粘性土不同剪切方法所求指標對比

崔文良 （安徽省城建設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230001）

1 引言

抗剪強度試驗分為直剪試驗與三軸剪切試驗。根據排水條件的不同，三軸試驗分為不固結不排水（UU）、固結不排水（CU）和固結排水（CD）試驗，直剪試驗分為快剪、固結快剪和慢剪試驗［1］。

直剪試驗有不能嚴格控制試樣排水，破壞面人為固定等缺點。對于均勻各向同性的土，直剪試驗是三軸試驗的一種特殊情況，兩種試驗的結果基本可以相互對應［2］。可通過對三軸試驗的研究，來粗略比較直剪試驗抗剪強度指標大小。

土的抗剪強度影響因素很多，亨開爾等學者證實，對于同一種正常固結或超固結的飽和粘性土，剪切破壞時土樣的密度和強度間存在唯一性關系，與其他因素無關，即密度越大強度越大，這一規律稱為“密度-有效應力-抗剪強度”唯一性關系［3］。

在三軸試驗中，當有效圍壓（當今試驗圍壓）大于等于先期固結壓力時，稱土樣處于正常固結狀態，而當有效圍壓小于先期固結壓力時，則稱土樣處于超固結狀態。

2 三軸試驗抗剪強度包線

2.1 正常固結狀態

歷史上從未受過任何應力固結的飽和粘性土，為很軟的泥漿，先期固結壓力為0，加載時土樣會一直處于正常固結狀態。當圍壓等于0，抗剪強度為0，UU、CU和CD抗剪強度包線通過坐標原點［3］。

UU試樣始終沒有固結排水，密度沒有變化，根據“密度-有效應力-抗剪強度”唯一性關系，不管施加的圍壓有多大，破壞時土的抗剪強度必定相同。因此總應力抗剪強度包線是一條水平線。太沙基1932年所做三軸試驗得到的就是這個結果。但通常由于土試樣的飽和度沒有達到100%，UU抗剪強度包線會出現一個比較小的傾角，但這個傾角是由氣泡的壓縮所致，并不真的存在這個內摩擦角［2］。

CD與CU發生固結，按照密度大，抗剪強度大的規律，抗剪強度包線向上傾斜。且CD固結更徹底，所以CD在CU抗剪強度包線之上。

2.2 超固結狀態

UU試驗目的是得到在實際地層中天然土體的強度，因此從地層中取出來的土樣應盡量保證不擾動不回彈。試驗中試樣始終沒有固結排水，密度沒有變化，則總抗剪強度不變，抗剪強度包線是一條水平線，大小等于CU試驗中土樣在先期固結壓力下的總抗剪強度。由于很難保證土樣不回彈（密度不減小），實際UU抗剪強度包線應向下平移一小段，如圖1所示。

CU與CD應結合實際工程需要，考慮是否嚴格要求土樣不回彈，如在較大面積的1層填方作用下填方和地基土已經固結，然后又施加2層填方的情況下，用到的是圍壓大于先期固結壓力的抗剪強度，土體回彈沒有必要做出要求。

超固結段土是經過固結排水的，實際密度大于正常固結時的密度。按照密度大，抗剪強度大的規律，超固結段在正常固結段的抗剪強度曲線之上。

CU在圍壓小于先期固結壓力且接近0進行剪切時，土樣發生剪脹，出現負的孔隙水壓力，有效應力等于總應力減去負孔隙水壓力，有效應力圓（即CD應力圓）應在總應力圓右邊，圍壓接近先期固結壓力時，孔隙水壓力一般會變為正值，有效應力圓應在總應力圓左邊。CU與CD抗剪強度包線最終呈現圖1所示“交叉”式曲線。

圖1 土的抗剪強度包線

2.3 總結

綜上并結合經驗，粘性土的三軸試驗抗剪強度指標大小關系一般為（UU，CU抗剪強度指標指總抗剪強度指標）：

內摩擦角CD>CU>UU，粘聚力為UU>CU≥CD。

上述大小關系，對正常固結段和超固結段均適用，當試驗時所取圍壓分布在先期固結壓力兩側時，CU、CD兩段抗剪折線包線簡化成一條包線，抗剪強度指標依然滿足上述大小關系。

其實土的抗剪強度包線并不是一條直線，受滑動摩擦、剪脹、擠碎和重排列等各種因素影響，只是根據試驗結果我們把它簡化成一條直線。

另外，一般不取圍壓很小時進行試驗，受各種因素影響，在極低圍壓下的三軸試驗誤差很大。

其實，圖1將同一種土的UU、CU和CD抗剪強度包線畫在一個坐標系是不十分準確的，UU試驗目的是得到土體的天然抗剪強度指標，在取樣制樣過程中應盡可能保持試樣不擾動不回彈。而CU和CD根據實際工程條件及所取的圍壓范圍不同，土體的回彈有時影響不大，一般對回彈不做要求，也有要求土樣充分回彈進行試驗的。也就是說其實UU與CU和CD試驗要求的試樣并不完全一致。

3 其他抗剪強度指標大小比較

直剪試驗不能嚴格控制試樣排水，破壞面人為固定，剪切面應力狀態復雜，應力和應變分布不均，導致直接剪切試驗的快剪、固結快剪和慢剪測得的抗剪強度指標大小關系只能近似等于三軸試驗的大小關系。

經驗表明，由于試驗儀器和方法的不同，直接剪切所得抗剪強度指標一般略高于三軸試驗的抗剪強度指標，常乘以0.9的系數［3］。

非飽和土中由于基質吸力［4］的存在，抗剪強度指標比飽和后（孔隙比不變）的抗剪強度指標大。

4 試驗驗證

由于非飽和土的理論依據不成熟，直剪試驗各種條件難以控制，這里只進行三軸試驗CD、CU和UU抗剪強度指標的大小關系的驗證。

工程上的天然土要復雜得多，應力歷史不明，均勻性有一定偏差，取土質量難以完全保證。因此實驗室制備一種合肥地區取土的重塑飽和粘性土，塑性指數20，灰黃色。將其按照先期固結壓力為150kPa進行固結后并卸壓，得到“固結飽和粘性土”。

采用同一試驗人員，同一設備，同時間地點環境進行試驗。每種試驗進行10組并取平均值。最終結果如表1，滿足上述三軸試驗抗剪強度指標大小的結論。

表1

5 總結

上述結論是在理想狀態與大量假設的前提下，并參考大量的實際工程經驗得出的。因為實際試驗影響因素眾多，很多試驗結果與上述結論不符也屬正常。

本結論對于試驗數據處理人員有一定的參考價值。在進行日常試驗生產時，應以實際試驗數據為主，并結合本結論，作為數據取舍修改或重新試驗的依據。

抗剪強度不同于抗剪強度指標。抗剪強度指標是用來計算抗剪強度的。不同的試驗條件，得出的抗剪強度指標是不同的。

土的抗剪強度機理及影響因素十分復雜，不能將粘聚力與內摩擦角截然分開。在形式上分開，只是基于分析和解決問題的方法。土的土抗剪強度庫倫公式為：τf=c+σtanφ，工程上直接使用抗剪強度τf也是可行的［5］。