土的直剪試驗研究

羅和平

土是分散的固體顆粒、水與氣體組成的三相系,由于這三相之間比例量的關系以及相互作用,使土呈現不同的狀態與物理特性。土在外力作用下,使土呈現出力學特性,土的抗剪強度是其力學特性之一。土體的破裂并非是固體顆粒的破裂,而只是破裂面兩邊的土粒發生了相對移動(剪切變形)的結果。土的抗剪強度就是土體在剪應力作用下,開始發生一部分土沿另一部分土滑動時,所具有抵抗剪切的極限強度,所以,土的強度問題其實質就是抗剪切強度問題,而土體的破壞過程也就是喪失穩定性的過程。在工程應用中確定地基承載力與地基穩定性、邊坡穩定性、擋土墻結構的土壓力等方面具有重要意義。本文主要是通過直剪儀來測定在不同試驗條件下土的抗剪強度,并分析其規律。固結快剪、浸水直接快剪(飽和快剪)、浸水固結快剪(飽和固結快剪)。試驗所用儀器為南京土壤儀器廠生產的應變式控制直剪儀。

表1 原狀土物理性質統計表

表2 重塑土物理性質統計表

1 試驗研究

通過大量試驗實踐,筆者按土的物理性質歸納分類,選取具有代表性土進行研究,從而系統地對土的直剪試驗進行研究。現將試驗樣品分為兩大類:1)原狀樣A,B,C三種,其物理性質見表1;2)重塑土制樣D,E,F三種,其物理性質見表2。分別采取飽和與非飽和兩種狀態進行分析。試驗方法依據規范[1]采用直接快剪、

2 試驗結果與討論

將試樣按非飽和狀態和飽和狀態,在不同的試驗條件下進行直接剪切試驗,測得土的抗剪強度參數粘聚力c(kPa)和內摩擦角φ(°),其成果統計見表3。

表3 土的抗剪強度試驗成果統計表

從表3統計中可以看出,不論是原狀樣,還是重塑土制樣,非飽和土的固結快剪所得的內摩擦角φ值最大,飽和快剪的內摩擦角φ值最小;A樣品與D樣品飽和快剪與飽和固結快剪的內摩擦角相差小于1°,其原因是由于二者的塑性指數Ip＜7,土顆粒較粗,粘粒含量偏小,屬于砂性土,樣品中的水分在有荷重情況下極易排出,且直剪儀為不完全封閉狀態,在飽和快剪時,雖然試樣上下均墊有不透水膜,但試樣在加荷的瞬間,試樣中的水分仍然會快速從土與不透水膜縫隙間排出,試樣的主固結瞬時完成,這樣就與飽和固結快剪的條件基本相同了,因此二者的內摩擦角相差不大。相反,B,C,E,F四樣品均屬黏性土樣,在快剪條件下,土樣內部的水分還來不及排出,試樣就被剪壞,所以所測得的內摩擦角相差較大,且試樣的飽和快剪所得的內摩擦角要小得多。還有,隨著土的粘性增大,樣品的飽和快剪測得的內摩擦角呈減小趨勢。另外,可以看出,樣品的非飽和狀態快剪與飽和狀態固結快剪測得的內摩擦角相差不大,這是由于在飽和過程中,水進入樣品內部,使土顆粒間的物理化學作用發生了改變,再加上在樣品固結時對土原有結構的破壞,同時,在樣品固結完成后,樣品的含水率仍比非飽和狀態樣品的含水率大,而土的內摩擦角隨含水率的增大而呈減小趨勢[2]。所以,試樣的飽和固結快剪所得的內摩擦角與非飽和狀態直接快剪所得的內摩擦角相差不大。

在統計原狀土樣的抗剪強度參數時,發現有一部分樣品,非飽和狀態快剪所得的c,φ值要比非飽和固結快剪所得值大,尤其φ值更明顯,分析此原因,因為一般認為土的抗剪強度是由土的內聚力和內摩擦兩部分組成[3],此類原狀樣品本身存在較強固化內聚力和較大顆粒間的咬合力,而固結時,對樣品本身這種在自然界中經過長期的、復雜的地質作用形成較強的固結強度造成了破壞,最后雖固結壓密了土,但其強度仍不能達到土在自然沉積過程中的原有強度,因此就出現了此類現象,而在比較軟的土不存在此類現象。

3 結語

1)不論原狀土,還是擾動土,其抗剪強度中的內摩擦角由非飽和狀態的固結快剪,直接快剪到飽和狀態的固結快剪,直接快剪呈遞減趨勢。2)對于砂性土(Ip＜7),飽和快剪與飽和固結快剪所得的內摩擦角相差不大。3)對于黏性土(7＜Ip＜12)可塑狀態時,一般情況下,其非飽和狀態的直接快剪與飽和狀態的固結快剪所得的內摩擦角相差無幾。4)對于在試驗中,較硬的土樣有時會出現非飽和狀態的直接快剪的試驗結果大于其固結快剪的結果,屬正常現象,試驗人員不應進行數據調整處理,應據實提供,供地質人員綜合全面參考予以處理。

[1] GB/T 50123-1999,土工試驗方法標準[S].

[2] 趙壽剛.黃河下游沉積粘土層的土力學特性分析[J].巖土工程界,2005(10):91-92.

[3] 甘德福,袁雅康.土的基本性質與室內土工試驗[M].上海:上海市地質協會,1984.