巖土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)剖析

李全軍+葛鵬+臧一平

摘要：巖土體是自然界的產(chǎn)物，客觀上它既是空間的也是時間的函數(shù)，有其獨(dú)特的規(guī)律可循，土體結(jié)構(gòu)、含水量、土粒的礦物成分、形狀、顆粒大小與顆粒級配等都對巖土體抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生影響；巖土體抗剪強(qiáng)度與粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ成線性關(guān)系；土的抗剪強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)中，儀器的種類和試驗(yàn)方法以及模擬土剪切破壞時的應(yīng)力和工作條件好壞，對確定強(qiáng)度值有很大的影響。由此確定的抗剪強(qiáng)度參數(shù)也有其差異性、規(guī)律性。

關(guān)鍵詞：抗剪強(qiáng)度；粘聚力；內(nèi)摩擦角；直剪試驗(yàn)；三軸剪切試驗(yàn)

巖土的強(qiáng)度不是礦物顆粒本身的強(qiáng)度而是顆粒間的相互作用——主要是抗剪強(qiáng)度（剪切破壞），由顆粒間的內(nèi)摩察力以及由膠結(jié)物和水膜的分子引力所產(chǎn)生粘聚力共同組成。法國科學(xué)家?guī)靵觯–oulomb，1773）根據(jù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在法向應(yīng)力不大時，抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系近似為一條直線，這就是抗剪強(qiáng)度的庫侖定律。砂土抗剪強(qiáng)度表達(dá)式，τf=σtanφ；粘性土的抗剪強(qiáng)度表達(dá)式：τf=c+σtanφ[1]。

一、抗剪強(qiáng)度的影響因素

對于無粘性土，其抗剪強(qiáng)度僅僅是粒間的摩擦力，而對于粘性土其抗剪強(qiáng)度由粘聚力和摩擦力兩部分組成?？辜魪?qiáng)度摩擦力σtanφ主要來自兩個方面：一是滑動摩擦，即剪切面土粒間表面的粗糙所產(chǎn)生的摩擦作用；二是咬合摩擦，即由粒間互相嵌入所產(chǎn)生的咬合力。因此，抗剪強(qiáng)度的摩擦力除了與剪切面上的法向應(yīng)力有關(guān)以外，還與土的原始密度、土粒的形狀、表面的粗糙程度以及級配等因素有關(guān)?？辜魪?qiáng)度的粘聚力C一般由土粒之間的膠結(jié)作用和電分子引力等因素所形成，因此粘聚力通常與土中粘粒含量、礦物成分、含水量、土的結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)。

土的顆粒越粗，形狀越不規(guī)則、表面越粗糙，φ值越大，內(nèi)磨擦力越大，抗剪強(qiáng)度也越高。粘土礦物成分不同，其粘聚力也不同。土中含有多種膠合物，可使C增大。

土的初始密度越大，土粒間接觸較緊，土粒表面摩擦力和咬合力也越大，剪切試驗(yàn)時需要克服這些土的剪力越大，內(nèi)磨擦角越大；粘性土的緊密程度越大，粘聚力c值也越大。

含水量的多少，對土抗剪強(qiáng)度的影響也十分的明顯。土中含水量大時，會降低土粒表面上的磨擦力，使土的內(nèi)磨擦角值減?。徽承酝梁吭龈邥r，會使結(jié)合水膜加厚，因而也就降低了粘聚力。

土體結(jié)構(gòu)的影響：擾動情況下粘性土的天然結(jié)構(gòu)被破壞，其抗剪強(qiáng)度就會明顯下降，因此原狀土的抗剪強(qiáng)度高于同密度和含水量的重塑土。

二、土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法、指標(biāo)參數(shù)的獲取

為了近似模擬土體在現(xiàn)場可能受到的受剪條件，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備條件、技術(shù)能力，目前室內(nèi)測定抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法有直接剪切試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)[2]。

直接剪切試驗(yàn)是通過采用不同的加荷速度來達(dá)到排水控制的要求。因此直接剪切試驗(yàn)中對應(yīng)不同的加荷速度分為三種不同試驗(yàn)方法——快剪、固結(jié)快剪和慢剪。

依據(jù)排水情況的不同，三軸壓縮試驗(yàn)也分為三種類型：即不固結(jié)不排水剪（UU），固結(jié)不排水剪（CU）和固結(jié)排水剪（CD）；直接剪切試驗(yàn)具有儀器構(gòu)造簡單，操作方便的優(yōu)點(diǎn)以及我國長期習(xí)慣采用的優(yōu)勢，但它同時具有不能控制排水條件、測不出剪切過程中孔隙水壓力的變化、剪切面人為固定以及剪切面上的應(yīng)力分布不均等缺點(diǎn)，而三軸壓縮試驗(yàn)都克服了以上缺點(diǎn)。

三、指標(biāo)（參數(shù)）間關(guān)系規(guī)律性研究

土的抗剪強(qiáng)度主要依靠室內(nèi)試驗(yàn)和原位測試確定，試驗(yàn)中，儀器的種類和試驗(yàn)方法以及模擬土剪切破壞時的應(yīng)力和工作條件好壞，對確定強(qiáng)度值有很大的影響。多年的巖土工程經(jīng)驗(yàn)以及大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明：

（一）直剪試驗(yàn)中：固結(jié)快剪得到的指標(biāo)大于直接快剪。淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土的φ值變化較大，c值略有增大；粉土的φ值和c值變化都不大，粉質(zhì)黏土當(dāng)IL>0.25時，φ值變化較大，c值略有增大，當(dāng)IL<0.25時，φ值和c值變化都不大[3]。

（二）三軸試驗(yàn)中：由于固結(jié)不排水剪（CU）在排水固結(jié)過程中排水是三軸方向的，有利于土樣充分排水固結(jié)。淤泥質(zhì)黏土經(jīng)充分排水固結(jié)后，土樣的密度增大，粉土狀態(tài)變?yōu)槊軐?shí)；因此固結(jié)不排水剪（CU）得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均大于不固結(jié)不排水剪（UU）。淤泥質(zhì)粘土固結(jié)不排水剪（CU）φ值、c值變化都較大；粉土固結(jié)不排水剪（CU）的φ值都大于不固結(jié)不排水剪（UU）的φ值，而且c值變化更大。

（三）直剪固結(jié)快剪試驗(yàn)比三軸固結(jié)不排水剪試驗(yàn)所得的指標(biāo)均較小。直剪固結(jié)快剪的固結(jié)排水是垂直方向的，而三軸固結(jié)不排水剪（CU）的固結(jié)排水是三軸方向的，排水更充分；而且剪切方法不同，固結(jié)快剪是在水平方向施加剪應(yīng)力使試樣破壞，土樣的剪損面開始是固定的；三軸固結(jié)不排水剪（CU）是在周圍有壓力的情況下垂直方向施加主應(yīng)力使土樣破壞，土樣的剪損面不是固定的，故其φ值和c值均有較大變化，粉質(zhì)粘土和粘土差異性較小，粉土差異最大。

（四）直剪快剪比三軸不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)所得強(qiáng)度指標(biāo)都偏大。直接快剪的剪切面是固定的，而剪切面積隨剪切位移的增加而減小，剪應(yīng)力和剪應(yīng)變分布都不均勻，且不能嚴(yán)格控制排水，部分水分從剪切盒縫隙排出，使得含水率較大的試樣內(nèi)摩擦角φ值偏大。而三軸（UU）試驗(yàn)的剪切面是不固定的，剪切面是沿著土樣抗剪能力最弱的面破壞，剪應(yīng)力和剪應(yīng)變分布均勻，而且能嚴(yán)格控制排水，試驗(yàn)結(jié)果更接近于土樣的實(shí)際理論值。

結(jié)語：總之，三軸固結(jié)不排水剪強(qiáng)度指標(biāo)均大于直剪固快強(qiáng)度指標(biāo)；直剪固快強(qiáng)度指標(biāo)均大于直剪快剪強(qiáng)度指標(biāo)；直剪快剪強(qiáng)度指標(biāo)大于三軸不固結(jié)不排水強(qiáng)度指標(biāo)。各指標(biāo)的變化幅度及差異性因土質(zhì)、取樣的等級、試驗(yàn)工作精細(xì)密度不同而有較大的變化。

參考文獻(xiàn)

[1]張克恭，劉松玉.土力學(xué)[M].1版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[2]GB/T50123-1999，土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]吳秀勤.不同剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)差異性比較[J].浙江建筑，2007，24（5）；28-31.