不同实验方法之间黄土强度参数对比分析

籍延青

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

目前，黄土边坡稳定性计算，无论何种方法，都要提供土性参数，包括重度γ、黏聚力c 和内摩擦角φ。尤其c、φ 值对稳定性计算结果影响很大，长期以来一直是工程上的难题。而土的抗剪强度参数的大小又与实验方法之间有着密切的联系。对于抗剪强度参数的获取，直剪和三轴是最常见的实验方法。直剪实验历史悠久，仪器构造简单，土样制备、安装方便。在实际工程中，直剪实验由于其快捷方便而得到广泛应用。三轴的优点是能严格控制排水试样中的应力状态，且应力分布比较均匀，但实验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂。很多研究[1-2]表明，土的抗剪强度受应力状态的影响，因此三轴压缩实验结果不能全面反映土中主应力的影响。王耀杰[3]认为，直剪仪不允许土体发生侧向位移，也不像三轴实验中试件破损面完全由外力大小及作用方向以及在外力作用下土体本身的凝集性态所决定，而是人为地强迫它沿着水平面剪损，但从机理上来说，它并未影响实验的最终效果。李宝恒[4]认为，对于土质边坡，用三轴实验的自由界面剪裂并不优于直剪实验。总之，没有哪种测试强度仪器能全面顾及到各种影响因素。三轴实验造价高、实验周期长，试样制备复杂，对操作技术要求较高，但其实验数据较接近实际。直剪实验和三轴剪切实验各有优劣，如果能建立起二者强度指标之间的相关关系，可以在直剪实验的基础上稍加修正得到较为精确的强度指标，这样方便经济，事半功倍，便于推广应用。

本文依托山西省已建、在建的多条高等级公路，在公路工程地质分区[5]（图1）内，调查了许多黄土边坡，采取原状土样，进行室内直剪与三轴实验，并对结果进行了对比分析，得出二者之间的相关关系，可以在一定条件下满足工程要求，缩短工期，节约成本，对山西公路黄土边坡强度参数取值有一定的补充借鉴。

图1 山西省工程地质分区图

1 取样

课题组在I 区即黄土丘陵沟壑区，3 个亚区Ia、Ib、Ic 区，拟定了野外路线和取样点，主要有山平、神河、岢临、汾离、临离、吉河、霍永等高速，采取大块原状取样（如图2 所示）。课题组为了满足实验要求，达到预期研究目的，共采取原状土样42 组。本次采集试样尺寸大于常规试样尺寸，至少为25 cm×25 cm，尽可能地在边坡坡面取样，个别因条件不具备而改在边坡侧面，每个边坡取2～3 组试样，尽量能同时取到不同时代的土。

图2 野外取样图

a）刻槽 在合适的位置先用铁锨铲平边坡表面，然后用铁镐、尖刀等工具逐步刻方形土槽，尽量不要破坏土的结构，小心取出土块，马上用标签标记上下。

b）削样 把大尺寸试样用削土刀削成实验所需的大小。

c）封装 把削好的土样立刻装入土样筒，并用胶带进行密封，同时贴上试样标签。

本文所采取的土样均是边坡黄土，现场采取大块土样，保证直剪和三轴试样是同一块土样上采取。

2 实验成果分析

在研究区沿线边坡刻槽取黄土样42 组，在4 种测试条件下测试强度指标的关系，同一组样，分别做直快剪、固快剪，相应的三轴实验做不固结不排水剪、固结不排水剪。根据实验结果绘图3、图4。

图3 不同剪切条件下黏聚力变化折线图

根据统计结果可以看出：

a）对于直剪实验的c 值，除了Ic 区Q2数据异常，固快剪实验值均大于直快剪，固快剪与直快剪黏聚力均值的比值从1.05～1.31 倍不等。直剪实验φ值，两种测试方法影响均不大，在22.4°～29.7°之间，平均在25°左右。

图4 不同剪切条件下内摩擦角变化折线图

由图可以看出，直剪实验c 值大的，φ 值一般都较小，尤其是南部Q2，黏聚力均值达104 kPa，φ 值仅22.4°，这说明c、φ 值反相关的特点明显。

b）三轴实验虽然比直剪更接近实际受力条件，但目前工程中测试较少，没有直剪实验普及，三轴实验由于受仪器、试样、人为等因素的影响，结果的变异性较大。除了Ia 区Q2、Ic 区、Ib 区Q3黄土的黏聚力c 值出现固结不排水剪大于不固结不排水剪外，Ia 区Q3、Ic 区、Ib 区Q2黄土则相反，固结不排水剪结果小于不固结不排水剪，这与理论不相符，当然，这与本次探井样本数较少、土样离散性较大也有一定关系。

c）快剪即不排水剪，要求在剪切过程中不排水，由于直剪实验不能严格控制排水，在实际剪切过程中多少会产生排水（粉土、砂性土更为明显），得到的黏聚力一般偏大，而三轴剪切实验能严格控制排水，因此在三轴与直剪黏聚力比值33 组数据中，仅13组大于1，1 组相等，其余2/3 比值均小于1，即抗剪强度较直剪结果小，而内摩擦角较前者大。

d）三轴剪（uu）与直剪（q）之间的关系可做散点图来分析说明。

（a）山西北部Ia 区三轴剪与直剪之间的c 值关系。

图5 山西Ia 区q-uu 黏聚力关系曲线

二者之间可用二项式拟合：

（b）山西中部Ib 区三轴剪与直剪之间的c 值关系。

图6 山西Ib 区q-uu 黏聚力关系曲线图

表1 实验力学参数

二者之间可用二项式拟合：

（c）山西南部Ic 区三轴剪与直剪之间的c 值关系。

对两种实验方法得到土的强度参数，利用式（2）把直剪参数换算成相应的三轴参数，然后用geo-slope 软件进行计算，其余计算条件与标准相同，稳定性系数采用直线型滑动面与折线形滑动面，得到的值如表2。

表2 三轴压缩实验参数和换算参数对应边坡稳定系数

图7 山西南部q-uu 黏聚力关系曲线

二者之间可以用二项式拟合：

（d）不分区三轴剪与直剪之间的c 值关系。

图8 山西黄土q-uu 黏聚力关系曲线

二者之间可用二项式拟合：

由图5～图8 可见，直剪与三轴之间抗剪强度的关系可以用二项式来拟合，不同区域二者黏聚力的相关关系南部最小为0.78，中部最大为0.97，如果不分区，相关关系为0.88。在今后的工作中，应不断补充数据，完善经验公式。

3 工程实例

现对依托工程中部吕梁地区边坡的3 个土层分别进行了直剪实验和三轴实验，基于实验数据得到的三轴与直剪强度如表1。直剪实验的黏聚力值基本较三轴实验值大，但是内摩擦角则较小。

对于该边坡，换算强度参数与三轴实验结果进行稳定性计算相比，二者之间偏差最小5.98%，最大8.56%，圆弧形滑面比折线形滑面偏差较小。在中部地区，如果条件不允许做三轴实验，可以在直剪实验基础上对数值进行修正，用修正值进行计算，能适当地节约成本，缩短工期。当然，在选用公式时一定要结合地区特征，谨慎采用。

4 结论

a）本文通过山西公路黄土边坡强度参数的统计分析与工程实例分析，可以看出，直剪较三轴得到的黏聚力c 值偏大，内摩擦角φ 较小，并且c、φ 值呈反相关关系，其中内摩擦角对稳定性计算结果影响较大。

b）虽然样本数有限，但仍然可以看出直快剪与三轴不固结不排水试验黏聚力有一定的相关关系，二者可用二项式Cu=0.7805Cq+8.7471 来拟合，相关关系达到0.88，对于内摩擦角，也都在一定范围内，约21.8°～26.8°。

c）今后的工程实践中，对文中的经验公式，应不断加大样本数，完善公式，同时结合地区经验使用，便于设计人员推广应用。