自重應(yīng)力狀態(tài)下與超固結(jié)條件下直剪試驗(yàn)結(jié)果探討

黃 芳

(上海申元巖土工程有限公司，上海200125)

自重應(yīng)力狀態(tài)下與超固結(jié)條件下直剪試驗(yàn)結(jié)果探討

黃 芳

(上海申元巖土工程有限公司，上海200125)

在土工室內(nèi)試驗(yàn)中，直剪試驗(yàn)的C、φ值是估算地基承載力等得重要指標(biāo)，而自重應(yīng)力狀態(tài)下的直剪與超固結(jié)條件下的直剪試驗(yàn)結(jié)果存在很大的差異性，通過工程實(shí)例，對(duì)自重應(yīng)力狀態(tài)下與超固結(jié)條件下的直剪試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行探討。

自重應(yīng)力;超固結(jié);直剪試驗(yàn);承載力

在工程計(jì)算中，建筑地基承載力的計(jì)算、邊坡穩(wěn)定分析、擋土結(jié)構(gòu)土壓力的計(jì)算、基坑支護(hù)設(shè)計(jì)、地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，直剪試驗(yàn)的粘聚力C和內(nèi)摩擦角Φ是重要的指標(biāo)之一，其土工試驗(yàn)的數(shù)值的準(zhǔn)確性具有重要意義。

1 土的抗剪強(qiáng)度與直剪試驗(yàn)

土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，是指土體對(duì)于外荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極限抵抗能力，土體發(fā)生剪切破壞時(shí)，將沿其內(nèi)部某一滑動(dòng)面產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，而該滑動(dòng)面的剪應(yīng)力就是土的抗剪強(qiáng)度。通常，土的抗剪強(qiáng)度用庫倫公式表示，即 τf=c+σtanφ［1］

式中:τf為土的抗剪強(qiáng)度(kPa);c為土的粘聚力(kPa);φ為土的內(nèi)摩擦角(°);σ為剪切滑動(dòng)面上的法向應(yīng)力(kPa)。

圖1 土的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系

直剪試驗(yàn)，是指在某一特定面上剪切土的試件，直接測(cè)定該面上的剪應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)。直剪試驗(yàn)是室內(nèi)測(cè)定土體抗剪強(qiáng)度的一種常用方法，可方便地為土木工程治理、加固及破壞分析提供所需的土體抗剪強(qiáng)度參數(shù):粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ。該方法因其快捷方便，結(jié)果處理簡(jiǎn)單，被廣泛采用，也是測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度最簡(jiǎn)單的和最原始的試驗(yàn)方法。［2］

通常直剪試驗(yàn)采用幾個(gè)試樣，分別在不同的垂直壓力P下，施加水平剪切力，測(cè)得試驗(yàn)破壞時(shí)的剪應(yīng)力τf’，然后再根據(jù)庫侖定律確定粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ。

直接剪切分慢剪、固結(jié)快剪和快剪三種試驗(yàn)方法，本文僅針對(duì)固結(jié)快剪進(jìn)行討論。

2 自重應(yīng)力狀態(tài)下直剪試驗(yàn)與超固結(jié)條件下直剪試驗(yàn)

由于土的應(yīng)力歷史不同，土在沉積過程中受到先期固結(jié)壓力的作用，土一般分為正常固結(jié)土、欠固結(jié)土和超固結(jié)土。

上海地區(qū)土層基本均為超固結(jié)土層。所以研究超固結(jié)條件下的直剪試驗(yàn)有很大的實(shí)際意義。

一般在我們實(shí)際應(yīng)用中，一般是固結(jié)快剪試驗(yàn)，由于技術(shù)條件的限制，一般情況下20 m淺的固結(jié)試驗(yàn)垂直加壓為50 kPa，100 kPa，150 kPa，200 kPa，20 m 以下垂直加壓為 50 kPa，100 kPa，150 kPa，200 kPa，300 kPa。這樣分類太籠統(tǒng)，很多土層的垂直壓力無法滿足其超固結(jié)狀態(tài)，所以試驗(yàn)中取得的抗剪強(qiáng)度也不太準(zhǔn)確。

本文利用工程實(shí)例，分析自重應(yīng)力狀態(tài)下與超固結(jié)條件下直剪試驗(yàn)(固結(jié)快剪)。

3 實(shí)例分析

選取上海市漕寶路某工程土樣若干進(jìn)行直剪試驗(yàn)，針對(duì)上海典型土層進(jìn)行了自重應(yīng)力狀態(tài)下合超固結(jié)條件下直剪試驗(yàn)的比對(duì)，分析兩組直剪試驗(yàn)的差別。針對(duì)該工程土層40.0以淺的土層，分別做了自重應(yīng)力下的直剪與超固結(jié)狀態(tài)下的直剪試驗(yàn)，各土層的兩組直剪指標(biāo)匯總見表1。

由于數(shù)量較多，本文僅針對(duì)上海地層典型的第②層褐黃—灰黃色粉質(zhì)粘土層進(jìn)行探討。

試驗(yàn)儀器

A.直剪儀:型號(hào)STST－5;

B.環(huán)刀:內(nèi)徑 61.8 mm，高度 20 mm。

從樣筒中用環(huán)刀切取試樣，尺寸為Ф61.8 mm×20 mm，每組4個(gè)樣，每組試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)壓。預(yù)壓荷重分別為:25 kPa、50 kPa、75 kPa、100 kPa(自重應(yīng)力狀態(tài)下);100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa(超固結(jié)條件下)。預(yù)壓時(shí)間為24 h。

把制備預(yù)壓好的4個(gè)試驗(yàn)分別置于剪切盒內(nèi)，用四個(gè)不同的垂直壓力作用于試樣上(垂直壓力見表2)，然后再施加水平剪應(yīng)力進(jìn)行剪切(剪切速率為0.8 mm/min)，使試樣的上下盒直剪的水平面上發(fā)生剪切破壞，在剪應(yīng)力施加過程中記錄剪應(yīng)力的峰值強(qiáng)度，并繪制剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線，并從曲線上找出試樣的極限剪應(yīng)力作為該垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度，通過四個(gè)試樣的抗剪強(qiáng)度確定強(qiáng)度包線，求出抗剪強(qiáng)度參數(shù)粘聚力(c)和內(nèi)摩擦角(φ)。

表1 自重應(yīng)力狀態(tài)下與超固結(jié)條件下直剪試驗(yàn)指標(biāo)表

表2 自重應(yīng)力狀態(tài)下與超固結(jié)條件下直剪試驗(yàn)垂直壓力表

表3 重應(yīng)力固結(jié)條件與超固結(jié)條件下直剪強(qiáng)度參數(shù)表

表4 自重應(yīng)力狀態(tài)與超固結(jié)條件下承載力比值表

其中由表3中可知，自重應(yīng)力固結(jié)條件下快剪強(qiáng)度粘聚力最大值為40 kPa，內(nèi)摩擦角最大值為19.5°;超固結(jié)條件下快剪強(qiáng)度粘聚力最大值為16 kPa，內(nèi)摩擦角最大值為28°。如圖2，自重應(yīng)力固結(jié)條件下的剪力C值比超固結(jié)條件下的值偏大，而Φ值則偏小。

根據(jù)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［3］

假設(shè)天然地基為條基，寬為1.5 m，基礎(chǔ)埋深為1.0 m，地下水位埋深為0.5 m，不考慮軟弱下臥層，兩組試樣計(jì)算的天然地基地基承載力見表4。

由表3結(jié)果可知，自重應(yīng)力狀態(tài)下承載力值比超固結(jié)條件下承載力大，自重應(yīng)力狀態(tài)下天然地基承載力值最大值為151.08 kPa，最小值為141.43，平均值為147.14 kPa;超固結(jié)條件下天然地基承載力最大值為106.48 kPa，最小值為90.47 kPa，平均值為 102.03 kPa。

圖2 自重應(yīng)力狀態(tài)與超固結(jié)條件剪力圖

由上述數(shù)值得出，自重應(yīng)力狀態(tài)下天然地基承載力值比超固結(jié)條件下天然地基承載力大。主要原因是直剪試驗(yàn)中，垂直壓力越大時(shí)，剪切破話所需的水平壓力越大，孔隙水應(yīng)力和垂向附加應(yīng)力增加也越來越大，當(dāng)固結(jié)度相差越大時(shí)，轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力的差值就越大，則根據(jù)試驗(yàn)獲得的抗剪強(qiáng)度差別越大，體現(xiàn)在抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線上就內(nèi)摩擦角越大，粘聚力越小。［4］

而經(jīng)過幾十年的實(shí)際工程實(shí)例經(jīng)驗(yàn)(室內(nèi)剪切試驗(yàn)結(jié)合三軸試驗(yàn)(UU)、無側(cè)限試驗(yàn)、野外靜力觸探曲線試驗(yàn)數(shù)值)，上海地區(qū)第②層褐黃色—灰黃色天然地基承載力設(shè)計(jì)值一般經(jīng)驗(yàn)值為90～120 kPa，通過本工程試驗(yàn)結(jié)果，顯然自重應(yīng)力狀態(tài)下的承載力比較大，而超固結(jié)條件下的承載力比較接近實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值。當(dāng)然，本文探討的條件是在相同的固結(jié)時(shí)間、剪切速率、同樣試驗(yàn)操作順序下，進(jìn)行兩組試樣的直剪試驗(yàn)比對(duì)。

4 結(jié)語

自重應(yīng)力狀態(tài)下的直剪試驗(yàn)與超固結(jié)狀態(tài)下直剪試驗(yàn)比對(duì)驗(yàn)證，前者得出的c值較大，φ值較小;后者得出的C值較小，φ值較大;

按照公式(1)計(jì)算地基承載力，自重應(yīng)力狀態(tài)下的承載力相對(duì)偏大，而超固結(jié)狀態(tài)下的承載力比較接近工程經(jīng)驗(yàn)值，后者是前者的0.7倍;

由于本文主要針對(duì)上海地區(qū)的軟件土進(jìn)行分析，具有一定的局限性，尚需更多的工程實(shí)例進(jìn)行試驗(yàn)，不斷積累經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

［1］袁聚云.土工試驗(yàn)與原理.同濟(jì)大學(xué)出版社.2003.1.99.

［2］劉軍，徐海波，卓慧英.土的直剪試驗(yàn)影響因素分析.2010.1.148.

［3］DGJ08－11－2010 J11595－2010上海市工程建筑設(shè)計(jì)規(guī)范.地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范.2010，26.

［4］劉天韻.直剪試驗(yàn)固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)影響因素探討.中國港灣建設(shè).2009.12.第六期 34.

TU41

B

1004－1184(2012)04－0176－02

2012－03－13

黃芳(1979－)，女，上海人，工程師，主要從事巖土工程勘察等工作。