岳阳地区典型黏性土地基抗剪强度指标经验公式研究

刘 凡, 刘晓红, 李小刚, 陈德成

(湖南理工学院 土木建筑工程学院, 湖南 岳阳 414006)

岳阳地区典型黏性土地基抗剪强度指标经验公式研究

刘 凡, 刘晓红, 李小刚, 陈德成

(湖南理工学院 土木建筑工程学院, 湖南 岳阳 414006)

针对岳阳地区典型的黏性土地基, 进行了不同排水条件下的直剪试验, 获得了大量直剪强度指标试验数据.基于试验数据的整理, 提出了抗剪强度指标归一化参数的概念及定义式; 对不同条件下的归一化参数分析表明, 影响该参数的主要因素是液性指数, 并给出了 4个归一化参数随液性指数的变化曲线和相应的经验公式. 基于归一化参数及快剪强度指标, 可计算出更耗时的固结快剪、固结慢剪抗剪强度指标. 本文研究思路和经验公式可为岳阳地区典型黏性土地基抗剪强度指标的确定提供新的途径, 该方法可推广至其它地区或其它类型地基土的抗剪强度指标的确定.

抗剪强度指标; 归一化参数; 经验公式; 黏性土地基

诸多学者对抗剪强度指标影响因素、三种排水条件下直剪试验得到的强度指标之间的相互关系等相关课题进行了研究, 取得了丰富的研究成果. 卢肇钧等[1]认为土的内摩擦角与其塑性指数有粗略的相互关系. 范越等[2]研究发现, 塑性指数Ip对土的压缩参数αs、压缩模量E、土的黏聚力C和内摩擦角φ都有影响. 王丽等[3]研究了含水率对粉质黏土抗剪强度的影响, 分析了含水率对黏聚力和内摩擦角的影响规律,并得到了相应的关系式. 罗嗣海等[4]研究了部分排水剪切时土的抗剪强度, 并建立了剪切时存在部分排水条件下土的抗剪强度与总应力强度指标理论式, 分析了部分排水时土的抗剪强度确定与模拟问题.

从现有文献资料来看, 岳阳地区典型的褐黄色粉质黏土在不同排水条件的抗剪强度指标之间的关系却鲜有人研究. 大量工程实际表明, 土体抗剪强度指标的确定在试验方法、排水条件选择上, 存在经济和技术上的矛盾. 为了找到一种既经济又满足技术要求的方法, 本文以岳阳地区黏性土地基为研究对象, 分别进行不同排水条件下的大量直剪试验, 通过对比分析、统计拟合, 探讨直剪SS试验、CQ试验强度指标关于QS试验强度指标间的关系及影响因素, 通过一系列参数, 建立固结快剪、固结慢剪抗剪强度指标与快剪抗剪强度指标之间的函数关系, 分析影响参数的各种因素, 分析拟合得到参数与其影响因素之间的函数关系式, 给出相应的经验公式. 基于简单、经济、便于测定的快剪指标, 导出复杂、耗时、费用高的固结快剪、固结慢剪抗剪强度指标, 为本地区地基土抗剪强度指标的确定提供新的途径和实用的便捷方式.

1 试验简介

本文以岳阳地区典型的粉质黏土地基为研究对象, 进行不同排水条件下的直剪试验. 该粉质黏土岩性特征: 褐黄色, 含有较多的锰氧化物结核或氧化膜, 常见含水状态下有硬塑、可塑、软塑三种, 塑性指数在 11.0～13.0之间. 课题组在市区选择有代表性地层, 取得三种不同含水状态的原状结构的土样, 每一含水状态的土样各取20组, 现场密封, 运送到实验室, 放到保湿器内进行保湿. 然后按试验方案规定的要求进行直剪试验、含水量试验、天然密度试验及液塑限联合测定.

2 归一化参数的提出与定义

为了更好的分析同一土样固结快剪指标与快剪指标、慢剪指标与快剪指标之间的关系, 本文首次提出了黏聚力归一化参数和内摩擦角归一化参数的概念, 分别给出了固结快剪黏聚力归一化参数Kc,cq、慢剪黏聚力归一化参数Kc,ss、固结快剪内摩擦角归一化参数Kϕ,cq、慢剪内摩擦角归一化参数Kϕ,ss定义式:

其中Ccq为固结快剪黏聚力; Cqs为快剪黏聚力; Css为固结慢剪黏聚力; ϕcq为固结快剪内摩擦角; ϕqs为快剪内摩擦角; ϕss为固结慢剪内摩擦角.

3 试验数据整理与分析

3.1 归一化参数的计算

按《土工试验方法标准》GB/T 50123-1999, 对不同排水条件下各试件的抗剪强度数据进行整理, 得到了各试件的抗剪强度曲线及相应的抗剪强度指标及其它物理指标(含水量、密度、液限、塑限)见表 1. 根据归一化参数的定义, 将黏聚力归一化参数和内摩擦角归一化参数计算汇总于表1.

表1 归一化参数计算汇总表

22.3 2.00 31.5 20.0 11.5 0.20 快剪 41.7 1.00 13.3 1.00 22.3 2.00 31.5 20.0 11.5 0.20 固快 36.8 0.88 16.2 1.22 Y3 22.3 2.00 31.5 20.0 11.5 0.20 固慢 33.9 0.81 18.0 1.35 24.9 1.97 33.7 21.3 12.4 0.29 快剪 37.3 1.00 11.1 1.00 24.9 1.97 33.7 21.3 12.4 0.29 固快 31.8 0.85 14.3 1.29 Y4 24.9 1.97 33.7 21.3 12.4 0.29 固慢 28.6 0.77 15.4 1.39 24.5 1.97 31.3 20.0 11.3 0.40 快剪 32.0 1.00 9.0 1.00 24.5 1.97 31.3 20.0 11.3 0.40 固快 25.9 0.81 11.7 1.38 Y5 24.5 1.97 31.3 20.0 11.3 0.40 固慢 22.3 0.70 12.4 1.46 27.8 1.96 34.0 21.4 12.6 0.51 快剪 27.4 1.00 6.7 1.00 27.8 1.96 34.0 21.4 12.6 0.51 固快 20.7 0.76 10.1 1.51 Y6 27.8 1.96 34.0 21.4 12.6 0.51 固慢 16.7 0.61 10.7 1.60 26.4 1.97 30.7 19.6 11.1 0.61 快剪 22.6 1.00 4.8 1.00 26.4 1.97 30.7 19.6 11.1 0.61 固快 15.3 0.68 7.7 1.60 Y7 26.4 1.97 30.7 19.6 11.1 0.61 固慢 11.0 0.49 8.0 1.67 28.0 1.96 31.4 20.0 11.4 0.70 快剪 18.3 1.00 3.8 1.00 28.0 1.96 31.4 20.0 11.4 0.70 固快 10.6 0.58 6.8 1.79 Y8 28.0 1.96 31.4 20.0 11.4 0.70 固慢 7.0 0.38 7.0 1.84 30.8 1.93 33.4 21.1 12.3 0.79 快剪 11.3 1.00 2.5 1.00 30.8 1.93 33.4 21.1 12.3 0.79 固快 5.8 0.51 4.8 1.92 Y9 30.8 1.93 33.4 21.1 12.3 0.79 固慢 3.4 0.30 5.0 2.00 31.4 1.91 32.7 20.7 12.0 0.89 快剪 7.4 1.00 1.8 1.00 31.4 1.91 32.7 20.7 12.0 0.89 固快 3.2 0.43 3.6 2.00 Y10 31.4 1.91 32.7 20.7 12.0 0.89 固慢 1.7 0.23 4.1 2.28

分析表1中的数据可知: 1)土样其他物理指标相近时, 对抗剪强度指标影响最大的是液性指数. 2)同一含水状态下, 土样的抗剪强度指标随排水方式的不同而不同, 同一土样快剪、固结快剪、固结慢剪的黏聚力呈逐渐减小趋势, 而内摩擦角则呈现逐渐增大的趋势. 从而土样的黏聚力归一化参数随排水方式的不同而不同, 同一土样快剪、固结快剪、固结慢剪的黏聚力归一化参数呈逐渐减小趋势, 而内摩擦角归一化参数则呈现逐渐增大的趋势. 3)同一排水条件下, 黏聚力及内摩擦角随液性指数的增大而减小,而黏聚力归一化参数随液性指数的增大而减小, 内摩擦角归一化参数随液性指数的增大而增大.

3.2 归一化参数经验公式的拟合

3.2.1 固结快剪黏聚力归一化参数Kc,cq经验公式的拟合

由表1可知, 黏聚力归一化参数Kc,cq随液性指数IL的增大而减小, 二者的关系曲线如图1所示.

图1 归一化参数Kc,cq随液性指数IL变化曲线

图2 归一化参数Kc,ss随液性指数IL变化曲线

由图1可以看出, 黏聚力归一化参数Kc,cq随液性指数IL的增大呈非线性减小, 经拟合发现二者呈指数函数递减. 拟合公式为

3.2.2 固结慢剪黏聚力归一化参数Kc,ss经验公式的拟合

由表1可知, 黏聚力归一化参数Kc,ss随液性指数IL的增大而减小, 二者的关系曲线如图2所示.

由图2可以看出, 黏聚力归一化参数Kc,ss随液性指数IL的增大呈非线性减小, 经拟合发现二者呈指数函数递减. 拟合公式为

3.2.3 固结快剪内摩擦角归一化参数Kφ,cq经验公式的拟合

由表1可知, 内摩擦角归一化参数Kφ,cq随液性指数IL的增大而增大, 二者的关系曲线如图3所示.由图3可以看出, 黏聚力归一化参数Kφ,cq随液性指数IL的增大呈非线性增大, 经拟合发现二者呈指数函数递增. 拟合公式为

图3 归一化参数Kφ,cq随液性指数IL变化曲线

图4 归一化参数Kφ,ss随液性指数IL变化曲线

3.2.4 固结慢剪内摩擦角归一化参数Kφ,ss经验公式的拟合

由表1可知, 内摩擦角归一化参数Kφ,ss随液性指数IL的增大而增大, 二者的关系曲线如图4所示.

由图4可以看出, 黏聚力归一化参数Kφ,ss随液性指数IL的增大呈非线性增大, 经拟合发现二者呈指数函数递增. 拟合公式为

根据上述经验公式, 本文为地基土抗剪强度指标的确定提供的新的方法: 首先, 根据室内试验测出的土样的液性指数, 利用(5)、(6)、(7)、(8)式计算出各归一化参数. 然后, 根据实测获得的快剪强度指标, 由规一化参数的定义式(1)、(2)、(3)、(4)式, 计算出固结快剪、固结慢剪的抗剪强度指标.

4 结论

(1) 首次提出了抗剪强度归一化参数的概念, 并给出了4个抗剪强度指标规一化参数的定义式.

(2) 经直剪试验成果分析, 得出液性指数是影响规一化参数的主要因素, 并给出了4个规一化参数随液性指数的变化曲线及相应的经验公式.

(3) 基于归一化参数及快剪强度指标, 获得了固结快剪、固结慢剪的抗剪强度指标计算公式.

(4) 本课题主要研究成果可为岳阳地区典型的粉质黏土地基固结快剪、固结慢剪抗剪强度指标的确定,提供了新的途径和方法.

[1] 卢肇钧. 黏性土抗剪强度的研究与展望[J]. 土木工程学报, 1999, 32(4): 3～9

[2] 范 越. 浅论塑性指数IP的工程意义[J]. 建设科技, 2009(4): 54

[3] 王 丽, 梁 鸿. 含水率对粉质黏土抗剪强度的影响研究[J]. 内蒙古农业大学学报, 2009,30(1): 170～174

[4] 罗嗣海, 黄松华, 胡火旺. 部分排水剪切时土的抗剪强度[J]. 四川建筑科学研究, 2000, 26(4): 41～43

[5] GB/TT50123-1999. 土工试验方法标准[S]. 北京: 中国计划出版社, 1999

Study on Empirical Formula of Shear Strength Index of Typical Clayey Foundation in Yueyang Area

LIU Fan, LIU Xiao-hong, LI Xiao-gang, CHEN De-cheng
(College of Civil Engineering and Architecture, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

In view of the typical clayey foundation of Yueyang area, conducting direct shear test under different drainage condition, large test data of direct shear intensity index was acquired. Based on analysis of test data, the concept and definition of shear strength index of normalized parameter were put forward for the first time; the analysis of normalized parameter under different condition indicates that liquidity index is main factor influencing the parameter and four normalized parameter along with the change of liquidity index curve and corresponding empirical formula were given. Based on normalized parameter and quick shear strength index, shear strength index of more time-consuming consolidated quick shear and consolidated slow shear can be figured out. The research ideas and empirical formula of this thesis not only can be served for providing new way of confirmation the shear strength index of typical clayey foundation in Yueyang area, also can be generalized to determine the shear strength index of other types of foundation soil and other area.

shear strength index; normalized parameters; empirical formula; clayey foundation

TU411.7

A

1672-5298(2014)04-0078-05

2014-08-22

湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目; 湖南省教育厅科学研究项目(11C0619); 湖南省教育科学“十二五”规划课题(XJK012CGD008)

刘 凡(1992− ), 男, 湖南邵阳人, 湖南理工学院土木建筑工程学院2011级土木工程专业本科生. 主要研究方向: 岩土工程