自重應力狀態下與超固結條件下直剪試驗結果探討

黃 芳

(上海申元巖土工程有限公司，上海200125)

自重應力狀態下與超固結條件下直剪試驗結果探討

黃 芳

(上海申元巖土工程有限公司，上海200125)

在土工室內試驗中，直剪試驗的C、φ值是估算地基承載力等得重要指標，而自重應力狀態下的直剪與超固結條件下的直剪試驗結果存在很大的差異性，通過工程實例，對自重應力狀態下與超固結條件下的直剪試驗結果進行探討。

自重應力;超固結;直剪試驗;承載力

在工程計算中，建筑地基承載力的計算、邊坡穩定分析、擋土結構土壓力的計算、基坑支護設計、地基穩定性評價中，直剪試驗的粘聚力C和內摩擦角Φ是重要的指標之一，其土工試驗的數值的準確性具有重要意義。

1 土的抗剪強度與直剪試驗

土的抗剪強度試驗，是指土體對于外荷載所產生的剪應力的極限抵抗能力，土體發生剪切破壞時，將沿其內部某一滑動面產生相對滑動，而該滑動面的剪應力就是土的抗剪強度。通常，土的抗剪強度用庫倫公式表示，即 τf=c+σtanφ［1］

式中:τf為土的抗剪強度(kPa);c為土的粘聚力(kPa);φ為土的內摩擦角(°);σ為剪切滑動面上的法向應力(kPa)。

圖1 土的抗剪強度與法向應力的關系

直剪試驗，是指在某一特定面上剪切土的試件，直接測定該面上的剪應力和抗剪強度的試驗。直剪試驗是室內測定土體抗剪強度的一種常用方法，可方便地為土木工程治理、加固及破壞分析提供所需的土體抗剪強度參數:粘聚力c和內摩擦角φ。該方法因其快捷方便，結果處理簡單，被廣泛采用，也是測定土的抗剪強度最簡單的和最原始的試驗方法。［2］

通常直剪試驗采用幾個試樣，分別在不同的垂直壓力P下，施加水平剪切力，測得試驗破壞時的剪應力τf’，然后再根據庫侖定律確定粘聚力C和內摩擦角φ。

直接剪切分慢剪、固結快剪和快剪三種試驗方法，本文僅針對固結快剪進行討論。

2 自重應力狀態下直剪試驗與超固結條件下直剪試驗

由于土的應力歷史不同，土在沉積過程中受到先期固結壓力的作用，土一般分為正常固結土、欠固結土和超固結土。

上海地區土層基本均為超固結土層。所以研究超固結條件下的直剪試驗有很大的實際意義。

一般在我們實際應用中，一般是固結快剪試驗，由于技術條件的限制，一般情況下20 m淺的固結試驗垂直加壓為50 kPa，100 kPa，150 kPa，200 kPa，20 m 以下垂直加壓為 50 kPa，100 kPa，150 kPa，200 kPa，300 kPa。這樣分類太籠統，很多土層的垂直壓力無法滿足其超固結狀態，所以試驗中取得的抗剪強度也不太準確。

本文利用工程實例，分析自重應力狀態下與超固結條件下直剪試驗(固結快剪)。

3 實例分析

選取上海市漕寶路某工程土樣若干進行直剪試驗，針對上海典型土層進行了自重應力狀態下合超固結條件下直剪試驗的比對，分析兩組直剪試驗的差別。針對該工程土層40.0以淺的土層，分別做了自重應力下的直剪與超固結狀態下的直剪試驗，各土層的兩組直剪指標匯總見表1。

由于數量較多，本文僅針對上海地層典型的第②層褐黃—灰黃色粉質粘土層進行探討。

試驗儀器

A.直剪儀:型號STST－5;

B.環刀:內徑 61.8 mm，高度 20 mm。

從樣筒中用環刀切取試樣，尺寸為Ф61.8 mm×20 mm，每組4個樣，每組試驗進行預壓。預壓荷重分別為:25 kPa、50 kPa、75 kPa、100 kPa(自重應力狀態下);100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa(超固結條件下)。預壓時間為24 h。

把制備預壓好的4個試驗分別置于剪切盒內，用四個不同的垂直壓力作用于試樣上(垂直壓力見表2)，然后再施加水平剪應力進行剪切(剪切速率為0.8 mm/min)，使試樣的上下盒直剪的水平面上發生剪切破壞，在剪應力施加過程中記錄剪應力的峰值強度，并繪制剪應力與剪切位移的關系曲線，并從曲線上找出試樣的極限剪應力作為該垂直壓力下的抗剪強度，通過四個試樣的抗剪強度確定強度包線，求出抗剪強度參數粘聚力(c)和內摩擦角(φ)。

表1 自重應力狀態下與超固結條件下直剪試驗指標表

表2 自重應力狀態下與超固結條件下直剪試驗垂直壓力表

表3 重應力固結條件與超固結條件下直剪強度參數表

表4 自重應力狀態與超固結條件下承載力比值表

其中由表3中可知，自重應力固結條件下快剪強度粘聚力最大值為40 kPa，內摩擦角最大值為19.5°;超固結條件下快剪強度粘聚力最大值為16 kPa，內摩擦角最大值為28°。如圖2，自重應力固結條件下的剪力C值比超固結條件下的值偏大，而Φ值則偏小。

根據地基基礎設計規范［3］

假設天然地基為條基，寬為1.5 m，基礎埋深為1.0 m，地下水位埋深為0.5 m，不考慮軟弱下臥層，兩組試樣計算的天然地基地基承載力見表4。

由表3結果可知，自重應力狀態下承載力值比超固結條件下承載力大，自重應力狀態下天然地基承載力值最大值為151.08 kPa，最小值為141.43，平均值為147.14 kPa;超固結條件下天然地基承載力最大值為106.48 kPa，最小值為90.47 kPa，平均值為 102.03 kPa。

圖2 自重應力狀態與超固結條件剪力圖

由上述數值得出，自重應力狀態下天然地基承載力值比超固結條件下天然地基承載力大。主要原因是直剪試驗中，垂直壓力越大時，剪切破話所需的水平壓力越大，孔隙水應力和垂向附加應力增加也越來越大，當固結度相差越大時，轉化為有效應力的差值就越大，則根據試驗獲得的抗剪強度差別越大，體現在抗剪強度與垂直壓力關系曲線上就內摩擦角越大，粘聚力越小。［4］

而經過幾十年的實際工程實例經驗(室內剪切試驗結合三軸試驗(UU)、無側限試驗、野外靜力觸探曲線試驗數值)，上海地區第②層褐黃色—灰黃色天然地基承載力設計值一般經驗值為90～120 kPa，通過本工程試驗結果，顯然自重應力狀態下的承載力比較大，而超固結條件下的承載力比較接近實際經驗值。當然，本文探討的條件是在相同的固結時間、剪切速率、同樣試驗操作順序下，進行兩組試樣的直剪試驗比對。

4 結語

自重應力狀態下的直剪試驗與超固結狀態下直剪試驗比對驗證，前者得出的c值較大，φ值較小;后者得出的C值較小，φ值較大;

按照公式(1)計算地基承載力，自重應力狀態下的承載力相對偏大，而超固結狀態下的承載力比較接近工程經驗值，后者是前者的0.7倍;

由于本文主要針對上海地區的軟件土進行分析，具有一定的局限性，尚需更多的工程實例進行試驗，不斷積累經驗進行進一步驗證。

［1］袁聚云.土工試驗與原理.同濟大學出版社.2003.1.99.

［2］劉軍，徐海波，卓慧英.土的直剪試驗影響因素分析.2010.1.148.

［3］DGJ08－11－2010 J11595－2010上海市工程建筑設計規范.地基基礎設計規范.2010，26.

［4］劉天韻.直剪試驗固結快剪強度指標影響因素探討.中國港灣建設.2009.12.第六期 34.

TU41

B

1004－1184(2012)04－0176－02

2012－03－13

黃芳(1979－)，女，上海人，工程師，主要從事巖土工程勘察等工作。