土的抗剪強度試驗研究探討

羅和平

(山西省地質工程勘察院，山西太原 030024)

土的強度理論是土力學中除滲透理論和變形理論之外的又一重要研究課題。其主要應用于地基承載力和穩(wěn)定性、邊坡和路基穩(wěn)定性、擋土墻結構的土壓力三方面的評價與研究中。研究各種材料的破壞強度有不同的強度理論，而對于土體的破壞，一般采用摩爾—庫侖強度理論，土體內的某一面上的剪應力，如果達到該面上的抗剪強度時，剪切變形將不斷增大，變形速率加快，直至土體出現(xiàn)連續(xù)的破壞面，將引起基礎嚴重下陷和傾倒、土的塌方和滑坡等破壞現(xiàn)象。反之，如果該面上的剪應力小于其抗剪強度，則地基就能夠支撐建筑物的荷載而不被破壞，土坡就能夠維持穩(wěn)定而不滑塌。所以土的抗剪強度就是土體在剪應力的作用下，當發(fā)生一部分土沿另一部分土滑動時，所具有的抵抗剪切的極限強度。因此，土的強度問題其實質就是抗剪強度問題，而土體的破壞過程就是喪失穩(wěn)定性的過程。所以，在土的穩(wěn)定性評價中，土的抗剪強度指標是最重要的基本力學參數(shù)，也是決定土體穩(wěn)定性的重要力學指標之一。為了確保建筑物的安全、邊坡路基的穩(wěn)定，研究土的抗剪強度具有非常重要的意義。

目前，土的抗剪強度指標可以通過野外和室內試驗測得，但多數(shù)土是通過室內剪切試驗獲得的。剪切試驗的方法不同，得到的土的抗剪強度結果差異很大，而試驗方法的選擇主要取決于建筑物的類型和土的特性。所以選用合理的試驗方法，才能為工程提供準確可靠的抗剪強度指標。

土的抗剪強度性能主要由土的物質成分和結構、構造特征決定，不同地區(qū)、不同成因、不同類型土的抗剪強度往往有很大差別，即使同一種土，在不同的干密度、儀器形式、試驗方法的條件下，其抗剪強度也不相同。

本文通過對不同干密度試樣進行剪切試驗，采用不同的試驗方法，通過試樣干密度的縱向對比，試驗方法的橫向對比，分析探討土的抗剪強度指標。

1 試驗部分

1.1 試驗儀器

ZJ型應變控制式直剪儀，TSZ30-2.0型應變控制式三軸儀，均為南京土壤儀器廠生產(chǎn)。

1.2 試驗方法及類型

試驗方法依據(jù)規(guī)范［1］采用直剪剪切試驗與三軸剪切試驗。直剪剪切試驗包括直剪快剪與直剪慢剪，三軸剪切試驗包括三軸不固結不排水剪(UU)和三軸固結不排水剪(測孔壓)(CU)，且三軸(UU)包括飽和與非飽和兩種狀態(tài)，三軸(CU)為飽和狀態(tài)。

1.3 樣品來源及其物理指標

樣品選用引黃北干工程某地黃土，采用兩種試樣:一種為低液限粉土，其液限為26.4%，塑限為17.2%，塑性指數(shù)為9.2，顆粒分析表明粒徑小于0.005 mm的含量為13.1%;另一種為低液限粘土，其液限為31.5%，塑限為18.1%，塑性指數(shù)為13.4，顆粒分析表明粒徑小于0.005 mm的含量為20.8%。

2 試驗結果與分析

對低液限粉土進行了5個不同干密度的剪切試驗，對低液限粘土進行了4個不同干密度剪切試驗。試驗結果以平均值統(tǒng)計，主要試驗結果分別列于表1和表2。

表1 低液限粉土的試驗結果統(tǒng)計表

表2 低液限粘土的試驗結果統(tǒng)計表

從表1，表2的試驗結果統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，無論是低液限粉土，還是低液限粘土，在直剪快剪試驗中，粘聚力c與內摩擦角φ均與土的干密度成正比關系，即干密度越大，相應的抗剪強度越大。在三軸剪切試驗中，兩種土的非飽和狀態(tài)下三軸不固結不排水剪(UU)，所測得的抗剪強度也呈現(xiàn)這種規(guī)律。這與其他著作［2］中土的抗剪強度結論一致。對于直剪慢剪試驗，粘聚力與土的干密度的相關性不大，但內摩擦角與土的干密度成正比關系，干密度越大，其內摩擦角也越大，其原因可能是在直剪慢剪試驗中，試樣在固結過程中內部結構產(chǎn)生變化的結果。飽和狀態(tài)的三軸不固結不排水剪(UU)的試驗結果表明，土的粘聚力與土的干密度也成正比關系，隨土的干密度增大而增大，但其內摩擦角不存在這一關系，而是基本在某一值附近保持不變。究其原因是飽和粘性土在試驗時，在試樣加壓過程中不排水，土樣中的孔隙水沒有排出，其孔隙水壓力得不到消散，土的有效應力就不能增加，則土的抗剪強度就得不到提高。三軸固結不排水剪(測孔壓)(CU)試驗表明，土的干密度大小對其粘聚力的影響不相關，可能是由于試樣在抽氣飽和過程中，水進入試樣中與土顆粒產(chǎn)生相互作用，在固結排水過程中，土顆粒又發(fā)生了重新排列所造成的，而內摩擦角不論是總內摩擦角，還是有效內摩擦角均隨土的干密度增大而增大。對于相同的試樣狀態(tài)，實驗過程中都不固結不排水，即直剪快剪和三軸(UU)非飽和狀態(tài)試驗對比，三軸所測得土的粘聚力與內摩擦角均比直剪快剪要小，也即三軸所測得的土的抗剪強度小。對同一干密度的兩種土對比，低液限粘土的粘聚力比低液限粉土的粘聚力要大，即土的粘粒含量越大，土的粘聚力相應的越大。不同狀態(tài)土的同一種試驗結果相差較大，如三軸(UU)的兩種試驗結果就差別很大。直剪慢剪測得的土的抗剪強度與三軸固結不排水剪(測孔壓)測得的土的有效抗剪強度均較大。

3 結語

1)土的干密度對抗剪強度影響比較復雜，一般成正比關系; 2)不同的試驗方法所測得的土的抗剪強度不同;3)土的不同狀態(tài)所測得的土的抗剪強度不同。因此，工程技術人員與試驗工作人員，應根據(jù)建筑場地工程地質勘察的實際地質情況、建筑物的具體情況等因素，確定選用哪種狀態(tài)下的剪切試驗方法，確保所測得的土的抗剪強度與工程實際相符。

［1］ GB/T 50123—1999，土工試驗方法標準［S］.

［2］ 胡中雄.土力學與環(huán)境土工學［M］.上海:同濟大學出版社，1997:30.