粘性土不同剪切方法所求指標(biāo)對(duì)比

崔文良 （安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230001）

1 引言

抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)分為直剪試驗(yàn)與三軸剪切試驗(yàn)。根據(jù)排水條件的不同，三軸試驗(yàn)分為不固結(jié)不排水（UU）、固結(jié)不排水（CU）和固結(jié)排水（CD）試驗(yàn)，直剪試驗(yàn)分為快剪、固結(jié)快剪和慢剪試驗(yàn)［1］。

直剪試驗(yàn)有不能嚴(yán)格控制試樣排水，破壞面人為固定等缺點(diǎn)。對(duì)于均勻各向同性的土，直剪試驗(yàn)是三軸試驗(yàn)的一種特殊情況，兩種試驗(yàn)的結(jié)果基本可以相互對(duì)應(yīng)［2］?？赏ㄟ^(guò)對(duì)三軸試驗(yàn)的研究，來(lái)粗略比較直剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)大小。

土的抗剪強(qiáng)度影響因素很多，亨開(kāi)爾等學(xué)者證實(shí)，對(duì)于同一種正常固結(jié)或超固結(jié)的飽和粘性土，剪切破壞時(shí)土樣的密度和強(qiáng)度間存在唯一性關(guān)系，與其他因素?zé)o關(guān)，即密度越大強(qiáng)度越大，這一規(guī)律稱為“密度-有效應(yīng)力-抗剪強(qiáng)度”唯一性關(guān)系［3］。

在三軸試驗(yàn)中，當(dāng)有效圍壓（當(dāng)今試驗(yàn)圍壓）大于等于先期固結(jié)壓力時(shí)，稱土樣處于正常固結(jié)狀態(tài)，而當(dāng)有效圍壓小于先期固結(jié)壓力時(shí)，則稱土樣處于超固結(jié)狀態(tài)。

2 三軸試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度包線

2.1 正常固結(jié)狀態(tài)

歷史上從未受過(guò)任何應(yīng)力固結(jié)的飽和粘性土，為很軟的泥漿，先期固結(jié)壓力為0，加載時(shí)土樣會(huì)一直處于正常固結(jié)狀態(tài)。當(dāng)圍壓等于0，抗剪強(qiáng)度為0，UU、CU和CD抗剪強(qiáng)度包線通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)［3］。

UU試樣始終沒(méi)有固結(jié)排水，密度沒(méi)有變化，根據(jù)“密度-有效應(yīng)力-抗剪強(qiáng)度”唯一性關(guān)系，不管施加的圍壓有多大，破壞時(shí)土的抗剪強(qiáng)度必定相同。因此總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度包線是一條水平線。太沙基1932年所做三軸試驗(yàn)得到的就是這個(gè)結(jié)果。但通常由于土試樣的飽和度沒(méi)有達(dá)到100%，UU抗剪強(qiáng)度包線會(huì)出現(xiàn)一個(gè)比較小的傾角，但這個(gè)傾角是由氣泡的壓縮所致，并不真的存在這個(gè)內(nèi)摩擦角［2］。

CD與CU發(fā)生固結(jié)，按照密度大，抗剪強(qiáng)度大的規(guī)律，抗剪強(qiáng)度包線向上傾斜。且CD固結(jié)更徹底，所以CD在CU抗剪強(qiáng)度包線之上。

2.2 超固結(jié)狀態(tài)

UU試驗(yàn)?zāi)康氖堑玫皆趯?shí)際地層中天然土體的強(qiáng)度，因此從地層中取出來(lái)的土樣應(yīng)盡量保證不擾動(dòng)不回彈。試驗(yàn)中試樣始終沒(méi)有固結(jié)排水，密度沒(méi)有變化，則總抗剪強(qiáng)度不變，抗剪強(qiáng)度包線是一條水平線，大小等于CU試驗(yàn)中土樣在先期固結(jié)壓力下的總抗剪強(qiáng)度。由于很難保證土樣不回彈（密度不減小），實(shí)際UU抗剪強(qiáng)度包線應(yīng)向下平移一小段，如圖1所示。

CU與CD應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程需要，考慮是否嚴(yán)格要求土樣不回彈，如在較大面積的1層填方作用下填方和地基土已經(jīng)固結(jié)，然后又施加2層填方的情況下，用到的是圍壓大于先期固結(jié)壓力的抗剪強(qiáng)度，土體回彈沒(méi)有必要做出要求。

超固結(jié)段土是經(jīng)過(guò)固結(jié)排水的，實(shí)際密度大于正常固結(jié)時(shí)的密度。按照密度大，抗剪強(qiáng)度大的規(guī)律，超固結(jié)段在正常固結(jié)段的抗剪強(qiáng)度曲線之上。

CU在圍壓小于先期固結(jié)壓力且接近0進(jìn)行剪切時(shí)，土樣發(fā)生剪脹，出現(xiàn)負(fù)的孔隙水壓力，有效應(yīng)力等于總應(yīng)力減去負(fù)孔隙水壓力，有效應(yīng)力圓（即CD應(yīng)力圓）應(yīng)在總應(yīng)力圓右邊，圍壓接近先期固結(jié)壓力時(shí)，孔隙水壓力一般會(huì)變?yōu)檎?，有效?yīng)力圓應(yīng)在總應(yīng)力圓左邊。CU與CD抗剪強(qiáng)度包線最終呈現(xiàn)圖1所示“交叉”式曲線。

圖1 土的抗剪強(qiáng)度包線

2.3 總結(jié)

綜上并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，粘性土的三軸試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)大小關(guān)系一般為（UU，CU抗剪強(qiáng)度指標(biāo)指總抗剪強(qiáng)度指標(biāo)）：

內(nèi)摩擦角CD>CU>UU，粘聚力為UU>CU≥CD。

上述大小關(guān)系，對(duì)正常固結(jié)段和超固結(jié)段均適用，當(dāng)試驗(yàn)時(shí)所取圍壓分布在先期固結(jié)壓力兩側(cè)時(shí)，CU、CD兩段抗剪折線包線簡(jiǎn)化成一條包線，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)依然滿足上述大小關(guān)系。

其實(shí)土的抗剪強(qiáng)度包線并不是一條直線，受滑動(dòng)摩擦、剪脹、擠碎和重排列等各種因素影響，只是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果我們把它簡(jiǎn)化成一條直線。

另外，一般不取圍壓很小時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，受各種因素影響，在極低圍壓下的三軸試驗(yàn)誤差很大。

其實(shí)，圖1將同一種土的UU、CU和CD抗剪強(qiáng)度包線畫(huà)在一個(gè)坐標(biāo)系是不十分準(zhǔn)確的，UU試驗(yàn)?zāi)康氖堑玫酵馏w的天然抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，在取樣制樣過(guò)程中應(yīng)盡可能保持試樣不擾動(dòng)不回彈。而CU和CD根據(jù)實(shí)際工程條件及所取的圍壓范圍不同，土體的回彈有時(shí)影響不大，一般對(duì)回彈不做要求，也有要求土樣充分回彈進(jìn)行試驗(yàn)的。也就是說(shuō)其實(shí)UU與CU和CD試驗(yàn)要求的試樣并不完全一致。

3 其他抗剪強(qiáng)度指標(biāo)大小比較

直剪試驗(yàn)不能嚴(yán)格控制試樣排水，破壞面人為固定，剪切面應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，應(yīng)力和應(yīng)變分布不均，導(dǎo)致直接剪切試驗(yàn)的快剪、固結(jié)快剪和慢剪測(cè)得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)大小關(guān)系只能近似等于三軸試驗(yàn)的大小關(guān)系。

經(jīng)驗(yàn)表明，由于試驗(yàn)儀器和方法的不同，直接剪切所得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)一般略高于三軸試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，常乘以0.9的系數(shù)［3］。

非飽和土中由于基質(zhì)吸力［4］的存在，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)比飽和后（孔隙比不變）的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)大。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

由于非飽和土的理論依據(jù)不成熟，直剪試驗(yàn)各種條件難以控制，這里只進(jìn)行三軸試驗(yàn)CD、CU和UU抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的大小關(guān)系的驗(yàn)證。

工程上的天然土要復(fù)雜得多，應(yīng)力歷史不明，均勻性有一定偏差，取土質(zhì)量難以完全保證。因此實(shí)驗(yàn)室制備一種合肥地區(qū)取土的重塑飽和粘性土，塑性指數(shù)20，灰黃色。將其按照先期固結(jié)壓力為150kPa進(jìn)行固結(jié)后并卸壓，得到“固結(jié)飽和粘性土”。

采用同一試驗(yàn)人員，同一設(shè)備，同時(shí)間地點(diǎn)環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)。每種試驗(yàn)進(jìn)行10組并取平均值。最終結(jié)果如表1，滿足上述三軸試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)大小的結(jié)論。

表1

5 總結(jié)

上述結(jié)論是在理想狀態(tài)與大量假設(shè)的前提下，并參考大量的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)得出的。因?yàn)閷?shí)際試驗(yàn)影響因素眾多，很多試驗(yàn)結(jié)果與上述結(jié)論不符也屬正常。

本結(jié)論對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理人員有一定的參考價(jià)值。在進(jìn)行日常試驗(yàn)生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)以實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)為主，并結(jié)合本結(jié)論，作為數(shù)據(jù)取舍修改或重新試驗(yàn)的依據(jù)。

抗剪強(qiáng)度不同于抗剪強(qiáng)度指標(biāo)?？辜魪?qiáng)度指標(biāo)是用來(lái)計(jì)算抗剪強(qiáng)度的。不同的試驗(yàn)條件，得出的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是不同的。

土的抗剪強(qiáng)度機(jī)理及影響因素十分復(fù)雜，不能將粘聚力與內(nèi)摩擦角截然分開(kāi)。在形式上分開(kāi)，只是基于分析和解決問(wèn)題的方法。土的土抗剪強(qiáng)度庫(kù)倫公式為：τf=c+σtanφ，工程上直接使用抗剪強(qiáng)度τf也是可行的［5］。