龔曉玲，程國勇，張 強，劉 佳

（中國民航大學(xué)機場學(xué)院，天津 300300）

地基土抗剪強度試驗對比研究

龔曉玲，程國勇，張 強，劉 佳

（中國民航大學(xué)機場學(xué)院，天津 300300）

采用不同種類的土、在不同密實狀態(tài)下，系統(tǒng)研究了三軸與直剪兩種試驗方法得到的地基土強度參數(shù)的差別，三軸試驗方法為不固結(jié)不排水試驗，直剪試驗類型為快剪。試驗結(jié)果表明：對于砂性土，兩種試驗方法得到的結(jié)果很接近，直剪強度參數(shù)（內(nèi)摩擦角）略大；但對于粘性土，兩種試驗結(jié)果差別很大，直剪得到的內(nèi)摩擦角約為三軸指標(biāo)的0.87倍，粘聚力約為三軸指標(biāo)的3.47倍。根據(jù)本文研究結(jié)果，在實際工程中測定粘性地基土的強度參數(shù)時，不適宜采用直剪方法。

三軸試驗；直剪試驗；地基土強度；修正系數(shù)

1 地基土抗剪強度

按照顆粒級配和塑性指數(shù)，可將土分為砂土、粉土、粘性土等。其中砂土是指粒徑大于2 mm的顆粒含量不超過全重50%、粒徑大于0.075 mm的顆粒含量超過全重50%的土；粉土是指粒徑大于0.075 mm的顆粒含量不超過全重50%、塑性指數(shù)小于10的土；粘土是指塑性指數(shù)大于10的土。

土的抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力，是土的重要力學(xué)指標(biāo)之一，在計算地基承載力、評價地基穩(wěn)定性時都要用到土的抗剪強度指標(biāo)。正確測定土的抗剪強度具有重要的工程意義。

根據(jù)摩爾-庫倫定律，土的抗剪強度可以表達(dá)為滑動面上法向應(yīng)力的線性函數(shù)，對于砂性土為

對于粘性土為

式中：τf為土的抗剪強度；σ為滑動面上法向應(yīng)力；c、φ分別為土的粘聚力及內(nèi)摩擦角，稱為抗剪強度參數(shù)。

土的抗剪強度試驗方法有多種，在實驗室常用的有直接剪切試驗和三軸試驗等，如在巖土工程相關(guān)規(guī)范中[1-2]規(guī)定，確定地基土強度參數(shù)的方法可采用三軸試驗或直剪試驗。

實際上由于直剪試驗存在一些缺點[3-4]，如試樣內(nèi)的剪應(yīng)變和應(yīng)力分布不均勻、剪切面人為固定、以及排水條件不易控制等，直剪試驗得到的強度指標(biāo)可信程度比較低。三軸試驗?zāi)軌虮容^真實地模擬地基土的原位應(yīng)力條件，并且能夠嚴(yán)格控制土樣的排水條件，因此三軸試驗得到的強度指標(biāo)是比較可靠的。但由于直剪試驗存在設(shè)備簡單、對操作技術(shù)要求不高、操作容易以及試驗時間短等優(yōu)點，目前在工程實際中仍被廣泛采用。

在巖土工程相關(guān)規(guī)范中[1-2]對于兩種試驗方法適用的應(yīng)用情況沒有明確的規(guī)定，如在文獻(xiàn)[1]中規(guī)定直剪試驗在一定條件下可以應(yīng)用，提出對其應(yīng)用范圍應(yīng)予限制，但限制范圍沒有說明；文獻(xiàn)[2]中，對于直剪試驗適用的土類在滲透系數(shù)上作了規(guī)定，如規(guī)定快剪試驗適用于滲透系數(shù)小于10-6cm/s的細(xì)粒土，也就是說對于粉土及粘性土可以采用快剪試驗確定地基土的強度指標(biāo)。在相關(guān)教科書中也只定性地討論兩種方法的優(yōu)缺點[3]，對于兩種試驗方法所得到結(jié)果的差異沒有定量的討論。初步的研究結(jié)果表明，對于粘性土直剪與三軸試驗方法所得到的強度指標(biāo)存在的差異可以達(dá)到20%[5]，對于其他種類土沒有什么研究成果。在工程實際中，勘察人員經(jīng)常用快剪試驗來代替不固結(jié)不排水三軸試驗（UU），因此，研究不同試驗條件下的粘聚力和內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系，并給出直剪試驗指標(biāo)如何修正，具有很大的工程意義。

針對以上情況，本論文結(jié)合有關(guān)課題對于如何修正直剪強度指標(biāo)進(jìn)行研究。通過針對不同密實狀態(tài)下不同類型的土進(jìn)行兩種試驗方法的對比，初步得到不同土直剪強度指標(biāo)的修正系數(shù)，為在實際工程中應(yīng)用直剪試驗強度指標(biāo)提供參考。

2 地基土抗剪強度的試驗方法

2.1 三軸試驗

三軸試驗儀器采用SLB-1三軸儀，采用應(yīng)變控制式加載。

三軸試驗試樣尺寸為φ39.1×80 mm，土樣制作方法見文獻(xiàn)[2]，采用不固結(jié)不排水試驗（UU）。在某一周圍壓力σ3作用下，軸向位移速率取為每分鐘1%，逐漸施加軸向力直至試樣剪破，繪制主應(yīng)力差（σ1-σ3）與軸向應(yīng)變的曲線。剪切破壞標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變曲線存在峰值時，取峰值點為破壞標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)無峰值時取10%軸向應(yīng)變作為破壞標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 直剪試驗

直剪儀采用應(yīng)力控制式直剪儀。

直剪試驗試樣環(huán)刀尺寸為φ61.8×20 mm，土樣制作方法見文獻(xiàn)[2]。采用快剪試驗，將制備好的試驗土樣置于剪切盒內(nèi)，為控制排水條件在直剪試樣的上下兩面各墊上塑料薄膜，試件在3～5 min內(nèi)使水平剪應(yīng)力不斷增加直至剪破，取峰值應(yīng)力作為剪切強度。若未出現(xiàn)峰值，取剪切位移為4 mm相對應(yīng)的剪應(yīng)力作為抗剪強度。

2.3 試驗土樣及過程

試驗共采用了砂土、粉土和粘土等三種不同種類的土，含水量w分別控制在6.43%、11.18%和17.0%。對于每種土樣，分別采用壓實制樣法通過控制質(zhì)量密度ρ制取三軸及直剪的試樣各4～5個，然后進(jìn)行平行試驗。對于每種土分別控制的質(zhì)量密度為ρ=1.75、1.858、1.95 g/cm3。直剪試驗采用的法向壓力σ分別為50、100、200、300、400 kPa；三軸試驗采用的圍壓 σ3分別為 50、100、150、200、300 kPa。最終三軸試驗土樣個數(shù)為38件，直剪試驗土樣個數(shù)為41件。

3 試驗結(jié)果分析

三軸試驗結(jié)果在p-q坐標(biāo)系中分析，其中

采用數(shù)據(jù)擬合方法，可得到破壞直線的斜率tan α和截距 a，根據(jù)文獻(xiàn)[3]，有

即可得到粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ。

直剪試驗結(jié)果在σ－τ坐標(biāo)系中分析，可以通過數(shù)據(jù)擬合直接得到粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ。

限于篇幅，這里僅列出部分試驗結(jié)果及處理過程。

1）粉土ρ=1.75 g/cm3試驗結(jié)果

三軸試驗有4個試樣，在p－q坐標(biāo)系中，破壞直線截距a=0，直線斜率tan α=0.531 2，根據(jù)tan α=sin φ，α =c·cos φ 得到土的強度指標(biāo)：c=0，φ =32.15 °，如圖1所示。

直剪試驗有5個試樣，根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)行分析，可得，c=0，φ=33.39°，如圖2所示。

2）粘土ρ=1.858 g/cm3試驗結(jié)果

本次三軸試驗有4個試樣，在p－q坐標(biāo)系中，破壞直線截距a=49.02，直線斜率tan α=0.081，根據(jù)tan α =sin φ，a=c·cos φ 得到土的強度指標(biāo)：c=49.19 kPa，φ =4.65°，如圖 3所示。

直剪試驗有4個試樣，如圖4所示，分析可得，c=42.215 kPa，φ =15.73 °。

采用類似的方法可以得到其他試驗的粘聚力和內(nèi)摩擦角，如表1～表3所示，其中cT和φT為三軸試驗得到的粘聚力和內(nèi)摩擦角；cD和φD為直剪試驗得到的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

從表1～表3中可以看出，對于砂性土（砂土、粉土），三軸與直剪試驗方法得到的強度指標(biāo)φ基本相同，從總體看φD≈1.03 φT（φT為三軸試驗得到的內(nèi)摩擦角；φD為直剪試驗得到的內(nèi)摩擦角）。對于粘土，三軸與直剪試驗強度指標(biāo)差別很大且離散性也比較大，就內(nèi)摩擦角φ來說，直剪得到的內(nèi)摩擦角平均約為三軸試驗結(jié)果的3.47倍；粘聚力c的差別小些。

表1 砂土剪切強度試驗結(jié)果對比Tab.1 Shear strength test results for sandy soil

表2 粉土剪切強度試驗結(jié)果對比Tab.2 Shear strength test results for silty soil

表3粘土剪切強度試驗結(jié)果對比Tab.3 Shear strength test results for clay

4 結(jié)語

通過三種不同種類土的對比試驗，得到了直剪試驗強度指標(biāo)的修正系數(shù)，初步結(jié)論為：

1）對于砂性土，直剪得到的強度指標(biāo)稍大，φD≈1.03 φT。因此工程中對于砂性土可以采用直剪試驗代替三軸試驗方法得到其強度指標(biāo)或稍加修正，修正系數(shù)取1/1.03。

2）對于粘性土，采用直剪方法得到的強度指標(biāo)與三軸指標(biāo)差異很大，本研究表明，φD≈3.47 φT，因此作為初步的粗略估算，直剪試驗得到的內(nèi)摩擦角修正系數(shù)可取為1/3.47。

3）粘土的三軸與直剪內(nèi)摩擦角之比φD/φT分散性很大，因此，在實際工程中，不適宜采用直剪方法獲取地基土的強度參數(shù)。

4）根據(jù)本次試驗的結(jié)論，文獻(xiàn)[2]中關(guān)于直剪試驗適用的土類似乎不妥，以快剪試驗為例，直剪試驗適用的土類應(yīng)改為滲透系數(shù)大于10－6cm/s的細(xì)粒土。

[1]GB50021－2001，巖土工程勘查規(guī)范[S].2001.

[2]GB/T50123－1999，土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].1999.

[3] 張孟喜.土力學(xué)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007.

[4] FREDLUND D G，XING A，HUANG S.Predicting the permeability function for unsaturated soils using the soil－water characteristic curve[J].Canadian Geotechnical Journal，1994，31：533－546.

[5] 王艷宏，楊金鐘.直剪試驗和三軸剪切試驗對比分析[J].天津建設(shè)科技，2005（增刊）：209－210.

Comparative Research on Shear Strength Tests of Foundation Soil

GONG Xiao-ling，CHENG Guo-yong，ZHANG Qiang，LIU Jia
（Airport College，CAUC，Tianjin 300300，China）

A comprehensive research on shear strength tests of foundation soil is presented to obtain the effect on the shear strength indexes considering different categories of soil and different compaction status.The triaxial test is unsolidated and undrained，and the direct shear test is quick-shear.The tests show that for sandy soil，the results are very closed，the shear strength index （friction angles）obtained from direct shear test is slightly higher.For clay，there is a obvious difference between these two test methods.The friction angle from direct test is approximately 0.87 times of that from triaxial test，and the cohesive force is 3.47 times of that from triaxial test.The direct shear test should not be recommended to obtain the shear strength indexes in engineering practice.

triaxial test；direct shear test；shear strength of soil；conversion coefficients

U443.1

A

1674－5590（2010）04－0038－03

2010-01-18；

2010-04-06 基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目（ZXH2009A002）

龔曉玲（1966—），女，河北藁城人，實驗師，學(xué)士，研究方向為土木工程材料.

（責(zé)任編輯：楊媛媛）