洞庭湖區軟土抗剪強度指標隨固結度變化規律研究

左旺+裴竹松+王康康+龍錦坤+肖蘭

摘 要：本文通過對洞庭湖區南（南陽）益（益陽）高速公路軟土路基中的土樣進行大量的固結和直剪試驗，分別探討了在相同固結壓力作用下，抗剪強度指標c、隨固結度U的變化規律，以及在相同固結度下，抗剪強度指標c、隨固結壓力P的變化規律，給出固結度和固結壓力與抗剪強度指標之間的擬合公式，為洞庭湖地區公路軟土路基的設計和施工提供參考依據。

關鍵詞：固結度；抗剪強度；直剪試驗；固結試驗

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.119

0 引言

隨著洞庭湖區高速公路建設的飛速發展，其軟土路基的承載力和穩定性分析的準確性被更加重視。而抗剪強度指標粘聚力c和摩擦角作為最基本的計算參數，其取值的準確性將直接關系到其工程的安全性和經濟性[1]。因此，掌握軟土的抗剪強度指標隨固結度和固結壓力增長規律對準確分析洞庭湖區軟土路基的穩定性，降低工程造價以及指導現場施工具有非常重要的意義。

國內外的學者對于軟土的抗剪強度指標隨固結度和固結壓力的增長規律已經進行了一些試驗研究和理論分析，得出了不少結論。太沙基[2]的一維固結理論把固結時間作為影響固結度的基本因素，認為固結度與時間有對應關系；胡德金等[3]對重塑軟土進行了不同固結度的三軸試驗；何群等[4]通過大量室內固結、直剪試驗，對常（常德）張（張家界）高速公路軟土在不同固結壓力作用下的抗剪強度指標隨固結度U的變化規律進行了研究；劉紅軍等[5]通過直剪試驗和單向壓縮固結試驗，研究了固結壓力為100kPa時，軟土抗剪強度及抗剪強度指標與固結度之間的關系。

我國地域遼闊，不同地區軟土的工程性質由于成因不同而存在著較大的差異，所以借鑒其他地區軟土的工程性質去評價另一個地區軟土工程性質是不可靠的。所以，針對洞庭湖區公路軟土路基的穩定性問題，本文通過對洞庭湖區原狀土樣進行大量常規物理力學指標試驗、室內單向壓縮固結試驗和直剪試驗，研究了在不同固結壓力、不同固結度下，洞庭湖區軟土抗剪強度指標c、的變化規律，給出固結度和固結壓力與抗剪強度指標之間的擬合公式，為洞庭湖地區公路軟土路基的設計和施工提供參考依據。

1 試驗類型和內容

本次試驗研究采用的是直剪試驗。直剪試驗跟三軸試驗相比，操作相對簡便，可以節約時間，縮短試驗周期。直剪試驗中，固結度控制原理是某一固結壓力下達到某一固結度等于該級壓力下某一時間的沉降量與最終沉降量的比值[6]。

試驗中所有土樣均取自于南（南陽）益（益陽）高速公路軟土路基，利用薄壁取土器采集原狀土，取樣深度為10.8～24.5m左右，為砂紋淤泥質土。各項試驗依據相關規范進行。

1.1 基本物理力學性質試驗

其目的是為了求得洞庭湖區原狀土樣的物理力學指標，包括含水量、密度、液限、塑限、比重以及快剪強度等。

1.2 固結試驗

固結試驗采用的是三聯式單杠桿固結儀，利用環刀取樣，試樣直徑為61.8mm，高度為20mm。首先，確定土樣在不同固結壓力作用下，固結度分別達到U=20%、40%、60%、80%以及近似完成主固結（U≈100%）所需的時間ti=t1、t2、t3、t4、t5，用來指導后面的直剪試驗。試驗中，為了能比較準確地確定土樣達到不同固結度的時間，在三式單杠桿固結儀上安裝DH3821靜態應變測試析系統進行數據采集。

1.3 直剪試驗

直剪試驗采用等應變直剪儀進行，利用環刀取樣，試樣直徑為61.8mm，高度為20mm，包括固結與快剪試驗兩部分。首先，分別將各級荷載一次性施加在試樣上使其固結，然后根據固結試驗中所確定的固結度與時間的關系來控制固結度，當試樣達到固結度Ui（固結時間ti）后直接進行剪切試驗。

2 試驗步驟

（1）固結壓力分別取=100、200、300、400kPa。

（2）首先在固結儀上進行固結壓力為下U≈100%的固結試驗，從而得到U=20%、40%、60%、80%所需時間以指導其下面的U=20%、40%、60%、80%的試驗讀值時間，并確定土樣達到不同固結度時相應的土樣高度（i=1，2，3，4，5）。固結試驗按相關規范進行。

（3）然后在直剪儀上進行固結壓力為的固結和快剪試驗。首先，將試樣安裝在直剪儀上，然后使試樣在各級壓力作用下進行固結。然后，針對土樣達到不同的固結度的情況，分別進行快剪試驗，以確定該級壓力作用下不同固結度、不同固結壓力對抗剪強度指標c、值的影響。固結度通過試樣高度以及加載時間來進行控制。快剪試驗按相關規范進行，快剪試驗的垂直壓力按下面的方法確定：

=100kPa時：50、100、150、200kPa；

>100kPa時：-100、-50、、+50kPa；

（4）以上各項試驗中均需進行3組平行試驗，取得可靠數據后再進行整理與分析。

3 試驗數據分析

3.1 原狀土物理力學性質指標

為了確定洞庭湖區原狀土樣物理力學性質指標，對其進行了一系列常規物理力學性質試驗，其物理力學指標見表1。

3.2 軟土抗剪強度指標與固結度之間的關系

按上面試驗方法與步驟進行了相關試驗，得到了在不同固結壓力p下土樣抗剪強度指標c、與固結度U的關系數據，詳見表2。然后對試驗數據進行了整理與分析，繪制了一些關系曲線圖，詳見圖1～圖8。

表2 土樣抗剪強度指標與固結度的關系

根據圖1可知：在同一固結壓力下，洞庭湖區軟土粘聚力c隨固結度U的增加而增加，但增大速率隨著固結度的增大呈現放緩的趨勢，在固結度U<60%增長速度較快，在U>60%時增長速度變緩。主要原因是隨著固結排水的進行，水分逐漸排出，土顆粒表面結合水膜變薄，使的土體粘聚力增大。

根據圖2可知：在同一固結度下，洞庭湖區軟土粘聚力c隨固結壓力p的增大而增大，基本呈現線性增大的趨勢，但增幅不大。

根據圖3可知：不同固結壓力下的平均粘聚力c與固結度U之間呈現良好的相關性，增加趨勢隨固結度的增加而放緩，可擬合成一個二次關系式，擬合關系式為c=-0.001U2+0.2145U+6.0805，相關系數R2=0.9952。

根據圖4可知：不同固結度下軟土的平均粘聚力c與固結壓力p之間基本呈現良好的線性關系，擬合關系式為c=0.0153p+9.465，相關系數為R2=0.9624。

根據圖5可知：在同一固結壓力下，洞庭湖區軟土摩擦角隨固結度U的增加而增加，呈現線性增加的趨勢。這是因為在土樣的固結過程中，水分逐漸排出，土顆粒不斷被壓密，土顆粒之間的摩阻力變大，所以內摩擦角隨固結度的增大而不斷增大。

根據圖6可知：在同一固結度下，洞庭湖區軟土摩擦角隨固結壓力p的增加而增加，但在固結壓力大于300kPa后，摩擦角隨固結壓力的增加而增加的速度放緩，整體增幅不大。

根據圖7可知：不同壓力p下的平均摩擦角與固結度U之間基本呈現良好的線性關系，擬合關系式為=0.0665U+15.207，相關系數R2=0.9913。

根據圖8可知：不同固結度U下平均摩擦角與固結壓力p之間基本呈現良好的線性關系，擬合關系式為0.0101P+15.995，相關系數R2=0.9387。

4 結語

（1）在同一固結壓力下，洞庭湖區軟土的粘聚力c隨固結度U的增加而增加，但增大速率隨著固結度的增大呈現放緩的趨勢，在固結度U<60%增長速度較快，在U>60%時增長速度變緩。在同一固結度下，洞庭湖區軟土粘聚力c隨固結壓力p的增大而增大，基本呈現線性增大的趨勢。

（2）不同壓力p下的平均粘聚力c與固結度U之間呈現良好的相關性，增加趨勢隨固結度的增加而放緩，可擬合成一個二次關系式。

（3）在同一固結壓力下，洞庭湖區軟土摩擦角隨固結度U的增加而增加，呈現線性增加的趨勢。在同一固結度下，洞庭湖區軟土摩擦角隨固結壓力p的增加而增加，但在固結壓力大于300kPa后，摩擦角隨固結壓力的增加而增加的速度放緩。

（4）不同固結度U下的平均摩擦角與固結度U之間基本呈現良好的線性關系。

（5）在荷載作用下，洞庭湖區軟土抗剪強度指標粘聚力和摩擦角會發生變化，所以在進行軟土路基設計和施工過程中應考慮其固結度和固結壓力的影響。

參考文獻：

[1]王元戰，馬旭，馬楠.荷載作用下軟粘土土性指標變化規律試驗研究[J].水道港口，2015，36（04）：339-344.

[2]陳鐘頤，周景星，王洪瑾.土力學[M].北京：清華大學出版社，1992.

[3]胡德金，高正中.不同固結度下軟基土的力學特性[J].四川聯合大學學報（工程科學版）.1999，3（05）：106-110.

[4]何群，冷伍明，魏麗敏等.固結度與加載方式對軟土抗剪強度的影響[J].公路交通科技，2005，22（01）：29-32.

[5]劉紅軍，靳晨杰.軟土的固結狀態對抗剪強度影響的研究[J].公路，2015（10）：51-54.

[6]劉紅軍，陶夏新，程培峰.寒區濕地軟土抗剪強度特征試驗研究[J].公路交通科技，2008，25（08）：31-36.