土的直剪试验研究

罗和平

土是分散的固体颗粒、水与气体组成的三相系,由于这三相之间比例量的关系以及相互作用,使土呈现不同的状态与物理特性。土在外力作用下,使土呈现出力学特性,土的抗剪强度是其力学特性之一。土体的破裂并非是固体颗粒的破裂,而只是破裂面两边的土粒发生了相对移动(剪切变形)的结果。土的抗剪强度就是土体在剪应力作用下,开始发生一部分土沿另一部分土滑动时,所具有抵抗剪切的极限强度,所以,土的强度问题其实质就是抗剪切强度问题,而土体的破坏过程也就是丧失稳定性的过程。在工程应用中确定地基承载力与地基稳定性、边坡稳定性、挡土墙结构的土压力等方面具有重要意义。本文主要是通过直剪仪来测定在不同试验条件下土的抗剪强度,并分析其规律。固结快剪、浸水直接快剪(饱和快剪)、浸水固结快剪(饱和固结快剪)。试验所用仪器为南京土壤仪器厂生产的应变式控制直剪仪。

表1 原状土物理性质统计表

表2 重塑土物理性质统计表

1 试验研究

通过大量试验实践,笔者按土的物理性质归纳分类,选取具有代表性土进行研究,从而系统地对土的直剪试验进行研究。现将试验样品分为两大类:1)原状样A,B,C三种,其物理性质见表1;2)重塑土制样D,E,F三种,其物理性质见表2。分别采取饱和与非饱和两种状态进行分析。试验方法依据规范[1]采用直接快剪、

2 试验结果与讨论

将试样按非饱和状态和饱和状态,在不同的试验条件下进行直接剪切试验,测得土的抗剪强度参数粘聚力c(kPa)和内摩擦角φ(°),其成果统计见表3。

表3 土的抗剪强度试验成果统计表

从表3统计中可以看出,不论是原状样,还是重塑土制样,非饱和土的固结快剪所得的内摩擦角φ值最大,饱和快剪的内摩擦角φ值最小;A样品与D样品饱和快剪与饱和固结快剪的内摩擦角相差小于1°,其原因是由于二者的塑性指数Ip＜7,土颗粒较粗,粘粒含量偏小,属于砂性土,样品中的水分在有荷重情况下极易排出,且直剪仪为不完全封闭状态,在饱和快剪时,虽然试样上下均垫有不透水膜,但试样在加荷的瞬间,试样中的水分仍然会快速从土与不透水膜缝隙间排出,试样的主固结瞬时完成,这样就与饱和固结快剪的条件基本相同了,因此二者的内摩擦角相差不大。相反,B,C,E,F四样品均属黏性土样,在快剪条件下,土样内部的水分还来不及排出,试样就被剪坏,所以所测得的内摩擦角相差较大,且试样的饱和快剪所得的内摩擦角要小得多。还有,随着土的粘性增大,样品的饱和快剪测得的内摩擦角呈减小趋势。另外,可以看出,样品的非饱和状态快剪与饱和状态固结快剪测得的内摩擦角相差不大,这是由于在饱和过程中,水进入样品内部,使土颗粒间的物理化学作用发生了改变,再加上在样品固结时对土原有结构的破坏,同时,在样品固结完成后,样品的含水率仍比非饱和状态样品的含水率大,而土的内摩擦角随含水率的增大而呈减小趋势[2]。所以,试样的饱和固结快剪所得的内摩擦角与非饱和状态直接快剪所得的内摩擦角相差不大。

在统计原状土样的抗剪强度参数时,发现有一部分样品,非饱和状态快剪所得的c,φ值要比非饱和固结快剪所得值大,尤其φ值更明显,分析此原因,因为一般认为土的抗剪强度是由土的内聚力和内摩擦两部分组成[3],此类原状样品本身存在较强固化内聚力和较大颗粒间的咬合力,而固结时,对样品本身这种在自然界中经过长期的、复杂的地质作用形成较强的固结强度造成了破坏,最后虽固结压密了土,但其强度仍不能达到土在自然沉积过程中的原有强度,因此就出现了此类现象,而在比较软的土不存在此类现象。

3 结语

1)不论原状土,还是扰动土,其抗剪强度中的内摩擦角由非饱和状态的固结快剪,直接快剪到饱和状态的固结快剪,直接快剪呈递减趋势。2)对于砂性土(Ip＜7),饱和快剪与饱和固结快剪所得的内摩擦角相差不大。3)对于黏性土(7＜Ip＜12)可塑状态时,一般情况下,其非饱和状态的直接快剪与饱和状态的固结快剪所得的内摩擦角相差无几。4)对于在试验中,较硬的土样有时会出现非饱和状态的直接快剪的试验结果大于其固结快剪的结果,属正常现象,试验人员不应进行数据调整处理,应据实提供,供地质人员综合全面参考予以处理。

[1] GB/T 50123-1999,土工试验方法标准[S].

[2] 赵寿刚.黄河下游沉积粘土层的土力学特性分析[J].岩土工程界,2005(10):91-92.

[3] 甘德福,袁雅康.土的基本性质与室内土工试验[M].上海:上海市地质协会,1984.