岳陽地區(qū)典型黏性土地基抗剪強(qiáng)度指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式研究

劉 凡, 劉曉紅, 李小剛, 陳德成

(湖南理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院, 湖南 岳陽 414006)

岳陽地區(qū)典型黏性土地基抗剪強(qiáng)度指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式研究

劉 凡, 劉曉紅, 李小剛, 陳德成

(湖南理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院, 湖南 岳陽 414006)

針對岳陽地區(qū)典型的黏性土地基, 進(jìn)行了不同排水條件下的直剪試驗(yàn), 獲得了大量直剪強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù).基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理, 提出了抗剪強(qiáng)度指標(biāo)歸一化參數(shù)的概念及定義式; 對不同條件下的歸一化參數(shù)分析表明, 影響該參數(shù)的主要因素是液性指數(shù), 并給出了 4個(gè)歸一化參數(shù)隨液性指數(shù)的變化曲線和相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式. 基于歸一化參數(shù)及快剪強(qiáng)度指標(biāo), 可計(jì)算出更耗時(shí)的固結(jié)快剪、固結(jié)慢剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo). 本文研究思路和經(jīng)驗(yàn)公式可為岳陽地區(qū)典型黏性土地基抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定提供新的途徑, 該方法可推廣至其它地區(qū)或其它類型地基土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定.

抗剪強(qiáng)度指標(biāo); 歸一化參數(shù); 經(jīng)驗(yàn)公式; 黏性土地基

諸多學(xué)者對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響因素、三種排水條件下直剪試驗(yàn)得到的強(qiáng)度指標(biāo)之間的相互關(guān)系等相關(guān)課題進(jìn)行了研究, 取得了豐富的研究成果. 盧肇鈞等[1]認(rèn)為土的內(nèi)摩擦角與其塑性指數(shù)有粗略的相互關(guān)系. 范越等[2]研究發(fā)現(xiàn), 塑性指數(shù)Ip對土的壓縮參數(shù)αs、壓縮模量E、土的黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ都有影響. 王麗等[3]研究了含水率對粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度的影響, 分析了含水率對黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律,并得到了相應(yīng)的關(guān)系式. 羅嗣海等[4]研究了部分排水剪切時(shí)土的抗剪強(qiáng)度, 并建立了剪切時(shí)存在部分排水條件下土的抗剪強(qiáng)度與總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)理論式, 分析了部分排水時(shí)土的抗剪強(qiáng)度確定與模擬問題.

從現(xiàn)有文獻(xiàn)資料來看, 岳陽地區(qū)典型的褐黃色粉質(zhì)黏土在不同排水條件的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)之間的關(guān)系卻鮮有人研究. 大量工程實(shí)際表明, 土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定在試驗(yàn)方法、排水條件選擇上, 存在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的矛盾. 為了找到一種既經(jīng)濟(jì)又滿足技術(shù)要求的方法, 本文以岳陽地區(qū)黏性土地基為研究對象, 分別進(jìn)行不同排水條件下的大量直剪試驗(yàn), 通過對比分析、統(tǒng)計(jì)擬合, 探討直剪SS試驗(yàn)、CQ試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)關(guān)于QS試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)間的關(guān)系及影響因素, 通過一系列參數(shù), 建立固結(jié)快剪、固結(jié)慢剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與快剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系, 分析影響參數(shù)的各種因素, 分析擬合得到參數(shù)與其影響因素之間的函數(shù)關(guān)系式, 給出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式. 基于簡單、經(jīng)濟(jì)、便于測定的快剪指標(biāo), 導(dǎo)出復(fù)雜、耗時(shí)、費(fèi)用高的固結(jié)快剪、固結(jié)慢剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo), 為本地區(qū)地基土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定提供新的途徑和實(shí)用的便捷方式.

1 試驗(yàn)簡介

本文以岳陽地區(qū)典型的粉質(zhì)黏土地基為研究對象, 進(jìn)行不同排水條件下的直剪試驗(yàn). 該粉質(zhì)黏土巖性特征: 褐黃色, 含有較多的錳氧化物結(jié)核或氧化膜, 常見含水狀態(tài)下有硬塑、可塑、軟塑三種, 塑性指數(shù)在 11.0～13.0之間. 課題組在市區(qū)選擇有代表性地層, 取得三種不同含水狀態(tài)的原狀結(jié)構(gòu)的土樣, 每一含水狀態(tài)的土樣各取20組, 現(xiàn)場密封, 運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室, 放到保濕器內(nèi)進(jìn)行保濕. 然后按試驗(yàn)方案規(guī)定的要求進(jìn)行直剪試驗(yàn)、含水量試驗(yàn)、天然密度試驗(yàn)及液塑限聯(lián)合測定.

2 歸一化參數(shù)的提出與定義

為了更好的分析同一土樣固結(jié)快剪指標(biāo)與快剪指標(biāo)、慢剪指標(biāo)與快剪指標(biāo)之間的關(guān)系, 本文首次提出了黏聚力歸一化參數(shù)和內(nèi)摩擦角歸一化參數(shù)的概念, 分別給出了固結(jié)快剪黏聚力歸一化參數(shù)Kc,cq、慢剪黏聚力歸一化參數(shù)Kc,ss、固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角歸一化參數(shù)K?,cq、慢剪內(nèi)摩擦角歸一化參數(shù)K?,ss定義式:

其中Ccq為固結(jié)快剪黏聚力; Cqs為快剪黏聚力; Css為固結(jié)慢剪黏聚力; ?cq為固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角; ?qs為快剪內(nèi)摩擦角; ?ss為固結(jié)慢剪內(nèi)摩擦角.

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析

3.1 歸一化參數(shù)的計(jì)算

按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50123-1999, 對不同排水條件下各試件的抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理, 得到了各試件的抗剪強(qiáng)度曲線及相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及其它物理指標(biāo)(含水量、密度、液限、塑限)見表 1. 根據(jù)歸一化參數(shù)的定義, 將黏聚力歸一化參數(shù)和內(nèi)摩擦角歸一化參數(shù)計(jì)算匯總于表1.

表1 歸一化參數(shù)計(jì)算匯總表

22.3 2.00 31.5 20.0 11.5 0.20 快剪 41.7 1.00 13.3 1.00 22.3 2.00 31.5 20.0 11.5 0.20 固快 36.8 0.88 16.2 1.22 Y3 22.3 2.00 31.5 20.0 11.5 0.20 固慢 33.9 0.81 18.0 1.35 24.9 1.97 33.7 21.3 12.4 0.29 快剪 37.3 1.00 11.1 1.00 24.9 1.97 33.7 21.3 12.4 0.29 固快 31.8 0.85 14.3 1.29 Y4 24.9 1.97 33.7 21.3 12.4 0.29 固慢 28.6 0.77 15.4 1.39 24.5 1.97 31.3 20.0 11.3 0.40 快剪 32.0 1.00 9.0 1.00 24.5 1.97 31.3 20.0 11.3 0.40 固快 25.9 0.81 11.7 1.38 Y5 24.5 1.97 31.3 20.0 11.3 0.40 固慢 22.3 0.70 12.4 1.46 27.8 1.96 34.0 21.4 12.6 0.51 快剪 27.4 1.00 6.7 1.00 27.8 1.96 34.0 21.4 12.6 0.51 固快 20.7 0.76 10.1 1.51 Y6 27.8 1.96 34.0 21.4 12.6 0.51 固慢 16.7 0.61 10.7 1.60 26.4 1.97 30.7 19.6 11.1 0.61 快剪 22.6 1.00 4.8 1.00 26.4 1.97 30.7 19.6 11.1 0.61 固快 15.3 0.68 7.7 1.60 Y7 26.4 1.97 30.7 19.6 11.1 0.61 固慢 11.0 0.49 8.0 1.67 28.0 1.96 31.4 20.0 11.4 0.70 快剪 18.3 1.00 3.8 1.00 28.0 1.96 31.4 20.0 11.4 0.70 固快 10.6 0.58 6.8 1.79 Y8 28.0 1.96 31.4 20.0 11.4 0.70 固慢 7.0 0.38 7.0 1.84 30.8 1.93 33.4 21.1 12.3 0.79 快剪 11.3 1.00 2.5 1.00 30.8 1.93 33.4 21.1 12.3 0.79 固快 5.8 0.51 4.8 1.92 Y9 30.8 1.93 33.4 21.1 12.3 0.79 固慢 3.4 0.30 5.0 2.00 31.4 1.91 32.7 20.7 12.0 0.89 快剪 7.4 1.00 1.8 1.00 31.4 1.91 32.7 20.7 12.0 0.89 固快 3.2 0.43 3.6 2.00 Y10 31.4 1.91 32.7 20.7 12.0 0.89 固慢 1.7 0.23 4.1 2.28

分析表1中的數(shù)據(jù)可知: 1)土樣其他物理指標(biāo)相近時(shí), 對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響最大的是液性指數(shù). 2)同一含水狀態(tài)下, 土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨排水方式的不同而不同, 同一土樣快剪、固結(jié)快剪、固結(jié)慢剪的黏聚力呈逐漸減小趨勢, 而內(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢. 從而土樣的黏聚力歸一化參數(shù)隨排水方式的不同而不同, 同一土樣快剪、固結(jié)快剪、固結(jié)慢剪的黏聚力歸一化參數(shù)呈逐漸減小趨勢, 而內(nèi)摩擦角歸一化參數(shù)則呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢. 3)同一排水條件下, 黏聚力及內(nèi)摩擦角隨液性指數(shù)的增大而減小,而黏聚力歸一化參數(shù)隨液性指數(shù)的增大而減小, 內(nèi)摩擦角歸一化參數(shù)隨液性指數(shù)的增大而增大.

3.2 歸一化參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的擬合

3.2.1 固結(jié)快剪黏聚力歸一化參數(shù)Kc,cq經(jīng)驗(yàn)公式的擬合

由表1可知, 黏聚力歸一化參數(shù)Kc,cq隨液性指數(shù)IL的增大而減小, 二者的關(guān)系曲線如圖1所示.

圖1 歸一化參數(shù)Kc,cq隨液性指數(shù)IL變化曲線

圖2 歸一化參數(shù)Kc,ss隨液性指數(shù)IL變化曲線

由圖1可以看出, 黏聚力歸一化參數(shù)Kc,cq隨液性指數(shù)IL的增大呈非線性減小, 經(jīng)擬合發(fā)現(xiàn)二者呈指數(shù)函數(shù)遞減. 擬合公式為

3.2.2 固結(jié)慢剪黏聚力歸一化參數(shù)Kc,ss經(jīng)驗(yàn)公式的擬合

由表1可知, 黏聚力歸一化參數(shù)Kc,ss隨液性指數(shù)IL的增大而減小, 二者的關(guān)系曲線如圖2所示.

由圖2可以看出, 黏聚力歸一化參數(shù)Kc,ss隨液性指數(shù)IL的增大呈非線性減小, 經(jīng)擬合發(fā)現(xiàn)二者呈指數(shù)函數(shù)遞減. 擬合公式為

3.2.3 固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角歸一化參數(shù)Kφ,cq經(jīng)驗(yàn)公式的擬合

由表1可知, 內(nèi)摩擦角歸一化參數(shù)Kφ,cq隨液性指數(shù)IL的增大而增大, 二者的關(guān)系曲線如圖3所示.由圖3可以看出, 黏聚力歸一化參數(shù)Kφ,cq隨液性指數(shù)IL的增大呈非線性增大, 經(jīng)擬合發(fā)現(xiàn)二者呈指數(shù)函數(shù)遞增. 擬合公式為

圖3 歸一化參數(shù)Kφ,cq隨液性指數(shù)IL變化曲線

圖4 歸一化參數(shù)Kφ,ss隨液性指數(shù)IL變化曲線

3.2.4 固結(jié)慢剪內(nèi)摩擦角歸一化參數(shù)Kφ,ss經(jīng)驗(yàn)公式的擬合

由表1可知, 內(nèi)摩擦角歸一化參數(shù)Kφ,ss隨液性指數(shù)IL的增大而增大, 二者的關(guān)系曲線如圖4所示.

由圖4可以看出, 黏聚力歸一化參數(shù)Kφ,ss隨液性指數(shù)IL的增大呈非線性增大, 經(jīng)擬合發(fā)現(xiàn)二者呈指數(shù)函數(shù)遞增. 擬合公式為

根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)公式, 本文為地基土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定提供的新的方法: 首先, 根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測出的土樣的液性指數(shù), 利用(5)、(6)、(7)、(8)式計(jì)算出各歸一化參數(shù). 然后, 根據(jù)實(shí)測獲得的快剪強(qiáng)度指標(biāo), 由規(guī)一化參數(shù)的定義式(1)、(2)、(3)、(4)式, 計(jì)算出固結(jié)快剪、固結(jié)慢剪的抗剪強(qiáng)度指標(biāo).

4 結(jié)論

(1) 首次提出了抗剪強(qiáng)度歸一化參數(shù)的概念, 并給出了4個(gè)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)規(guī)一化參數(shù)的定義式.

(2) 經(jīng)直剪試驗(yàn)成果分析, 得出液性指數(shù)是影響規(guī)一化參數(shù)的主要因素, 并給出了4個(gè)規(guī)一化參數(shù)隨液性指數(shù)的變化曲線及相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式.

(3) 基于歸一化參數(shù)及快剪強(qiáng)度指標(biāo), 獲得了固結(jié)快剪、固結(jié)慢剪的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算公式.

(4) 本課題主要研究成果可為岳陽地區(qū)典型的粉質(zhì)黏土地基固結(jié)快剪、固結(jié)慢剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定,提供了新的途徑和方法.

[1] 盧肇鈞. 黏性土抗剪強(qiáng)度的研究與展望[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 1999, 32(4): 3～9

[2] 范 越. 淺論塑性指數(shù)IP的工程意義[J]. 建設(shè)科技, 2009(4): 54

[3] 王 麗, 梁 鴻. 含水率對粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度的影響研究[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009,30(1): 170～174

[4] 羅嗣海, 黃松華, 胡火旺. 部分排水剪切時(shí)土的抗剪強(qiáng)度[J]. 四川建筑科學(xué)研究, 2000, 26(4): 41～43

[5] GB/TT50123-1999. 土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 中國計(jì)劃出版社, 1999

Study on Empirical Formula of Shear Strength Index of Typical Clayey Foundation in Yueyang Area

LIU Fan, LIU Xiao-hong, LI Xiao-gang, CHEN De-cheng
(College of Civil Engineering and Architecture, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

In view of the typical clayey foundation of Yueyang area, conducting direct shear test under different drainage condition, large test data of direct shear intensity index was acquired. Based on analysis of test data, the concept and definition of shear strength index of normalized parameter were put forward for the first time; the analysis of normalized parameter under different condition indicates that liquidity index is main factor influencing the parameter and four normalized parameter along with the change of liquidity index curve and corresponding empirical formula were given. Based on normalized parameter and quick shear strength index, shear strength index of more time-consuming consolidated quick shear and consolidated slow shear can be figured out. The research ideas and empirical formula of this thesis not only can be served for providing new way of confirmation the shear strength index of typical clayey foundation in Yueyang area, also can be generalized to determine the shear strength index of other types of foundation soil and other area.

shear strength index; normalized parameters; empirical formula; clayey foundation

TU411.7

A

1672-5298(2014)04-0078-05

2014-08-22

湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目; 湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(11C0619); 湖南省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題(XJK012CGD008)

劉 凡(1992? ), 男, 湖南邵陽人, 湖南理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院2011級土木工程專業(yè)本科生. 主要研究方向: 巖土工程