不同實驗方法之間黃土強度參數對比分析

籍延青

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

目前，黃土邊坡穩定性計算，無論何種方法，都要提供土性參數，包括重度γ、黏聚力c 和內摩擦角φ。尤其c、φ 值對穩定性計算結果影響很大，長期以來一直是工程上的難題。而土的抗剪強度參數的大小又與實驗方法之間有著密切的聯系。對于抗剪強度參數的獲取，直剪和三軸是最常見的實驗方法。直剪實驗歷史悠久，儀器構造簡單，土樣制備、安裝方便。在實際工程中，直剪實驗由于其快捷方便而得到廣泛應用。三軸的優點是能嚴格控制排水試樣中的應力狀態，且應力分布比較均勻，但實驗儀器復雜，操作技術要求高，試樣制備較復雜。很多研究[1-2]表明，土的抗剪強度受應力狀態的影響，因此三軸壓縮實驗結果不能全面反映土中主應力的影響。王耀杰[3]認為，直剪儀不允許土體發生側向位移，也不像三軸實驗中試件破損面完全由外力大小及作用方向以及在外力作用下土體本身的凝集性態所決定，而是人為地強迫它沿著水平面剪損，但從機理上來說，它并未影響實驗的最終效果。李寶恒[4]認為，對于土質邊坡，用三軸實驗的自由界面剪裂并不優于直剪實驗。總之，沒有哪種測試強度儀器能全面顧及到各種影響因素。三軸實驗造價高、實驗周期長，試樣制備復雜，對操作技術要求較高，但其實驗數據較接近實際。直剪實驗和三軸剪切實驗各有優劣，如果能建立起二者強度指標之間的相關關系，可以在直剪實驗的基礎上稍加修正得到較為精確的強度指標，這樣方便經濟，事半功倍，便于推廣應用。

本文依托山西省已建、在建的多條高等級公路，在公路工程地質分區[5]（圖1）內，調查了許多黃土邊坡，采取原狀土樣，進行室內直剪與三軸實驗，并對結果進行了對比分析，得出二者之間的相關關系，可以在一定條件下滿足工程要求，縮短工期，節約成本，對山西公路黃土邊坡強度參數取值有一定的補充借鑒。

圖1 山西省工程地質分區圖

1 取樣

課題組在I 區即黃土丘陵溝壑區，3 個亞區Ia、Ib、Ic 區，擬定了野外路線和取樣點，主要有山平、神河、岢臨、汾離、臨離、吉河、霍永等高速，采取大塊原狀取樣（如圖2 所示）。課題組為了滿足實驗要求，達到預期研究目的，共采取原狀土樣42 組。本次采集試樣尺寸大于常規試樣尺寸，至少為25 cm×25 cm，盡可能地在邊坡坡面取樣，個別因條件不具備而改在邊坡側面，每個邊坡取2～3 組試樣，盡量能同時取到不同時代的土。

圖2 野外取樣圖

a）刻槽 在合適的位置先用鐵锨鏟平邊坡表面，然后用鐵鎬、尖刀等工具逐步刻方形土槽，盡量不要破壞土的結構，小心取出土塊，馬上用標簽標記上下。

b）削樣 把大尺寸試樣用削土刀削成實驗所需的大小。

c）封裝 把削好的土樣立刻裝入土樣筒，并用膠帶進行密封，同時貼上試樣標簽。

本文所采取的土樣均是邊坡黃土，現場采取大塊土樣，保證直剪和三軸試樣是同一塊土樣上采取。

2 實驗成果分析

在研究區沿線邊坡刻槽取黃土樣42 組，在4 種測試條件下測試強度指標的關系，同一組樣，分別做直快剪、固快剪，相應的三軸實驗做不固結不排水剪、固結不排水剪。根據實驗結果繪圖3、圖4。

圖3 不同剪切條件下黏聚力變化折線圖

根據統計結果可以看出：

a）對于直剪實驗的c 值，除了Ic 區Q2數據異常，固快剪實驗值均大于直快剪，固快剪與直快剪黏聚力均值的比值從1.05～1.31 倍不等。直剪實驗φ值，兩種測試方法影響均不大，在22.4°～29.7°之間，平均在25°左右。

圖4 不同剪切條件下內摩擦角變化折線圖

由圖可以看出，直剪實驗c 值大的，φ 值一般都較小，尤其是南部Q2，黏聚力均值達104 kPa，φ 值僅22.4°，這說明c、φ 值反相關的特點明顯。

b）三軸實驗雖然比直剪更接近實際受力條件，但目前工程中測試較少，沒有直剪實驗普及，三軸實驗由于受儀器、試樣、人為等因素的影響，結果的變異性較大。除了Ia 區Q2、Ic 區、Ib 區Q3黃土的黏聚力c 值出現固結不排水剪大于不固結不排水剪外，Ia 區Q3、Ic 區、Ib 區Q2黃土則相反，固結不排水剪結果小于不固結不排水剪，這與理論不相符，當然，這與本次探井樣本數較少、土樣離散性較大也有一定關系。

c）快剪即不排水剪，要求在剪切過程中不排水，由于直剪實驗不能嚴格控制排水，在實際剪切過程中多少會產生排水（粉土、砂性土更為明顯），得到的黏聚力一般偏大，而三軸剪切實驗能嚴格控制排水，因此在三軸與直剪黏聚力比值33 組數據中，僅13組大于1，1 組相等，其余2/3 比值均小于1，即抗剪強度較直剪結果小，而內摩擦角較前者大。

d）三軸剪（uu）與直剪（q）之間的關系可做散點圖來分析說明。

（a）山西北部Ia 區三軸剪與直剪之間的c 值關系。

圖5 山西Ia 區q-uu 黏聚力關系曲線

二者之間可用二項式擬合：

（b）山西中部Ib 區三軸剪與直剪之間的c 值關系。

圖6 山西Ib 區q-uu 黏聚力關系曲線圖

表1 實驗力學參數

二者之間可用二項式擬合：

（c）山西南部Ic 區三軸剪與直剪之間的c 值關系。

對兩種實驗方法得到土的強度參數，利用式（2）把直剪參數換算成相應的三軸參數，然后用geo-slope 軟件進行計算，其余計算條件與標準相同，穩定性系數采用直線型滑動面與折線形滑動面，得到的值如表2。

表2 三軸壓縮實驗參數和換算參數對應邊坡穩定系數

圖7 山西南部q-uu 黏聚力關系曲線

二者之間可以用二項式擬合：

（d）不分區三軸剪與直剪之間的c 值關系。

圖8 山西黃土q-uu 黏聚力關系曲線

二者之間可用二項式擬合：

由圖5～圖8 可見，直剪與三軸之間抗剪強度的關系可以用二項式來擬合，不同區域二者黏聚力的相關關系南部最小為0.78，中部最大為0.97，如果不分區，相關關系為0.88。在今后的工作中，應不斷補充數據，完善經驗公式。

3 工程實例

現對依托工程中部呂梁地區邊坡的3 個土層分別進行了直剪實驗和三軸實驗，基于實驗數據得到的三軸與直剪強度如表1。直剪實驗的黏聚力值基本較三軸實驗值大，但是內摩擦角則較小。

對于該邊坡，換算強度參數與三軸實驗結果進行穩定性計算相比，二者之間偏差最小5.98%，最大8.56%，圓弧形滑面比折線形滑面偏差較小。在中部地區，如果條件不允許做三軸實驗，可以在直剪實驗基礎上對數值進行修正，用修正值進行計算，能適當地節約成本，縮短工期。當然，在選用公式時一定要結合地區特征，謹慎采用。

4 結論

a）本文通過山西公路黃土邊坡強度參數的統計分析與工程實例分析，可以看出，直剪較三軸得到的黏聚力c 值偏大，內摩擦角φ 較小，并且c、φ 值呈反相關關系，其中內摩擦角對穩定性計算結果影響較大。

b）雖然樣本數有限，但仍然可以看出直快剪與三軸不固結不排水試驗黏聚力有一定的相關關系，二者可用二項式Cu=0.7805Cq+8.7471 來擬合，相關關系達到0.88，對于內摩擦角，也都在一定范圍內，約21.8°～26.8°。

c）今后的工程實踐中，對文中的經驗公式，應不斷加大樣本數，完善公式，同時結合地區經驗使用，便于設計人員推廣應用。