淺析土工試驗確定黃土抗剪強度指標的幾種方法

張建輝

(楊凌職業技術學院交通與測繪工程分院，陜西 楊凌 712100)

1 黃土強度指標概述

在工程中，黃土土層發生失穩破壞，我們通常稱為土的強度破壞，也就是指土的剪切破壞，所謂土的強度指的是土的抗剪強度。土體在受到外部荷載作用后，地基土中各點土體同時產生垂直的法向應力和作用力平行的剪應力，法向作用力會使土體發生壓密效果；而剪應力使得土體發生剪切，在土體剪切面發生相對移動的同時在土體內部產生抗剪力，阻止土體發生破壞。

在實際工程中，影響土的抗剪強度的因素比較多，在這些因素里主要有：土層的性質，土的狀態、組成、結構。具體來講，主要和土的形成環境、受力歷史及它當前所受的應力狀態相關。如果地基土為粘性土，其粒間的連結比較復雜，膠結物質的連結強度起主要作用，使得粘性土的抗剪強度主要與土粒的連結有關；而無粘性土土粒較大，粒間沒有膠結物質，因此也就不存在膠結力，因此無粘性土的抗剪強度主要是由顆粒間的摩擦力組成，其與粒度、土粒的密實度和土層的含水情況等相關。因此在進行土體穩定性的計算分析時，黃土的內摩擦角和粘聚力是衡量土的抗剪強度大小的兩個重要指標，能否較為準確地測定土的抗剪強度指標成為工程設計質量和工程成敗的關鍵所在。

2 直接剪切試驗

2.1 直剪試驗原理

土的抗剪強度指標測定的最簡單、實用的方法是直接剪切試驗，由于其測定的是土樣中上、下盒之間固定剪切面上的抗剪強度，因此其準確性大幅降低。直剪根據外部荷載加荷方式的不同，可分為應變控制式、應力控制式。目前，在我國工程中采用的直剪儀都是應變控制式。儀器的構造比較簡單，主要由連接外荷的固定上盒和處于滾珠的活動下盒構成，土樣處于上、下盒之間，此外土樣上下各有一塊透水石，用來阻止在剪接過程中排水、排氣時土粒被帶出。進行剪切試驗時，杠桿系統將外部砝碼的重量轉換為土樣的豎向壓力，通過加壓活塞和透水石對土樣施加豎向應力；通過儀器的變速盒或手輪推動頂針使得下盒等速移動，使得試樣能夠沿著上、下盒之間的水平面受剪直至被破壞，而剪切面上剪應力τ的大小可用與上盒固定的量力環(已知系數)來測定其應力的大小。

指標在確定時，該試驗需要對同一種土進行3～4個在不同的法向應力下進行剪切破壞的試樣，試驗結束后，可將試驗結果整理成抗剪強度包線(τf～σ)之間的關系曲線。則強度包線在縱軸上的截距為該土的粘聚力c，反算強度包線與橫軸的夾角為該土的內摩擦角。

2.2 直剪試驗方法分類

通過已有的實際工程案例來對比分析，不難得出結論：土的抗剪強度指標與土體受力后的排水固結狀況關系密切。[1]按照土樣在剪切時的排水條件，直剪試驗分為以下三種。

2.2.1 直接快剪

在土樣裝好后，施加豎向壓力，不對土樣進行固結，直接進行剪切。以0.8mm/min的剪切速率快速施加水平剪應力使得土樣發生剪切破壞。土樣從開始剪切到破壞只用3～5min就可以結束。該試驗的特點是：剪切速率快，因此地基土在剪切過程中來不及排水固結。通過該試驗能夠得到飽和或近飽和狀態下土的抗剪強度指標，用cq、q表示。

適用工程狀況：地基土排水不好，施工加荷較快的情況，如地基土厚度大的飽和粘土、穩定性較差的土質斜坡。

2.2.2 固結快剪

裝好土樣后，通過砝碼和杠桿對試樣施加豎向荷載，持續60min左右，讓試樣中的水分、空氣通過下透水石排出，待固結穩定后，再以0.8mm/min的剪切速率快速施加水平剪應力使得試樣發生剪切破壞。在這種情況下，土樣固結中已經壓密，固土的強度也比較大，該試驗得到的抗剪強度指標用ccq、cq表示。

適用工程狀況：一般無軟弱夾層的建筑物地基土層或施工期間工期較慢具有固結作用的工程。

2.2.3 固結慢剪

裝好土樣后，通過砝碼和杠桿對試樣施加豎向荷載，持續60min左右，讓試樣中的水分、空氣通過下透水石排出，待固結穩定后，以小于0.02mm/min的剪切速率施加水平剪應力直至試樣剪切破壞。由于土樣剪切的很慢，故試樣在受剪過程中能夠一直充分排水、空氣，同時在豎向被壓密，水平方向產生剪切使得土樣發生體積變形。在這種情況下，得到的抗剪強度指標用cs、s表示。

適用工程狀況：在施工時上部荷載加荷較慢，地基排水條件好，施工時間比較長，如透水性較好的低塑性土和在軟弱飽水土層上的高填土分層控制填筑等等。

3 常規三軸剪切試驗

3.1 常規三軸剪切試驗原理

該試驗通常用3～4個圓柱形(高8cm、直徑3.91cm)試樣，分別在不同的壓力室(通過水施加一定的恒定周圍壓力)施加不同圍壓，再通過變速箱齒輪施加軸向壓力而使得豎向和水平向產生主應力差，使得土樣進行剪切直至試樣被破壞；然后根據摩爾-庫侖理論，求得至少三個土樣的共同抗剪強度包線。同樣，強度包線在縱軸上的截距為該土的粘聚力c，強度包線與橫軸的夾角為該土的內摩擦角。

3.2 常規三軸的分類

根據建筑物的特點、施工條件與施工方案等要求來調整具體的試驗方案，可將常規三軸壓縮試驗分為三種。

3.2.1 不固結不排水剪

當建筑物修建在飽和度高的粘性土地基上，且施工周期短、荷載大、排水差時，而地基土中的水來不及排出，地基土不能較好的達到固結穩定。故對于這種工程狀況進行穩定性分析時所需的參數強度指標c和φ，不固結不排水剪試驗能夠較為準確地模擬實際工程情況。

3.2.2 固結不排水剪

當建筑物修建在軟土地基上時，工期長或經常受水位影響的地段、或堤壩工程時，由于季節性雨水變化導致如堤壩中水位突然下降，在進行穩定性驗算分析時采用固結不排水剪試驗的強度參數較為符合實際工況。

3.2.3 固結排水剪

當建筑物修建在軟土地基土層，工期又很長，地基透水性且較好，比如堤防工程，故設計時一般采用固結排水剪常規三軸試驗來測得土體抗剪強度參數進行穩定性分析。

4 真三軸剪切試驗

剛柔混合型真三軸儀，國內高校近些年自主研發的新型三軸儀，目前在工程中用的還比較少。該儀器在軸向有一對剛性邊界，以此來施加大主應力；在側向是兩對橡膠膜制成的壓力腔構成柔性邊界。試樣為可調可變的正方六面體，試驗時試樣在一橡膠膜內，安置于壓力腔和剛性底座及試樣帽之間。試樣的中主應力和小主應力由密封壓力腔內橡皮膜的油或水來提供，兩對壓力腔與軸向的壓力底座提供固結壓力。

進行試驗固結時，向密封的橡皮膜壓力腔內注入水，提供水壓，待土樣達到固結穩定。進行試驗時，軸向壓力通過豎向的變速箱施加，中主應力按中主應力比率b，通過壓力腔對土樣施加。土樣的中主應力比率b和小主應力在同一個試驗過程中維持不變。該試驗在整個試驗過程中小主應力保持不變，大主應力和中主應力一直增大，當達到土樣破壞強度時，土樣終于因受剪而破壞。

5 結 語

本文以黃土為研究對象，以現有土工測定技術為基礎，較全面地分析了測定土的抗剪強度指標的確定方法。直接剪切試驗簡單、操作方便、成本較低，但存在應力計算不符合實際、無法控制孔隙水壓力、截切面積計算不準確等無法克服的缺點。常規三軸剪切試驗克服了直剪試驗中的缺點，所以在現在的工程中應用較為普遍，但無法模擬在某些情況下土層側向應力不對等的工況。真三軸剪切儀雖有很大的優勢，但其成本較高，目前還難以廣泛應用于工程中。