軟土勘察中各種強度指標機理與分析評價

朱 墩

(上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司勘察設計院，上海市 200092)

0 引言

軟土包括淤泥及淤泥質土,是指在相對緩慢的流水環境中沉積形成的黏性土,其含水量高，且大于液限,空隙比大于1.0,壓縮系數大于0.5,強度低。軟土作為特殊性土,有其固有的特征,主要表現為:（1）含水量高,均處于飽和狀態,一般在40%～70%;（2）處于流塑～流動狀態;（3）空隙比大,一般大于1.0,甚者至2.0;（4）壓縮性大;（5）滲透性差,固結時間長;（6）強度低;（7）靈敏度高,易擾動且結構破壞后強度極低;（8）有機質含量一般較高。

對巖土設計人員而言，理解勘察試驗方法和相應的強度參數適用場合與條件，對不同指標計算所得出的安全度評價，對巖土工程概念設計意義重大[1-3]。不同試驗方法得出不同強度指標的原因不同，室內試驗與原位試驗的關系、試驗條件與實際工程情況的關系、不同排水和固結條件與現場條件結合都很重要，認清這些關系，對設計人員尤為重要。

1 不同強度指標試驗條件

以軟土地區基坑工程為例，在其穩定性驗算中，主要涉及到強度指標的選取。測定土的抗剪強度指標的試驗方法主要有直接剪切試驗、三軸壓縮試驗和無側限抗壓強度試驗。

1.1 直接剪切試驗

為測定土的抗剪強度的最簡單方法，通過固定剪切面和采用不同加荷速率的試驗方法來近似模擬土體在受剪時的不同排水條件，分別得出直剪快剪、直剪固結快剪和直剪慢剪。

快剪：對試樣施加豎向壓力后，立即以0.8 mm/min的剪切速率快速施加水平剪應力使試樣剪切破壞。一般從加載到土樣剪壞只需3～5min，相當于“不排水剪切”過程，指標用cq、φq表示。

固結快剪：固結快剪是在對試樣施加豎向壓力后，讓試樣充分排水固結，待沉降穩定后，再0.8 mm/min的剪切速率快速施加水平剪應力使試樣剪切破壞。試驗相當于“固結不排水剪”過程。抗剪強度指標用ccq、φq表示。

慢剪：慢剪試樣是在對試樣施加豎向壓力后，讓試樣充分排水固結，待沉降穩定后，以小于0.02 mm/min的剪切速率施加水平剪應力直至試樣剪切破壞，使試樣在受剪過程中一直充分排水和產生體積變形，模擬了“固結排水剪切”過程，得到的抗剪強度指標用cs、φs表示。

圖1為固結快剪抗剪強度與垂直壓力關系曲線。

圖1 固結快剪抗剪強度與垂直壓力關系曲線

1.2 三軸壓縮試驗

相應的，對三軸強度試驗，通過控制土樣在周圍壓力作用下固結條件和剪切時的排水條件，也可以得出三軸條件下的不固結不排水剪、固結不排水剪和固結排水剪三種試驗。三軸試驗的突出優點是能夠控制排水條件以及可以量測土樣中孔隙水壓力的變化。此外，三軸試驗中試樣的應力狀態也比較明確，剪切破壞時的破裂面在試樣的最弱處，而不像直剪試驗那樣限定在上下盒之間。一般來說，三軸試驗的結果還是較直剪試驗更為可靠。

（1）不固結不排水剪（UU試驗），試樣在施加周圍壓力和隨后施加偏應力直至剪壞的整個試驗過程中都不允許排水，即從開始加壓直至試樣剪壞，土中的含水量始終保持不變，孔隙水壓力也不會消散。UU試驗得到的抗剪強度指標用cu、φu表示，這種試驗方法所對應的實際工程條件相當于飽和軟黏土中快速加荷時的應力狀況（見圖2）。

（2）固結不排水剪（CU試驗），在施加周圍壓力σ3時，將排水閥門打開，允許試樣充分排水，待固結穩定后關閉排水閥門，然后再施加偏應力，使試樣在不排水的條件下剪切破壞，CU試驗得到的抗剪強度指標用 ccu、φcu表示（見圖 3）。

（3）固結排水剪（CD試驗），在施加周圍壓力及隨后施加偏應力直至剪壞的整個試驗過程中都將排水閥門打開，并給予充分的時間讓試樣中的孔隙水壓力能夠完全消散。CD試驗得到的抗剪強度指標用 cd、φd表示。

1.3 無側限抗壓強度試驗

圖2 不固結不排水剪（UU試驗）關系曲線及強度包線

圖3 固結不排水剪（CU試驗）應力差強度包線

無側限抗壓強度試驗是三軸壓縮試驗中周圍壓力σ3=0的一種特殊情況，所以又稱單軸試驗。飽和黏性土的三軸不固結不排水試驗結果表明，其破壞包線為一水平線，即φu=0。因此，對于飽和黏性土的不排水抗剪強度，就可利用無側限抗壓強度qu來得到。無側限抗壓強度試驗適用于測定飽和軟黏土的抗剪強度指標。土的靈敏度愈高，其結構性愈強，受擾動后土的強度降低就愈多。黏性土受擾動而強度降低的性質，一般說來對工程建設是不利的，如在基坑開挖過程中，因施工可能造成土的擾動而會使地基強度降低。圖4為無側限抗壓強度試驗關系曲線及靈敏度。

圖 4無側限抗壓強度試驗關系曲線及靈敏度（st）

2 不同強度指標解釋

不固結不排水剪指標，這種試驗方法所對應的實際工程條件相當于飽和軟黏土中快速加荷時的應力狀況，可以模擬迅速加卸載情況，如基坑迅速開挖，軟土地基迅速加載，軟土邊坡迅速開挖，在這種工程條件下，加卸載行為引起的孔壓變化不會馬上消散。

固結不排水剪其適用的實際工程條件為一般正常固結土層在工程竣工或在使用階段受到大量、快速的活荷載或新增荷載的作用下所對應的受力情況，在實際工程中經常采用這種試驗方法。如在正常固結地基中計算樁的承載力、基坑土壓力和基坑整體穩定以及搞隆起穩定性等。固結排水剪適用于砂土地基條件或施工速率非常緩慢時的各種巖土工程穩定性計算，如驗算路堤長期穩定性[4，5]。

無側限抗壓強度試驗除給定強度指標外，還可以評價土的靈敏度，靈敏度愈高，其結構性愈強，受擾動后土的強度降低就愈多。黏性土受擾動而強度降低的性質，一般說來對工程建設是不利的，如在基坑開挖過程中，因施工可能造成土的擾動而會使地基強度降低。

3 結語

總體而言，根據不同試驗類型，軟土可以有多種強度試驗指標。對軟土工程勘察而言，具體進行何種試驗和在巖土工程分析評價中建議使用哪種指標，需要結合具體工程條件給出相應的強度指標，避免在勘察報告中提供不適用具體工程的強度指標，以避免給工程設計帶來不必要的負面影響，從而保證勘察成果質量。

[1]包偉力,周小文.地基強度隨固結度增長規律的試驗研究[J].長江科學院院報,2001(4):29-31.

[2]孔德金,苗中海.軟粘土抗剪強度增長規律[J].巖土工程學報,1999(6):757-759.

[3]沈珠江.軟土工程特性和軟土地基設計[J].巖土工程學報,1998(1):100-110.

[4]房后國,肖樹芳,汪士鋒.天津地區海積軟土結構強度及其對力學特性的影響[J].吉林大學學報,2002(1):73-76.

[5]王志亮.軟基路堤沉降預測和計算[D].南京：河海大學,2004.