工程實(shí)踐中土體抗剪強(qiáng)度的確定

摘要：關(guān)于土的強(qiáng)度理論與概念，隨著上的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度發(fā)揮度等新概念的提出，不少人認(rèn)為，強(qiáng)度實(shí)質(zhì)應(yīng)該按強(qiáng)度與變形的統(tǒng)一理論來重新定義；目前強(qiáng)度取得的方法有多種，含義不明，互不聯(lián)系。本文主要介紹了土的抗剪強(qiáng)度及其影響因素，分析了土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的測定和選用方法。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，變形，抗剪強(qiáng)度

1.概述

土的抗剪強(qiáng)度是指一部分土體相對于另一部分土體滑動(dòng)時(shí)的抵抗力，實(shí)質(zhì)上就是土體與土體之間的摩擦力。土的抗剪強(qiáng)度首先取決于土體本身的性質(zhì)，即土的組成、土的狀態(tài)和土的結(jié)構(gòu)，這些性質(zhì)又與土體形成的環(huán)境和應(yīng)力歷史等因素有關(guān)，其次還決定于土體當(dāng)前所受的應(yīng)力狀態(tài)。

對于工程實(shí)踐中土體抗剪強(qiáng)度的確定，在十八世紀(jì)，庫倫公式就被用來確定土體的抗剪強(qiáng)度，從而算出擋墻上的土壓力。庫倫公式雖然客觀地表明土的抗剪強(qiáng)度由凝聚力部分和與法向壓力成正比的摩擦力部分所組成，但由于同一土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)并不是常數(shù)，而是隨著環(huán)境的不同有很大的變化。因此，為正確確定上體的抗剪強(qiáng)度帶來很大困難。

2.土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定

2.1 總應(yīng)力法與有效應(yīng)力法

確定土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的方法有兩種，即有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法，前者是普遍適用的方法，而后者只適用于確定粘性上體在施工期、地震期或土壩壩前水位降落期的抗剪強(qiáng)度。有效應(yīng)力法要求確定土的有效強(qiáng)度指標(biāo)c'、φ'和估算孔隙壓力，主要通過孔隙壓力的變化來反映土體強(qiáng)度的變化。有效應(yīng)力法概念清楚，可以通過現(xiàn)場孔隙壓力觀測對估算值進(jìn)行校核，但是光憑估算的孔隙壓力值是很難準(zhǔn)確確定土體抗剪強(qiáng)度的。此外，當(dāng)采用有效應(yīng)力法時(shí)，往往要求用滑動(dòng)面事先假定的極限平衡法計(jì)算土體的抗滑安全系數(shù)，例如斜坡的安全系數(shù)，但迄今還很少應(yīng)用于地基承載力和上壓力計(jì)算中。

總應(yīng)力法是把孔隙壓力的影響包括在總強(qiáng)度指標(biāo)Cu、φu 和Ccu、φcu中，前者用不排水（ UU ）試驗(yàn)測得，而后者由固結(jié)不排水（CU ）試驗(yàn)測得。飽和軟粘上的φu= O ，因此它在施工期的強(qiáng)度往往用φ=0 法確定?？倯?yīng)力法比較簡單，但不夠嚴(yán)謹(jǐn)，一般偏于保守。但不管是有效應(yīng)力法還是總應(yīng)力法的可靠性在很大程度上都取決于工程師的經(jīng)驗(yàn)。

2.2 測定強(qiáng)度指標(biāo)的儀器和方法

Cu、φu 和Ccu、φcu中宜分別用三軸UU 試驗(yàn)和CU 試驗(yàn)測定。如果在UU 試驗(yàn)中測定孔隙壓力，從而測得破壞時(shí)的有效應(yīng)力，則同時(shí)可得到有效強(qiáng)度指標(biāo)c'和φ'。不過當(dāng)試樣的飽和度大于約80 %時(shí)，應(yīng)該用CU 試驗(yàn)并測孔隙壓力，才能測得c'、φ'，同時(shí)也可求得Ccu、φcu值。

利用應(yīng)力控制式直剪儀進(jìn)行慢剪試驗(yàn)，同樣可測得c'、φ'值。但是直接快剪和固結(jié)快剪測得總強(qiáng)度指標(biāo)并不一定可靠，只有當(dāng)試樣的滲透系數(shù)小于10-9m / s 時(shí)，或試樣在剪切過程中出現(xiàn)的孔隙壓力小到可以忽略不計(jì)時(shí)，直剪試驗(yàn)測得的總強(qiáng)度指標(biāo)才有實(shí)用價(jià)值。

2.3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選用

按上述原則，選定了確定土體抗剪強(qiáng)度的方法、試驗(yàn)儀器以及試驗(yàn)方法后，并不意味著取得的試驗(yàn)成果已能準(zhǔn)確反映土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值。因?yàn)樵诔Ｒ?guī)三軸試驗(yàn)中，試樣是在各向等壓的條件下固結(jié)的，作用在試樣上的中主應(yīng)力等于小主應(yīng)力；在剪切過程中，作用在試樣上的側(cè)向應(yīng)力保持不變，軸向壓力不斷增加。試樣的這些受力條件與實(shí)際情況是不同的，它們之間的各項(xiàng)差異所導(dǎo)致的強(qiáng)度指標(biāo)值之間的差別，隨土類、密度、飽和度的不同而各異。我們必須掌握有關(guān)的研究成果，才可大致估計(jì)出各項(xiàng)因素的影響值。

天然土層既不均勻一致，又非各向同性，諸土樣的強(qiáng)度指標(biāo)值可能相差較大。因此，如何根據(jù)這些成果為土體選取指標(biāo)值，又是一個(gè)難度較大而且十分重要的工作。解決這些難題的可行途徑是，先詳細(xì)了解土層的變化情況；采取的土樣的代表性，取樣方法以及試驗(yàn)規(guī)劃的合理性，試驗(yàn)條件與實(shí)際情況的差別以及由此引起的強(qiáng)度指標(biāo)的差異。明確那幾層土或幾種土對工程是關(guān)鍵的土層，然后，以最有代表性的土樣的指標(biāo)為主體，參考其它土樣的試驗(yàn)結(jié)果，選擇出供設(shè)計(jì)用的指標(biāo)值，指標(biāo)值中應(yīng)留有一定余地。

在進(jìn)行上述工作時(shí)，還可借助于統(tǒng)計(jì)分析方法和概率理論。例如采用小值平均法，算術(shù)平均法、最小二乘法以及圖解法等。圖解法是把所有的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)資料繪在圖中舍去其中過大過小的少量點(diǎn)子，選取略小于平均值的強(qiáng)度包線。試驗(yàn)數(shù)量愈多，土層愈均勻，土樣愈有代表性，則選用值可高一點(diǎn)，相反，則應(yīng)采用小值平均值或甚至采用更小值。但是過分多的試驗(yàn)，特別是質(zhì)量不高的試驗(yàn)是不必要的。

3.小結(jié)

確定土體抗剪強(qiáng)度的方法，現(xiàn)在比以前有了較大改進(jìn)，共估算精度相應(yīng)有了捉高。但是，影響土體抗剪強(qiáng)度的因素太多，例如土樣的代表性，土體的均勻性，取樣的質(zhì)量，試驗(yàn)方法和技巧，試樣受力和排水條件與現(xiàn)場情況之間的差別，強(qiáng)度指標(biāo)的選用，孔隙壓力的估算等，而且各因素對土體強(qiáng)度的影響值又隨土類和工程類別而異。因此，要想根據(jù)試驗(yàn)室提供的數(shù)據(jù)采取符合實(shí)際的強(qiáng)度指標(biāo)和算出土體的抗剪強(qiáng)度，首先須具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，掌握諸因素對各類土壤強(qiáng)度的影響大小，此外尚需在上作中不斷實(shí)踐和累積經(jīng)驗(yàn)，除了總結(jié)自己經(jīng)手的經(jīng)驗(yàn)外，還要從工程實(shí)錄的報(bào)導(dǎo)中吸取他人的經(jīng)驗(yàn)。一旦我們具備一定的業(yè)務(wù)素養(yǎng)和掌握正確的工作方法，就會(huì)感覺到機(jī)械地運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的方法或規(guī)范來確定上體的抗剪強(qiáng)度是不值得鼓勵(lì)的，而且會(huì)認(rèn)識(shí)到真正的經(jīng)驗(yàn)并不等于過去一直沿用的辦法。

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