土的不同抗剪方法对强度指标的影响分析研究

　　一、前言

　　水利工程中，研究水坝、地基土体的强度和稳定性是十分重要的。因为当建筑物的荷重通过基础传至地基土时，若附加压力超过地基或坝体土的强度时，上体就会破坏，致使上部建筑物失稳。土的强度作为土的重要力学性能之一，与土的抗剪强度有关工程问题主要即为土工结构物稳定。所谓土的抗剪强度是指土体在外部荷载作用下产生的剪应力的抵抗能力，是建筑物地基承载能力与稳定性、边坡稳定、挡土结构的土压力等土工工程的设计和验算提供理论依据和计算指标，能否正确有效地确定抗剪强度往往是设计质量和工程成败的关键所在，而土又不同于钢材、塑料等材料，土类别繁多，成因各异，特性也千差万别。土的强度不仅取决于土的种类，而且更大程度不是一个常数，而是随着条件的不同而变动的，工程地质人员必须用各种测试手段来综合分析提供。

　　二、直剪试验

　　目前受各种条件限制，室内试验大多数情况下仍然以直剪试验为主，我国在指标使用中已积累了大量经验，在工程设计实际中应用也较为广泛。

　　2.1 影响慢剪因素

　　慢剪是竖向压力施加后，让土体排水固结，固结后以慢速施加水平剪力，使土样在变剪过程中一直有部分时间排水和产生体积变形，得到指标用Cs、Фs表示，白建光等依托于内蒙古农业大学博士基金项目“细粒土抗剪强度指标影响因素分析研究”。在论文中提出在慢剪条件下剪切试验的设计方案，影响剪切强度的指标有土的应力历史及温度等，根据正交实验得出实验结论为内摩擦角对空隙比的变化最敏感，对含水率次之，对塑性指数变化敏感性最小，粘聚力对空隙比、含水率等塑性指数变化的敏感度同内摩擦角相同，粘聚力与塑性指数呈正相关系，其余均为负相关系。

　　2.2 快剪

　　快剪是竖向压力施加后立即加水平剪力进行剪切，而且剪切的速率也很快。一般从加荷到剪坏只用3-5min，由于剪切速率快，可以认为土样在这样短暂时间内没有排水固结或者说模拟了“不排水”剪切情况。得到的强度指标Cq，Фq表示。林育芬在研究中总结出土经排水固结压密，其过程主要是孔隙中自由水的挤出，排出孔隙后才能使土体孔隙减少，土粒压紧，摩阻力增大，凝聚力增加。所以与固结快剪指标值的凝聚力和摩擦角相比，快剪的指标值要小些。蔡渊蛟等在研究直剪快剪试验时，研究两个不同因素垂直荷重和剪切速率对剪切强度的影响，得出结论室内直剪试验中剪切速率对土的强度影响较小，抗剪强度随剪切速率增大而略有增大。较快的剪切速率(2.4mm/min)比正常的剪切速率(1.2mm/min)抗剪强度提高约5%。而垂直荷重对土的试验强度影响显著。大垂直荷重比较小垂直荷重凝聚力提高20%~35%，而摩擦角降低19%~44%。总抗剪强度在不同的垂直压力阶段的大小不同，按垂直荷重从小到大方向，开始阶段较大的垂直荷重序列所得总抗剪强度较高，至150~200kPa两个垂直荷重序列所得土的总抗剪强度相等，之后则较小的垂直荷重序列所得总抗剪强度较高。

　　2.3 固结快剪各影响因素研究

　　固结快剪是竖向压力施加后，给以充分时间使土样排水固结。固结终了后再施加水平剪力，快速地(约3~5min)把土样剪坏，即剪切时模拟不排水条件。得到的指标用Ccq，Фcq表示，在研究地基强度时，粘土层较厚，排水条件不佳，施工期短，则土层来不及固结，可采用快剪法测定土的抗剪强度;土层薄，排水条件较好，施工期长，估计施工期间土层可能充分固结，就可采用慢剪法测定，固结快剪法介于二者之间。在水利工程与民用建筑工程中，根据工程施工条件和场地地质条件，在研究地基强度时，确定土的抗剪强度，大部分是用固结快剪法测定。

　　刘天韵在《直剪试验固结快剪指标影响因素探讨》中，通过不同预压时间不同类型剪切仪，不同剪切速率对直剪固结快剪强度指标进行分析，得出如下结论：(1) 预压固结时间对直剪固结快剪强度指标有一定影响，预压固结时间越长，土样产生的次固结越大，抗剪强度会有一定的提高。(2) 在相同的固结时间、剪切速率和规范操作条件下，剪切仪器对抗剪强度指标影响很小。电动直剪仪因其可以稳定控制剪切速率，所得试验结果离散性较小。(3)剪切速率对直剪固结快剪强度指标影响很大，其原因是土样在剪切过程中受剪力盒水平压应力作用，土样会产生垂直向附加应力和超孔隙水应力。当剪切速率不同时，剪损时间不同，超孔隙水应力消散的程度不同，垂直向附加应力转化为有效应力的程度也不同，因此得到的抗剪强度指标也相差很大。

　　同时，潘永坚等也研究了不同剪切速率下固结快剪抗剪强度的影响，通过对34组软土原状土样的室内试验分析，剪切速率分别为0.8mm/min和2.4mm/min，得出结论为：通过34组试验数据的分析，剪切速率对软土的直剪固结快剪抗剪强度影响较大，速率0.8mm/min比速率2.4mm/min时内摩擦角平均值增大约一倍。

　　董贵在文章中探讨了固结时间对直剪固结快剪的影响，笔者认为，土样的固结程度应根据实际工程施工条件和场地地质条件来确定。实验室的固结时间要根据工程竣工时，地基土的实际固结程度来确定，通过公示推导得出结论。

　　曲玉凤在研究固结快剪测定凝聚力时出现偏差的原因有以下方面原因：(1)土样采集：土样采集的过程中，从事试验工作的技术人员和管理人员指派没有经验的青年在不同地点取样，取样的位置与实际工程结构物的所在位置有较大出入。(2)试验时间：各类土工试验规范对固结快剪试验的进程都有明确的要求，在调查中发现各单位在试验的过程中对此重视不够。(3)直接剪切试验本身：试验本身不能控制土样排水固结，不能测土样中的孔隙水压力，无法计算土粒承受的有效应力，剪切面积随着剪切的进展而逐渐减小，但计算抗剪强度时仍是用土样的初始面积;剪切面受到限制，它不可能是土体中强度最弱的面。做固结快剪直接剪切试验时，对此认识不足往往直接影响了试验结论的可靠性。(4)库伦定律的缺陷：土的粘聚力主要来源于土颗粒之间的分子引力和土中胶结物质(如硅、铁、碳酸盐等)对土粒的胶结作用。(5)试验人员对土工试验标准的理解程度和仪器准备情况：工作人员的责任心和技术水平决定着试验结论的可靠性，有的单位专业试验人员对标准的理解不全面，技术水平不够。

　　三、三轴试验

　　在抗剪试验中，有些土质如饱和软土和渗透系数大于10-6cm/s的细粒土，由于直剪仪不能有效的控制排水。某些规范建议使用三轴仪试验。但由于我国三轴仪普及试验，因此我们还需要大量使用直剪仪。以往有人对抗剪强度中直剪和三轴进行过对比探讨和论述，如水电部第五工程局实验室以单位的试验成果表明，对某些密实粘土渗透系数k小于10-6cm/s的直剪的快剪强度系数与三轴不固结不排水剪强度参数很接近，方法的比较研究结果表明：(1)通过试验研究，对于饱和粘土，试验室在三轴仪不足的情况下完全可以用直剪仪代替(仅指不固结不排水剪，且试样的塑性指数大于20为好)。(2)对其它类型的土不宜随便更替试验方法。应按设计要求及工程实际需要，并结合地基土的实际情况，确定土的抗剪强度试验方法。

　　浙江省工程勘察院也对比了三轴固结不排水和直剪试验，得出速率0.8mm/min时软土直剪固结快剪试验不能有效控制排水，其值逼近三轴固结不排水有效应力值(CU);速率2.4mm/min时直剪固结快剪值与三轴固结不排水总应力值较相近(CU)。

　　参考文献

　　[1] 白建光，周天平等，慢剪条件下细粒土抗剪强度指标影响因素分析研究，内蒙古农业大学学报，2010.7.

　　[2] 蔡渊蛟等，直接快剪试验条件对抗剪强度的影响，西部探矿工程车，2003.12.

　　[3] 刘天韵，直剪试验固结快剪强度指标影响因素探讨，中国港湾建设，2009.12.

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