自重应力状态下与超固结条件下直剪试验结果探讨

2012-01-18黄芳

地下水 2012年4期

关键词：粘聚力剪应力摩擦角

黄芳

(上海申元岩土工程有限公司，上海200125)

自重应力状态下与超固结条件下直剪试验结果探讨

黄芳

(上海申元岩土工程有限公司，上海200125)

在土工室内试验中，直剪试验的C、φ值是估算地基承载力等得重要指标，而自重应力状态下的直剪与超固结条件下的直剪试验结果存在很大的差异性，通过工程实例，对自重应力状态下与超固结条件下的直剪试验结果进行探讨。

自重应力;超固结;直剪试验;承载力

在工程计算中，建筑地基承载力的计算、边坡稳定分析、挡土结构土压力的计算、基坑支护设计、地基稳定性评价中，直剪试验的粘聚力C和内摩擦角Φ是重要的指标之一，其土工试验的数值的准确性具有重要意义。

1 土的抗剪强度与直剪试验

土的抗剪强度试验，是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力，土体发生剪切破坏时，将沿其内部某一滑动面产生相对滑动，而该滑动面的剪应力就是土的抗剪强度。通常，土的抗剪强度用库伦公式表示，即 τf=c+σtanφ［1］

式中:τf为土的抗剪强度(kPa);c为土的粘聚力(kPa);φ为土的内摩擦角(°);σ为剪切滑动面上的法向应力(kPa)。

图1 土的抗剪强度与法向应力的关系

直剪试验，是指在某一特定面上剪切土的试件，直接测定该面上的剪应力和抗剪强度的试验。直剪试验是室内测定土体抗剪强度的一种常用方法，可方便地为土木工程治理、加固及破坏分析提供所需的土体抗剪强度参数:粘聚力c和内摩擦角φ。该方法因其快捷方便，结果处理简单，被广泛采用，也是测定土的抗剪强度最简单的和最原始的试验方法。［2］

通常直剪试验采用几个试样，分别在不同的垂直压力P下，施加水平剪切力，测得试验破坏时的剪应力τf’，然后再根据库仑定律确定粘聚力C和内摩擦角φ。

直接剪切分慢剪、固结快剪和快剪三种试验方法，本文仅针对固结快剪进行讨论。

2 自重应力状态下直剪试验与超固结条件下直剪试验

由于土的应力历史不同，土在沉积过程中受到先期固结压力的作用，土一般分为正常固结土、欠固结土和超固结土。

上海地区土层基本均为超固结土层。所以研究超固结条件下的直剪试验有很大的实际意义。

一般在我们实际应用中，一般是固结快剪试验，由于技术条件的限制，一般情况下20 m浅的固结试验垂直加压为50 kPa，100 kPa，150 kPa，200 kPa，20 m 以下垂直加压为 50 kPa，100 kPa，150 kPa，200 kPa，300 kPa。这样分类太笼统，很多土层的垂直压力无法满足其超固结状态，所以试验中取得的抗剪强度也不太准确。

本文利用工程实例，分析自重应力状态下与超固结条件下直剪试验(固结快剪)。

3 实例分析

选取上海市漕宝路某工程土样若干进行直剪试验，针对上海典型土层进行了自重应力状态下合超固结条件下直剪试验的比对，分析两组直剪试验的差别。针对该工程土层40.0以浅的土层，分别做了自重应力下的直剪与超固结状态下的直剪试验，各土层的两组直剪指标汇总见表1。

由于数量较多，本文仅针对上海地层典型的第②层褐黄—灰黄色粉质粘土层进行探讨。

试验仪器

A.直剪仪:型号STST－5;

B.环刀:内径 61.8 mm，高度 20 mm。

从样筒中用环刀切取试样，尺寸为Ф61.8 mm×20 mm，每组4个样，每组试验进行预压。预压荷重分别为:25 kPa、50 kPa、75 kPa、100 kPa(自重应力状态下);100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa(超固结条件下)。预压时间为24 h。

把制备预压好的4个试验分别置于剪切盒内，用四个不同的垂直压力作用于试样上(垂直压力见表2)，然后再施加水平剪应力进行剪切(剪切速率为0.8 mm/min)，使试样的上下盒直剪的水平面上发生剪切破坏，在剪应力施加过程中记录剪应力的峰值强度，并绘制剪应力与剪切位移的关系曲线，并从曲线上找出试样的极限剪应力作为该垂直压力下的抗剪强度，通过四个试样的抗剪强度确定强度包线，求出抗剪强度参数粘聚力(c)和内摩擦角(φ)。

表1 自重应力状态下与超固结条件下直剪试验指标表

表2 自重应力状态下与超固结条件下直剪试验垂直压力表

表3 重应力固结条件与超固结条件下直剪强度参数表

表4 自重应力状态与超固结条件下承载力比值表

其中由表3中可知，自重应力固结条件下快剪强度粘聚力最大值为40 kPa，内摩擦角最大值为19.5°;超固结条件下快剪强度粘聚力最大值为16 kPa，内摩擦角最大值为28°。如图2，自重应力固结条件下的剪力C值比超固结条件下的值偏大，而Φ值则偏小。

根据地基基础设计规范［3］

假设天然地基为条基，宽为1.5 m，基础埋深为1.0 m，地下水位埋深为0.5 m，不考虑软弱下卧层，两组试样计算的天然地基地基承载力见表4。

由表3结果可知，自重应力状态下承载力值比超固结条件下承载力大，自重应力状态下天然地基承载力值最大值为151.08 kPa，最小值为141.43，平均值为147.14 kPa;超固结条件下天然地基承载力最大值为106.48 kPa，最小值为90.47 kPa，平均值为 102.03 kPa。

图2 自重应力状态与超固结条件剪力图

由上述数值得出，自重应力状态下天然地基承载力值比超固结条件下天然地基承载力大。主要原因是直剪试验中，垂直压力越大时，剪切破话所需的水平压力越大，孔隙水应力和垂向附加应力增加也越来越大，当固结度相差越大时，转化为有效应力的差值就越大，则根据试验获得的抗剪强度差别越大，体现在抗剪强度与垂直压力关系曲线上就内摩擦角越大，粘聚力越小。［4］

而经过几十年的实际工程实例经验(室内剪切试验结合三轴试验(UU)、无侧限试验、野外静力触探曲线试验数值)，上海地区第②层褐黄色—灰黄色天然地基承载力设计值一般经验值为90～120 kPa，通过本工程试验结果，显然自重应力状态下的承载力比较大，而超固结条件下的承载力比较接近实际经验值。当然，本文探讨的条件是在相同的固结时间、剪切速率、同样试验操作顺序下，进行两组试样的直剪试验比对。