土體抗剪強度指標的確定方法

李聚興 韓勝杰 周鵬程 謝方媛

（河北省水利水電第二勘測設計研究院 河北石家莊 050021）

土體抗剪強度指標的確定方法

李聚興 韓勝杰 周鵬程 謝方媛

（河北省水利水電第二勘測設計研究院 河北石家莊 050021）

本文針對土體抗剪強度指標的取值原則、計算誤區(qū)、計算方法、取值方法對比等進行分析。土體抗剪強度指標是否合理，對工程質(zhì)量的安全和經(jīng)濟影響較為巨大，應該認真對待。

土體 抗剪強度 標準

在土石壩及渠道等邊坡穩(wěn)定分析中，土體抗剪強度指標c、φ是兩個非常重要的參數(shù)，它直接關(guān)系到工程的安全和經(jīng)濟。眾所周知，土體抗剪強度指標c、φ值是在土工試驗的基礎上，對試驗數(shù)據(jù)進行分析、統(tǒng)計計算后確定的。然而，即使對同一組土工試驗數(shù)據(jù)，不同的統(tǒng)計計算方法會得出不同的抗剪強度指標值，而且差別很大，進而對工程設計產(chǎn)生巨大影響。因此，如何按照規(guī)范要求，科學合理地選擇這兩個參數(shù)，需要仔細研究并慎重對待。

1 抗剪強度指標的取值原則

按照《碾壓式土石壩設計規(guī)范》（SL274-2001和DL5395-2007）的規(guī)定，抗剪強度指標宜采用小值平均值（小于平均值的數(shù)值的平均值）。這一點與其他行業(yè)工程勘察規(guī)范不同，應引起水工設計人員的注意。

按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）的規(guī)定，尚需將此小值平均值作為標準值，然后再根據(jù)土樣巖性、巖相變化、試樣代表性、實際工作條件與試驗條件的差別，對標準值進行調(diào)整，提出地質(zhì)建議值。

單從字面來看，似乎地質(zhì)勘察規(guī)范的建議值更為合理，但實際上由于每個人的經(jīng)歷、經(jīng)驗不同，致使抗剪強度指標建議值受人為因素影響較大，甚至有為了彌補經(jīng)驗不足或過程缺陷而越來越保守的趨勢。筆者認為，對于土體抗剪強度指標，人為干預主要應發(fā)生在試驗土樣采取、試驗設備整理、試驗操作技巧、有效土樣選擇等前期工作方面，試驗得到的有效數(shù)據(jù)不應再受人為因素影響。另外，當設計規(guī)范有明確要求時，工程設計人員應當尊重設計規(guī)范，取小值平均值作為設計值。過分保守不符合設計規(guī)范的指導原則。設計規(guī)范已考慮了合理的工程安全裕度，不必在過程環(huán)節(jié)中再層層加碼。

2 抗剪強度指標小值平均值的確定

按照土體抗剪強度計算公式：

其中，τ為土的抗剪強度

σ為法向總應力

c、φ為土體抗剪強度指標

每組土體試樣均可得到一條抗剪強度包線?，F(xiàn)在的問題是：在多條抗剪強度包線中，如何按照小值平均值的取值原則，合理計算出抗剪強度指標c、φ值。

目前有一些人員在c、φ值的選取上，受其他行業(yè)及沿習的影響，往往直接對各條抗剪強度包線的c、φ值取小值平均值。筆者認為這樣做是不合適的，主要理由如下：

一是沒有規(guī)范依據(jù)。在地質(zhì)勘察規(guī)范GB50487-2008中，明確要求取抗剪強度峰值的小值平均值。也就是說，地質(zhì)勘察規(guī)范要求對抗剪強度τ取小值平均值，而不是直接對抗剪強度指標c、φ取小值平均值。另外，《碾壓式土石壩設計規(guī)范》（DL5395-2007）附錄E.1.2.2

載明：從每組抗剪強度包線中，查得相當于法向應力的剪阻力共4～6組，取各組的小值平均值，由它們與相應的法向應力繪出強度包線，定出強度指標。

二是物理意義不明確。在土工試驗過程中，抗剪強度τ的物理意義非常明確，而抗剪強度指標c、φ的物理意義不確切，它們僅是τ～σ關(guān)系式中的兩個數(shù)學參數(shù)而已，因此對c、φ取小值平均值不能直觀反映土體的抗剪可靠度。

三是抗剪強度指標的可靠度失真。實際勘察試驗表明，即使是同一土層，各組土樣的粘粒含量不同，甚至差別很大。土樣粘粒含量高時， c值大而φ值小，粘粒含量低時，則c值小而φ值大，但τ值變幅較小。如果直接對c、φ取小值平均值，則土的抗剪強度被人為降低。

如在某渠道工程設計中，第55工程地質(zhì)段為上更新統(tǒng)上段沖洪積黃土狀壤土，干重度16.1kN/m3、標貫擊數(shù)5.5擊，挖方渠段，飽和快剪有效試驗土樣21組，見表1。從表1可以發(fā)現(xiàn)試驗成果離散性較大：c值過低時，φ值偏大（如HQK358E孔7號樣，c=6.0kPa，φ=22.11°）；c值偏高時，φ值偏?。ㄈ鏗SWK1孔1號樣，c=40.7kPa，φ=6.9°）。

表1 土樣試驗數(shù)據(jù)及抗剪強度指標計算表

通過計算可知：直接對21組土樣的c、φ值取小值平均值，得出：c=8.4kPa，φ=8.47°；通過對抗剪強度τ取小值平均值，得出：c=17.35kPa，φ=9.5°。假如對同一渠道斷面進行渠坡穩(wěn)定計算，當采用抗剪指標c=8.4kPa，φ=8.47°時，渠道安全坡比為1:6；當采用抗剪指標c=17.35kPa，φ=9.5°時，渠道安全坡比為1:3。由此可見，兩種統(tǒng)計計算方法所得的土體抗剪強度指標，對工程設計會產(chǎn)生巨大影響。

3 抗剪強度指標的計算方法

正確的抗剪強度指標計算方法是按照小值平均值的計算原則，先計算出不同壓力下的抗剪強度的小值平均值，以此抗剪強度小值平均值和對應的壓力進行適線，得到抗剪強度包線，此抗剪強度包線對應的c、φ值即為抗剪強度指標。以上述第55工程地質(zhì)段為例，分別對21組抗剪強度包線中法向應力P=100，200，300，400kPa所對應的抗剪強度取小值平均值，得到S=31.5，54.9，67.6，83.2kPa，以此4組數(shù)據(jù)進行適線，得到抗剪強度包線如圖1。包線在S軸的截距即為強度指標c，與P軸的夾角即為強度指標φ。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.007

TV312

B

1672-2469(2014)12-0017-02

李聚興（1958年—），男，教授級高級工程師。