淺析土工試驗(yàn)確定黃土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的幾種方法

張建輝

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與測繪工程分院，陜西 楊凌 712100)

1 黃土強(qiáng)度指標(biāo)概述

在工程中，黃土土層發(fā)生失穩(wěn)破壞，我們通常稱為土的強(qiáng)度破壞，也就是指土的剪切破壞，所謂土的強(qiáng)度指的是土的抗剪強(qiáng)度。土體在受到外部荷載作用后，地基土中各點(diǎn)土體同時產(chǎn)生垂直的法向應(yīng)力和作用力平行的剪應(yīng)力，法向作用力會使土體發(fā)生壓密效果；而剪應(yīng)力使得土體發(fā)生剪切，在土體剪切面發(fā)生相對移動的同時在土體內(nèi)部產(chǎn)生抗剪力，阻止土體發(fā)生破壞。

在實(shí)際工程中，影響土的抗剪強(qiáng)度的因素比較多，在這些因素里主要有：土層的性質(zhì)，土的狀態(tài)、組成、結(jié)構(gòu)。具體來講，主要和土的形成環(huán)境、受力歷史及它當(dāng)前所受的應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)。如果地基土為粘性土，其粒間的連結(jié)比較復(fù)雜，膠結(jié)物質(zhì)的連結(jié)強(qiáng)度起主要作用，使得粘性土的抗剪強(qiáng)度主要與土粒的連結(jié)有關(guān)；而無粘性土土粒較大，粒間沒有膠結(jié)物質(zhì)，因此也就不存在膠結(jié)力，因此無粘性土的抗剪強(qiáng)度主要是由顆粒間的摩擦力組成，其與粒度、土粒的密實(shí)度和土層的含水情況等相關(guān)。因此在進(jìn)行土體穩(wěn)定性的計算分析時，黃土的內(nèi)摩擦角和粘聚力是衡量土的抗剪強(qiáng)度大小的兩個重要指標(biāo)，能否較為準(zhǔn)確地測定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)成為工程設(shè)計質(zhì)量和工程成敗的關(guān)鍵所在。

2 直接剪切試驗(yàn)

2.1 直剪試驗(yàn)原理

土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)測定的最簡單、實(shí)用的方法是直接剪切試驗(yàn)，由于其測定的是土樣中上、下盒之間固定剪切面上的抗剪強(qiáng)度，因此其準(zhǔn)確性大幅降低。直剪根據(jù)外部荷載加荷方式的不同，可分為應(yīng)變控制式、應(yīng)力控制式。目前，在我國工程中采用的直剪儀都是應(yīng)變控制式。儀器的構(gòu)造比較簡單，主要由連接外荷的固定上盒和處于滾珠的活動下盒構(gòu)成，土樣處于上、下盒之間，此外土樣上下各有一塊透水石，用來阻止在剪接過程中排水、排氣時土粒被帶出。進(jìn)行剪切試驗(yàn)時，杠桿系統(tǒng)將外部砝碼的重量轉(zhuǎn)換為土樣的豎向壓力，通過加壓活塞和透水石對土樣施加豎向應(yīng)力；通過儀器的變速盒或手輪推動頂針使得下盒等速移動，使得試樣能夠沿著上、下盒之間的水平面受剪直至被破壞，而剪切面上剪應(yīng)力τ的大小可用與上盒固定的量力環(huán)(已知系數(shù))來測定其應(yīng)力的大小。

指標(biāo)在確定時，該試驗(yàn)需要對同一種土進(jìn)行3～4個在不同的法向應(yīng)力下進(jìn)行剪切破壞的試樣，試驗(yàn)結(jié)束后，可將試驗(yàn)結(jié)果整理成抗剪強(qiáng)度包線(τf～σ)之間的關(guān)系曲線。則強(qiáng)度包線在縱軸上的截距為該土的粘聚力c，反算強(qiáng)度包線與橫軸的夾角為該土的內(nèi)摩擦角。

2.2 直剪試驗(yàn)方法分類

通過已有的實(shí)際工程案例來對比分析，不難得出結(jié)論：土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與土體受力后的排水固結(jié)狀況關(guān)系密切。[1]按照土樣在剪切時的排水條件，直剪試驗(yàn)分為以下三種。

2.2.1 直接快剪

在土樣裝好后，施加豎向壓力，不對土樣進(jìn)行固結(jié)，直接進(jìn)行剪切。以0.8mm/min的剪切速率快速施加水平剪應(yīng)力使得土樣發(fā)生剪切破壞。土樣從開始剪切到破壞只用3～5min就可以結(jié)束。該試驗(yàn)的特點(diǎn)是：剪切速率快，因此地基土在剪切過程中來不及排水固結(jié)。通過該試驗(yàn)?zāi)軌虻玫斤柡突蚪柡蜖顟B(tài)下土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，用cq、q表示。

適用工程狀況：地基土排水不好，施工加荷較快的情況，如地基土厚度大的飽和粘土、穩(wěn)定性較差的土質(zhì)斜坡。

2.2.2 固結(jié)快剪

裝好土樣后，通過砝碼和杠桿對試樣施加豎向荷載，持續(xù)60min左右，讓試樣中的水分、空氣通過下透水石排出，待固結(jié)穩(wěn)定后，再以0.8mm/min的剪切速率快速施加水平剪應(yīng)力使得試樣發(fā)生剪切破壞。在這種情況下，土樣固結(jié)中已經(jīng)壓密，固土的強(qiáng)度也比較大，該試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)用ccq、cq表示。

適用工程狀況：一般無軟弱夾層的建筑物地基土層或施工期間工期較慢具有固結(jié)作用的工程。

2.2.3 固結(jié)慢剪

裝好土樣后，通過砝碼和杠桿對試樣施加豎向荷載，持續(xù)60min左右，讓試樣中的水分、空氣通過下透水石排出，待固結(jié)穩(wěn)定后，以小于0.02mm/min的剪切速率施加水平剪應(yīng)力直至試樣剪切破壞。由于土樣剪切的很慢，故試樣在受剪過程中能夠一直充分排水、空氣，同時在豎向被壓密，水平方向產(chǎn)生剪切使得土樣發(fā)生體積變形。在這種情況下，得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)用cs、s表示。

適用工程狀況：在施工時上部荷載加荷較慢，地基排水條件好，施工時間比較長，如透水性較好的低塑性土和在軟弱飽水土層上的高填土分層控制填筑等等。

3 常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)

3.1 常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)原理

該試驗(yàn)通常用3～4個圓柱形(高8cm、直徑3.91cm)試樣，分別在不同的壓力室(通過水施加一定的恒定周圍壓力)施加不同圍壓，再通過變速箱齒輪施加軸向壓力而使得豎向和水平向產(chǎn)生主應(yīng)力差，使得土樣進(jìn)行剪切直至試樣被破壞；然后根據(jù)摩爾-庫侖理論，求得至少三個土樣的共同抗剪強(qiáng)度包線。同樣，強(qiáng)度包線在縱軸上的截距為該土的粘聚力c，強(qiáng)度包線與橫軸的夾角為該土的內(nèi)摩擦角。

3.2 常規(guī)三軸的分類

根據(jù)建筑物的特點(diǎn)、施工條件與施工方案等要求來調(diào)整具體的試驗(yàn)方案，可將常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)分為三種。

3.2.1 不固結(jié)不排水剪

當(dāng)建筑物修建在飽和度高的粘性土地基上，且施工周期短、荷載大、排水差時，而地基土中的水來不及排出，地基土不能較好的達(dá)到固結(jié)穩(wěn)定。故對于這種工程狀況進(jìn)行穩(wěn)定性分析時所需的參數(shù)強(qiáng)度指標(biāo)c和φ，不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)?zāi)軌蜉^為準(zhǔn)確地模擬實(shí)際工程情況。

3.2.2 固結(jié)不排水剪

當(dāng)建筑物修建在軟土地基上時，工期長或經(jīng)常受水位影響的地段、或堤壩工程時，由于季節(jié)性雨水變化導(dǎo)致如堤壩中水位突然下降，在進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算分析時采用固結(jié)不排水剪試驗(yàn)的強(qiáng)度參數(shù)較為符合實(shí)際工況。

3.2.3 固結(jié)排水剪

當(dāng)建筑物修建在軟土地基土層，工期又很長，地基透水性且較好，比如堤防工程，故設(shè)計時一般采用固結(jié)排水剪常規(guī)三軸試驗(yàn)來測得土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

4 真三軸剪切試驗(yàn)

剛?cè)峄旌闲驼嫒S儀，國內(nèi)高校近些年自主研發(fā)的新型三軸儀，目前在工程中用的還比較少。該儀器在軸向有一對剛性邊界，以此來施加大主應(yīng)力；在側(cè)向是兩對橡膠膜制成的壓力腔構(gòu)成柔性邊界。試樣為可調(diào)可變的正方六面體，試驗(yàn)時試樣在一橡膠膜內(nèi)，安置于壓力腔和剛性底座及試樣帽之間。試樣的中主應(yīng)力和小主應(yīng)力由密封壓力腔內(nèi)橡皮膜的油或水來提供，兩對壓力腔與軸向的壓力底座提供固結(jié)壓力。

進(jìn)行試驗(yàn)固結(jié)時，向密封的橡皮膜壓力腔內(nèi)注入水，提供水壓，待土樣達(dá)到固結(jié)穩(wěn)定。進(jìn)行試驗(yàn)時，軸向壓力通過豎向的變速箱施加，中主應(yīng)力按中主應(yīng)力比率b，通過壓力腔對土樣施加。土樣的中主應(yīng)力比率b和小主應(yīng)力在同一個試驗(yàn)過程中維持不變。該試驗(yàn)在整個試驗(yàn)過程中小主應(yīng)力保持不變，大主應(yīng)力和中主應(yīng)力一直增大，當(dāng)達(dá)到土樣破壞強(qiáng)度時，土樣終于因受剪而破壞。

5 結(jié) 語

本文以黃土為研究對象，以現(xiàn)有土工測定技術(shù)為基礎(chǔ)，較全面地分析了測定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定方法。直接剪切試驗(yàn)簡單、操作方便、成本較低，但存在應(yīng)力計算不符合實(shí)際、無法控制孔隙水壓力、截切面積計算不準(zhǔn)確等無法克服的缺點(diǎn)。常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)克服了直剪試驗(yàn)中的缺點(diǎn)，所以在現(xiàn)在的工程中應(yīng)用較為普遍，但無法模擬在某些情況下土層側(cè)向應(yīng)力不對等的工況。真三軸剪切儀雖有很大的優(yōu)勢，但其成本較高，目前還難以廣泛應(yīng)用于工程中。