    马福荣(1978—),男,广西资源人,副教授,博士研究生,主要从事软岩工程及基础工程等方面的教学和科研工作。E-mail:mfrong2004@163.com

  • 中图分类号: TU43

Experimental study of unloading impact on deformation behavior and strength of mudstone in sampling state

  • 摘要: 泥岩强度和变形参数是工程设计与施工控制的重要指标。为研究卸荷作用和水岩作用对膨胀性泥岩强度和变形特性的影响程度,选取南宁盆地典型膨胀性泥岩为研究对象,进行了加卸荷剪切试验和无荷膨胀率试验,在此基础上,分析了卸荷泥岩强度变化规律,探讨了水岩作用对卸荷泥岩变形特性的影响程度。试验结果表明,卸荷作用引起泥岩强度降低,压缩性增大,相比于加载条件,卸荷状态下泥岩的黏聚力明显较高,而内摩擦角则相对较小。引入卸荷比和强度损失率分析了卸荷泥岩的强度变化规律,卸荷泥岩强度损失率随卸荷比增加而增大,当卸荷比为0.7~0.8时,泥岩强度损失率最大。相对于卸荷作用,水岩作用对泥岩变形特性的影响较大,对样品的损伤约占30%~65%。研究结果表明获取试样力学参数中不能忽略取样过程对泥岩强度和变形特性的影响。
  • 图  1  泥岩试样

    Figure  1.  Samples of mudstone

    图  2  钻探过程中A点受力状态

    Figure  2.  Stress phase in drilling of point A

    图  3  A点卸荷过程的应力摩尔圆

    Figure  3.  Mohr's circles in unloading stress process

    图  4  超固结土固结不排水剪试验中的应力路径

    Figure  4.  Stress parth for a consolidated-undrained triaxial test on overconsolidated soil

    图  5  卸荷直接剪切应力路径

    Figure  5.  Stress parth for unloading direct shear test

    图  6  加、卸状态下泥岩强度关系曲线

    Figure  6.  Intensity curve of mudstone under conditions of loading and unloading respectively

    图  7  强度损失率与卸荷比关系曲线

    Figure  7.  Variations of loss rate of strength and unloading ratio

    图  8  无荷膨胀率与吸水量关系

    Figure  8.  Relationship between swelling rate and water absorption

    图  9  水岩作用下膨胀率与时间的关系曲线

    Figure  9.  Relationship between swelling rate and time under water-rock interaction

    表  1  卸载试验情况

    Table  1.   Test conditions of unloading

    荷载作用方式 样号(个数) 竖向荷载 固结稳定标准与卸荷稳定标准
    P1/kPa P2/kPa
    卸载作用 XZ-1(2) 100 100→25 固结和卸荷稳定标准为每级荷载作用下,每小时变形低于0.01 mm,且连续出现2次以上,即可进行下一步试验
    XZ-2(4) 200 200→25
    XZ-3(6) 300 300→25
    XZ-4(8) 400 400→25
    注:P1为固结压力,P2为剪切时作用在试件上的法向压力。“→”表示卸载过程,每级卸荷量为50 kPa,最后一级压力为25 kPa。
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    表  2  泥岩物理性质指标

    Table  2.   Physical and mechanical parameters of mudstone

    天然含水量ω/% 重度γ/(kN·m-3) 孔隙比e 饱和度Sr/% 液限ωL/% 塑限ωP/% 液性指数IL 塑性指数IP
    19.6 21.1 0.565 93.0 41.9 20.3 -0.05 21.6
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    表  3  卸载试样抗剪强度指标

    Table  3.   Shear strength index of unloading samples

    固结压力P1/kPa 黏聚力c/ kPa 内摩擦角φ
    100 275.6 28.9
    200 299.3 26.9
    300 331.7 30.6
    400 363.1 29.4
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    表  4  固结与卸荷作用下的变形量

    Table  4.   Deformation under consolidation and unloading

    样号 固结压力
    P0/kPa
    固结变形量/mm 卸荷稳定变形量/mm 回弹量/
    mm
    1 100 1.03 0.87 0.16
    2 200 1.25 0.64 0.61
    3 300 1.75 1.26 0.49
    4 400 1.65 0.77 0.88
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    表  5  取样卸荷作用模拟试验的泥岩变形情况

    Table  5.   Deformation of mudstone under unloading

    样号 损伤样品膨胀变形量/mm 非损伤样品膨胀变形量/mm 卸荷回弹变形量/mm 非损伤样品总变形量/mm 水岩作用损伤度/% 卸荷作用损伤度/%
    1 1.93 3.56 0.16 3.72 51.88 4.30
    2 2.63 3.93 0.61 4.54 57.93 13.40
    3 2.10 2.72 0.49 3.21 65.42 15.26
    4 1.27 3.32 0.88 4.20 30.24 20.95
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    表  6  无荷膨胀率试验指标

    Table  6.   Physical parameters of unloaded swelling ratio test

    样号 原状样品物理指标 原状样品无荷膨胀率试验指标 卸荷样品无荷膨胀率试验指标
    含水量/
    %
    密度/
    (g·cm-3)
    孔隙比 含水量/
    %
    密度/
    (g·cm-3)
    孔隙比 无荷膨胀率/% 含水量/
    %
    密度/
    (g·cm-3)
    孔隙比 无荷膨胀率/%
    1 27.16 2.10(1.65) 0.666 36.12 2.23(1.64) 0.682 9.65 36.63 2.18(1.60) 0.723 18.63
    2 22.96 2.11(1.71) 0.588 33.30 2.27(1.70) 0.600 13.16 36.24 2.24(1.65) 0.654 20.62
    3 24.26 2.11(1.70) 0.622 30.69 2.15(1.63) 0.687 9.52 31.04 2.19(1.65) 0.671 14.15
    4 21.84 2.11(1.73) 0.588 27.26 2.23(1.75) 0.570 6.33 29.29 2.21(1.71) 0.612 16.75
    注:()中值为相应干密度。
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-08-31
  • 刊出日期:  2017-10-01

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