土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法及指標(biāo)的應(yīng)用

1、土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法及指標(biāo)的應(yīng)用 土是自然界漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代內(nèi)所形成的一種非連續(xù)、各向異性明顯的多孔松散堆積物，是由固體顆粒、水和氣體三相體系組成的。即使是同一土層，其性質(zhì)仍有一定的差異。它既不是理想的彈性材料，也不是理想的塑性材料，土的三相組成使其工程性質(zhì)表現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜性質(zhì)復(fù)雜、不均勻、各向異性的材料，三相之間的相互作用對(duì)土的抗剪強(qiáng)度有很大的影響，同時(shí)，土中的孔隙水壓力等對(duì)土的強(qiáng)度影響也是不可忽視的。根據(jù)有效應(yīng)力原理，土的強(qiáng)度指標(biāo)中分為有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)和總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)，總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)又分為固結(jié)不排水和不固結(jié)不排水強(qiáng)度指標(biāo)。在室內(nèi)或室外試驗(yàn)與測(cè)試中，不同的試驗(yàn)方法或條件所測(cè)得測(cè)得結(jié)果是有較大差別的

2、。這就需要我們盡可能選擇選擇與工程實(shí)際條件相似的試驗(yàn)方法。土的抗剪強(qiáng)度是土體抵抗剪切破壞的極限能力，是土的重要力學(xué)性質(zhì)之一。主要對(duì)與土的抗剪強(qiáng)度有關(guān)的試驗(yàn)方法及其在工程中應(yīng)用的問(wèn)題做了介紹和探討。 土強(qiáng)度的試驗(yàn)方法及應(yīng)用。土的抗剪強(qiáng)度是指土體抵抗剪切破壞的能力。在土力學(xué)中，采用摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，用內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力兩個(gè)指標(biāo)描述土的抗剪強(qiáng)度規(guī)律，即在土的破裂面上，抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力增長(zhǎng)的規(guī)律。土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和土的原始狀態(tài)、應(yīng)力路徑、應(yīng)力歷史、排水條件等因素有關(guān)，考慮不同因素影響時(shí)，應(yīng)采用不同的試驗(yàn)方法。土的抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法，目前室內(nèi)最常用的是直接剪切試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)，后者是較為完善的方法。土

3、的剪切試驗(yàn)有三種方法：不固結(jié)不排水水剪（uu）；固結(jié)不排水剪（cu）；排水剪（cd）。 根據(jù)有效應(yīng)力原理，土的抗剪強(qiáng)度是由土的有效應(yīng)力決定的，孔隙水壓力對(duì)于土的抗剪強(qiáng)度沒(méi)有任何作用，在沒(méi)有超靜孔隙水壓力或者孔隙水壓力可以確定時(shí)，都應(yīng)當(dāng)用有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。 上述3種試驗(yàn)方法中不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)結(jié)果只能用總應(yīng)力指標(biāo)表示，排水剪試驗(yàn)結(jié)果就是有效應(yīng)力指標(biāo)（ d= ），只有固結(jié)不排水剪試驗(yàn)結(jié)果可用總應(yīng)力或有效應(yīng)力指標(biāo)來(lái)表示。 主應(yīng)力 （kpa）用總應(yīng)力表示： 用有效應(yīng)力表示： 土體破壞面上的抗剪強(qiáng)度；土的總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；土的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；剪切面上的總應(yīng)力；剪切面上的有效應(yīng)力；土體破壞時(shí)的超孔

4、隙水應(yīng)力。 在剪切試驗(yàn)過(guò)程中試樣內(nèi)的有效應(yīng)力（或孔隙水應(yīng)力）將隨剪切前試樣的固結(jié)程度和剪切中排水條件而異。因此，同一種土如用不同的方法進(jìn)行試驗(yàn)，即使剪切破壞面上法向總應(yīng)力相同，其抗剪強(qiáng)度也未必相同。當(dāng)以有效應(yīng)力來(lái)表示試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，不同的試驗(yàn)方法引起的強(qiáng)度差異可通過(guò)（）反映出來(lái)，其有效應(yīng)力強(qiáng)度基本不變。當(dāng)以總強(qiáng)度指標(biāo)表示試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，強(qiáng)度的差異則是通過(guò)總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)反映，不同的試驗(yàn)方法得時(shí)的總強(qiáng)度指標(biāo)是不同的，它反應(yīng)出土在一定排水條件下其抗剪強(qiáng)度的變化。 對(duì)于同種土，在相同的應(yīng)力及排水條件下，雖然總應(yīng)力指標(biāo)和有效應(yīng)力指標(biāo)不同，但其抗剪強(qiáng)度是相等的。 用有效應(yīng)力表示土的強(qiáng)度指標(biāo)它不隨排水條件的改變而

5、發(fā)生變化，但在具體工程計(jì)算中一般比較困難，使其應(yīng)用受到一定的限制，實(shí)際工程中總應(yīng)力法應(yīng)用的比較普遍。天然地基不可能完全排水或完全不排水，而是處于兩者之間，它與土層浸透性及排水邊界條件有關(guān)。 如果能夠求得有效應(yīng)力就要使用有效應(yīng)力指標(biāo)來(lái)計(jì)算，因?yàn)橛行?yīng)力計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際。但多數(shù)工程，計(jì)算有效應(yīng)力是比較困難的，在只知道總應(yīng)力條件下，就只可用總應(yīng)力法使用總應(yīng)力指標(biāo)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。 關(guān)于強(qiáng)度指標(biāo)的正確選用，目前在一些工程技術(shù)人員中存在一些誤解或者模糊的認(rèn)識(shí)，這需要我們加強(qiáng)對(duì)土力學(xué)基本概念和原理的理解并在工程實(shí)踐中逐步提高，正確合理地解決與土的強(qiáng)度有關(guān)的工程問(wèn)題。 不固結(jié)不排水試驗(yàn)的應(yīng)用。不固結(jié)不排水剪強(qiáng)

6、度是在完全不排水條件下試驗(yàn)得到的，它是土體在某個(gè)應(yīng)力狀態(tài)下的總強(qiáng)度。如果這個(gè)應(yīng)力狀態(tài)是天然狀態(tài)，則這個(gè)強(qiáng)度就是天然強(qiáng)度，如果是在某種條件下預(yù)固結(jié)后再取土做的不固結(jié)不排水試驗(yàn)，那么這個(gè)強(qiáng)度就表示預(yù)壓結(jié)束時(shí)的總強(qiáng)度，與天然強(qiáng)度之差就是土的強(qiáng)度隨固結(jié)度的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)的量，無(wú)論什么條件下得到的不固結(jié)不排水強(qiáng)度都只能給出一個(gè)總強(qiáng)度。理論上不固結(jié)不排水得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo) =0，但實(shí)際測(cè)試中得到的 一般都大于0，這主要是由于飽和土在取樣過(guò)程土樣從原位應(yīng)力狀態(tài)（ 0）減少到總應(yīng)力為0，而為了能夠保持原狀土的不回彈與體積不變，需要有一個(gè)負(fù)的超靜孔隙水壓力，即 r=-ur。 如果不能滿足試樣完全不回彈與不擾動(dòng)，則可

7、以在原位有效自重壓力下固結(jié)，然后再進(jìn)行三軸不排水試驗(yàn)測(cè)定土的強(qiáng)度指標(biāo)。如果取樣后土樣有的有效應(yīng)力已經(jīng)減少，甚至巳卸載到o，則需要施加固結(jié)壓力 3=-ur使試樣的體積與原位體積相同。對(duì)于一正常固結(jié)飽和帶土層，可取其層中點(diǎn)的有效自重應(yīng)力固結(jié)到原位體積以后，再進(jìn)行幾個(gè)圍壓的三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)，而不能按每一深度的實(shí)際自重應(yīng)力分別固結(jié)，再將用不同深度的試樣破壞時(shí)的莫爾圓的包線作為強(qiáng)度包線，這樣得到的強(qiáng)度指標(biāo)就不是不排水而是固結(jié)不排水的強(qiáng)度指標(biāo)了。無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)得到的強(qiáng)度qu有時(shí)也叫做無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。它是uu試驗(yàn)的一種特殊情況，亦即施加的圍壓為0，而實(shí)際的有效圍壓為-ur。用這種試驗(yàn)同樣可以得到不排水抗

8、剪強(qiáng)度cu=qu/2。 原位的十字板剪切試驗(yàn)也是測(cè)定飽和軟粘土不排水強(qiáng)度的一種方法。由于受試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)力路徑、土樣的擾動(dòng)程度、儀器設(shè)備的影響，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)十宇板剪切試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)、不排水三軸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)的快剪試驗(yàn)得到的結(jié)果不可能完全一致。 不固結(jié)不排水強(qiáng)度是天然強(qiáng)度，不是強(qiáng)度指標(biāo)；它是總強(qiáng)度，反映了某種狀態(tài)的結(jié)果；但無(wú)法反映土的抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力變化的規(guī)律；其強(qiáng)度隨深度而增長(zhǎng)，但不能提供其平均值。 例如，在土壩邊坡的穩(wěn)定分析中，安全系數(shù)可能出現(xiàn)最小值的時(shí)期有施工期、穩(wěn)定期和庫(kù)水位突降期，而各個(gè)時(shí)期填土受力后的固結(jié)和排水條件是不同的。用總應(yīng)力分析法時(shí)，必須選擇與它們大體相當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方法。

9、粘性土坡施工期，如果不發(fā)生孔隙水壓力消散，則可采用不固結(jié)不排水試驗(yàn)（uu）；在填土中要形成穩(wěn)定滲流需要很長(zhǎng)時(shí)間，因此，模擬穩(wěn)定滲流期可采用固結(jié)排水剪試驗(yàn)（cd）；而庫(kù)水位突降期則大體相當(dāng)于固結(jié)不排水剪試驗(yàn)（cu）。這種模擬是近似的，因此，用總應(yīng)力分析方法估算土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的精確度不可能很高。當(dāng)用有效應(yīng)力法分析時(shí)，只需要進(jìn)行固結(jié)排水試驗(yàn)或固結(jié)不排水試驗(yàn)并測(cè)定試驗(yàn)中的孔隙水壓力的大小。在設(shè)計(jì)中則要估算各個(gè)時(shí)期的孔隙水壓力。然而，根據(jù)目前的技術(shù)水平，較準(zhǔn)確的孔隙水壓力數(shù)據(jù)只能依靠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。因此，盡管有效應(yīng)力分析法概念清楚，但因土的應(yīng)力歷史、固結(jié)和排水條件以及不均勻性的影響，給孔隙水壓力的準(zhǔn)確預(yù)估帶

10、來(lái)了困難，這也會(huì)影響到用有效應(yīng)力分析法估算土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的精度。 固結(jié)不排水強(qiáng)度指標(biāo)的使用。如果土體在現(xiàn)有的應(yīng)力體系中平衡并完全地固結(jié)，然后，由于某種原因而很快施加荷載形成不排水情況，這時(shí)就適用于固結(jié)不排水強(qiáng)度指標(biāo)。如：在土壩施工中底部填土地基已經(jīng)固結(jié)穩(wěn)定，然后又很快施加上部填方部分；土壩竣工蓄水后庫(kù)水位驟降時(shí)土壩上游邊坡的穩(wěn)定分析；在一個(gè)天然士坡上很快施工一個(gè)填方。在這些情況的穩(wěn)定分析中都適于使用固結(jié)不排水強(qiáng)度指標(biāo)。 不排水強(qiáng)度指標(biāo)的使用。如果在粘性土工程問(wèn)題中，如荷載是很快地被施加，而引起的超靜孔隙水壓力沒(méi)有時(shí)間消散，那么所施加的外力全部為超靜孔隙水壓力所承擔(dān)，士也沒(méi)有時(shí)間在這種荷載產(chǎn)生

11、的圍壓下固結(jié)，完全保持初始的有效應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)的強(qiáng)度為天然強(qiáng)度。在下列幾種情況下可以采用不排水強(qiáng)度指標(biāo)：在正常固結(jié)軟粘土地基上很快填筑土方的工程；土壩快速施工，竣工后其心墻未固結(jié)；在正常固結(jié)粘土地基上快速施工建筑物。 這些工程的穩(wěn)定分析和承載力驗(yàn)算中的控制條件是剛剛施加了荷載之后。而隨著時(shí)間的延續(xù)，孔壓消散，土被固結(jié)，地基或邊坡也變得更加安全了。實(shí)際工程的施工工程中，大部分屬于“部分固結(jié)”的情況，使用不排水強(qiáng)度指標(biāo)是偏于安全的。 室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定原狀地基土的不排水強(qiáng)度指標(biāo)需要有良好的取樣技術(shù)和設(shè)備，當(dāng)取樣深度大，試樣有回彈和擾動(dòng)時(shí)可采用相應(yīng)于原位有效自重應(yīng)力的預(yù)固結(jié)，進(jìn)行不排水試驗(yàn)。 在工程中應(yīng)根據(jù)土質(zhì)、排水條件、加載速度選擇試驗(yàn)方法?？倯?yīng)力法應(yīng)用較方便，對(duì)要求不高的工程可用該法求取土的抗剪強(qiáng)度。