取土卸荷对软粘土抗剪强度指标的影响

郎小燕，沈镇伟，张梅静

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

取土卸荷对软粘土抗剪强度指标的影响

郎小燕，沈镇伟，张梅静

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

软粘土抗剪强度指标试验方法在工程中应用广泛.直剪和三轴试验模拟饱和软粘土地基实际受力状态，存在安全系数小、规范不足等问题.基于此，提出对于饱和软粘土地基上快速填筑防洪堤时，宜在遵守规范的前提下，尽可能采用十字板试验成果复核堤防边坡稳定，并反演快剪强度指标对比，使工程设计更趋合理.

饱和软粘土；取土卸荷；抗剪强度；试验方法

中小河流的防洪堤很多建于上覆粉质粘土硬壳薄层、下卧较深厚的饱和软粘土地基上，饱和软粘土的特点为抗剪强度低、含水量高、低弹模高压缩性、在自重以外的附加应力作用下固结时间长.保证堤防抗滑稳定和采取合适的处理措施已成为这些工程设计的重点之一，由于软粘土的特性及防洪堤施工工期短等特点，抗滑稳定控制工况一般为完建期，软粘土抗剪强度指标的选取对堤防的抗滑稳定计算成果和工程投资有着重要影响.

1 防洪堤设计中堤基软粘土抗剪强度指标选取存在的问题

根据现行《堤防工程设计规范》GB50286—2013[1]，土的抗剪强度指标可用三轴压缩试验测定，亦可用直剪试验测定，应按现行行业标准《土工试验规程》SL237—1999[2]规定进行.当堤基为饱和粘性土，并以较快的速度填筑堤身时，可采用快剪或不排水剪的现场十字板强度指标.

同时，根据现行《海堤工程设计规范》GB/T5015—2014[3]，土的抗剪强度指标可用直剪仪、三轴仪或十字板仪测定.若施工速率较快，地基不发生固结排水，对于强度很低的地基土(例如天然含水量在60%以上)，宜用十字板强度指标cu.

大量工程实例表明，对于堤基有饱和软粘土层的防洪堤工程，施工期软粘土地基的抗剪强度指标常常成为工程设计和造价的主要控制因素；但是，遵循规范用十字板抗剪强度和快剪强度指标对同一断面进行抗滑稳定计算相互检验时发现计算结果相差很大，尤其是若按规范用快剪强度指标对现状稳定的堤防边坡进行抗滑稳定复核，发现安全系数大多仅0.70左右，远远不能满足规范要求；以上种种常常让设计人员倍感困惑，因此，了解抗剪强度试验规程、合理分析和取用饱和软粘土堤基的抗剪强度指标对工程设计尤显重要.

2 抗剪强度指标试验

测定土的抗剪强度指标按常用的试验仪器分为直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验和十字板剪切试验4 种，除十字板剪切试验在现场原位条件下进行外，其他3 种试验都在室内进行.

直接剪切试验适用于测定颗粒小于2 mm、渗透系数k≤10-6cm/s的细粒土的抗剪强度指标.试验设备简单，试样制备和安装方便，操作容易掌握，使用广泛.据排水条件分快剪、固结快剪和慢剪3种方法.

三轴压缩试验适用于测定细粒土和砂类土的总抗剪强度参数和有效抗剪强度指标，是测定土抗剪强度指标较为完善的试验方法，但试样制作和试验均不如直剪试验简单便捷，且试样须作抽气饱和准备，故不适于原状非饱和土.据排水条件分不固结不排水剪、固结不排水剪和固结排水剪3种方法.

根据规程，直接剪切试验和三轴压缩试验各方法均未提及土样从实地取出时因卸荷引起的回弹及其对试验指标的影响和应对措施[2].

十字板剪切试验适用于原位测定饱和软粘土的不排水总强度和灵敏度.用插入软粘土中的十字板头，以一定的速率旋转，测出土的抵抗力矩，换算其抗剪强度.它相当于摩擦角φu=0时的粘聚力cu值.

直剪试验和三轴试验都要求事先取得原状土样，但由于试样在采集、运送、保存和制备过程中不可避免地会受到振动，尤其是饱和软粘土，极易受上述因素扰动，适合采用十字板剪切试验在现场测定饱和软粘土的不排水强度，但是，若粘土中夹带薄层细、粉砂或贝壳，用十字板剪切试验测得的抗剪强度往往偏高.

3 取土卸荷对抗剪强度指标的影响分析

地基中的应力，按其成因可分为自重应力和附加应力.自重应力是自重产生的应力，一般而言，除新沉积土或近期人工冲填土外，土体在自重作用下，经漫长的地质年代已压缩稳定.附加应力是由外荷在地基内部引起的应力，是使地基失稳和产生变形的主要原因.

土为弹塑性体，对于压缩稳定的饱和软粘土，当试样从一定深度的土层中取出，上覆自重卸除，土体必有一定的回弹，体积增大，孔隙由气体填充.因此，室内剪切试验若能模拟实际情况预压土体，使其在不排水情况下压缩回原状再作剪切试验，其结果应与实际更为吻合.

图1所示的a和b线为饱和土体在不同深度即不同的上覆自重作用下正常固结后的孔隙比和抗剪强度.深度z处的土样，其原位有效自重应力为γ′z，相应的孔隙比为e，抗剪强度为cu.因土体为弹塑性体，故单元体在取土卸荷后强度只能退回至cuo，此即为取土试样的不固结不排水试验值.cu和cuo之间的差值就是由于卸荷作用导致不固结不排水强度的降低值[4].

图1 预固结的作用原理

影响土的抗剪强度的因素很多，土的剪切试验实际上是一种模拟试验.模拟条件的真实程度直接关系到试验结果的可靠性.正常情况下，土样的扰动主要有两个来源：一是在钻探、取土、运输、储存和开土过程中的机械扰动，可通过改善取土的设备和工艺，提高钻探、试验水平来降低其影响；二是由于将土取出时卸除了原位应力，土样发生膨胀，属于土样应力条件和物理状态改变所造成的扰动，可以通过对土样的预处理来模拟其原位应力，减少卸荷扰动的影响.

十字板试验是目前唯一的原位试验方法，土体不似直剪或三轴试验受取样卸荷扰动.大量工程实践也证明，十字板强度明显比快剪和不排水强度大很多.

综上所述，《土工试验规程》SL237—1999中的室内剪切试验未将试样预处理使其应力状态尽可能回归原位，是众多工程快剪和不排水剪强度远小于十字板强度的重要原因.

《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002和《高层建筑岩土工程勘察规程》JGJ72—2004均提出了三轴试验在自重压力下预固结的概念，但相应的《土工试验方法标准》GB/T 50123—1999中并无涉及，因此，规范条款不具可操作性.[5-7]

《建筑地基基础设计规范》GB50007—2011[8]鉴于上述原因，除在4.2.4条中提及了预压外，还专门在《条文说明》作了试验要点说明.

华东水利学院土力教研室[9]、钱家欢[10]和卢廷浩[11]均在三轴试验中给出了预压值σc，并且强调三轴试验中说的固结与否是针对周围压力增量△σ3而言的.

4 工程实例

4.1 浙江省温州市瓯飞一期围垦工程软粘土层试样快剪试验指标有无预压对比

鉴于与防洪堤设计匹配的现行《土工试验规程》SL237—1999中的快剪试验未提及试样卸荷对抗剪强度指标的影响，浙江省温州市瓯飞一期围垦工程专门对地基软粘土某一钻孔取样的快剪强度指标作了有无预压的对比试验(见表1).

表1 浙江省温州市瓯飞一期围垦工程一钻孔试样快剪指标试验对比值

从表1可以看出，因按规范逐级加压前用25 kPa预压了试样30 min(远短于之后每级加压后的固结时间)，与规范试验值相较，抗剪强度指标c提高了19.4%、φ提高了58.4%.根据经验，软粘土地基一般均有上覆表层厚2～4 m的硬壳土，因此，一般情况下，在上覆土自重应力下正常固结的原状软粘土层其平均固结应力不会小于25 kPa.当然，该试验对比只说明预压对软粘土抗剪强度有明显的提高，但不能作为设计取值.另外，对于水利工程深厚的软粘土层受自重应力较大和直剪试验本身条件制约，此种预压法一般无法很好地模拟土体回归原位并不受剪切破坏.

长期以来，很多防洪堤工程采用直剪试验，其指标常常令设计人员十分困惑，因为据此复核边坡往往远不能满足抗滑稳定要求，但若对一些稳定的边坡进行反演计算，发现反演所得的快剪指标似乎与直剪试验所得的固快指标更为接近，因此，有些人便混淆了土体因自重引起的固结过程和因自重以外的附加应力引起的固结过程.事实上，主要原因是因为直剪试验未考虑取土卸荷影响，致使快剪指标较实际有较大幅度降低.这个结论在近年来随着十字板试验的同步进行及其计算对比，得到了验证.

4.2 浙江省奉化市县江下游段防洪工程软土层直剪和十字板指标及其稳定计算对比

浙江省奉化市县江下游段防洪工程为新开河(在平地上开挖一条河道)并在两岸修建防洪堤工程，防洪堤为4 级建筑物，图2为典型断面图，堤基表层为厚约3 m左右的粉质粘土硬壳层，下卧较深厚的淤泥层和淤泥质粘土层，是堤防抗滑稳定的控制因素，直剪试验和十字板试验均重点针对这两层开展，抗剪强度指标(见表2)，但未考虑新开河的卸荷影响(开挖过程即是卸荷)或参考《港口工程地基规范》(JTS 147—1—2010)中提及的“6.2.2验算土坡和地基稳定时，开挖区宜采用卸荷条件下进行试验的抗剪强度指标”做相关的试验[12].

堤防稳定计算采用瑞典条分法，控制工况为施工完建期，相应安全系数规范要求不得小于1.05.计算软件为Autobank7.0.完建期防洪堤迎水侧抗滑稳定最不利断面(0+670 m)采用快剪指标和十字板指标计算成果对照表(见表3).

采用十字板指标计算时将地基土按每米分层并输入相应的Cu平均值.为安全计，考虑新开河的卸荷影响，以迎水坡和原地面交点为界，将迎水侧土体的深度减至距新开河深度，据此修正十字板抗剪强度(基本忽略强度降低时间，结果估计偏安全).

图2 防洪堤典型断面图

土层名称快剪C/kPaφ/°固结快剪C/kPaφ/°十字板强度指标(单位:Cu/kPa、Z/m)淤泥质粘土层5.804.9011.2013.70Cu=6.86+1.11Z淤泥层4.403.7010.1012.10Cu=9.80+0.63Z

表3 0+670 m断面完建期迎水侧抗滑稳定计算成果对照表

从表3中可见，与快剪强度指标计算相较，用十字板抗剪强度计算堤防抗滑稳定即使充分考虑了卸荷不利影响，其安全系数仍比前者高达42%.若当时设计以快剪指标计算成果为依据，势必大幅度增加工程投资.该工程已于2012年完工，并经受了2013年10月的“菲特”台风考验，目前运行良好.

5 结 论

土的抗剪强度指标需要通过试验确定，不同的试验方法测得土的强度指标有较大区别，软粘土的抗剪强度指标受外界干扰和试验方式的影响尤为突出.在工程应用中，应分析土体实际受力状况及其变化情况，选择尽可能与实际情况和现行规程规范吻合的抗剪强度指标，以利工程安全并避免不必要的浪费.室内试验未考虑试样在取出过程中的卸荷影响，是众多工程实例反演所得抗剪强度指标大于试验指标的最根本原因.与室内试验相比，十字板试验具有可避免取样卸荷扰动因此与实际更吻合的优点.对于堤基有一定厚度饱和软粘土层的防洪堤，完建期堤防的边坡稳定常常是工程设计控制工况，其抗剪强度指标取用是否合理直接影响设计方案和工程投资，建议在符合规程规范和实际情况的前提下，采用十字板指标，若有条件，应尽可能反演直剪强度指标校验复核.

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50286—2013堤防工程设计规范[S].北京：中国计划出版社，2013.

[2] 中华人民共和国水利部.SL237—1999土工试验规程[S].北京：中国水利水电出版社，1999.

[3] 中华人民共和国水利部.SL435—2008海堤工程设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2008.

[4] 高大钊.土力学与岩土工程师——岩土工程疑难问题答疑笔记整理之一[M].北京：人民交通出版社，2008.

[5] 中华人民共和国建设部，国家质量监督检验检疫总局.GB 50007—2002建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[6] 中华人民共和国建设部.JGJ72—2004高层建筑岩土工程勘察规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[7] 国家质量监督局，中华人民共和国建设部.GB/T 50123—1999土工试验方法标准[S].北京：中国计划出版社，1999.

[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50007—2011建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[9] 华东水利学院土力教研室.土工原理和计算[M].北京：水利水电出版社，1984.

[10] 钱家欢.土力学[M].南京：河海大学出版社，1990.

[11] 卢廷浩.土力学[M].2版.南京：河海大学出版社，2005.

[12] 中华人民共和国交通运输部.JTS147—1—2010港口工程地基规范[S].北京：人民交通出版社，2010.

ImpactofSoilUnloadingonParametersofShearStrengthofSoftClay

LANG Xiao-yan, SHEN Zhen-wei, ZHANG Mei-jing

(Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydro-electric Power, Hangzhou 310002, China)

The test methodology and application in engineering for parameters of shear strength of soft clay are presented. The deficiency of simulating actual stress state of soft clay by direct shear test and triaxial test and its effect on engineering design are analyzed. For fast filling levee on the foundation of saturated soft clay, it is proposed that the results of vane shear test should be adopted for evaluating the stability of embankment slope on the premise of compliance with specifications, and should be compared with inversed parameters of shear strength from quick shear test, which would contribute to more reasonable engineering design.

saturated soft clay; soil unloading; shear strength; test method

2016-08-29

浙江省水利科技计划资助项目(RB1546)

郎小燕(1966-)，女，浙江杭州人，教授级高工，从事水利水电工程设计工作.

U418.52

A

1008-536X(2016)12-0054-05