李聚興 韓勝杰 周鵬程 謝方媛

（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021）

土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定方法

李聚興 韓勝杰 周鵬程 謝方媛

（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021）

本文針對(duì)土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的取值原則、計(jì)算誤區(qū)、計(jì)算方法、取值方法對(duì)比等進(jìn)行分析。土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是否合理，對(duì)工程質(zhì)量的安全和經(jīng)濟(jì)影響較為巨大，應(yīng)該認(rèn)真對(duì)待。

土體 抗剪強(qiáng)度 標(biāo)準(zhǔn)

在土石壩及渠道等邊坡穩(wěn)定分析中，土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ是兩個(gè)非常重要的參數(shù)，它直接關(guān)系到工程的安全和經(jīng)濟(jì)。眾所周知，土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值是在土工試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)計(jì)算后確定的。然而，即使對(duì)同一組土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不同的統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法會(huì)得出不同的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值，而且差別很大，進(jìn)而對(duì)工程設(shè)計(jì)產(chǎn)生巨大影響。因此，如何按照規(guī)范要求，科學(xué)合理地選擇這兩個(gè)參數(shù)，需要仔細(xì)研究并慎重對(duì)待。

1 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的取值原則

按照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001和DL5395-2007）的規(guī)定，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)宜采用小值平均值（小于平均值的數(shù)值的平均值）。這一點(diǎn)與其他行業(yè)工程勘察規(guī)范不同，應(yīng)引起水工設(shè)計(jì)人員的注意。

按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）的規(guī)定，尚需將此小值平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值，然后再根據(jù)土樣巖性、巖相變化、試樣代表性、實(shí)際工作條件與試驗(yàn)條件的差別，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行調(diào)整，提出地質(zhì)建議值。

單從字面來(lái)看，似乎地質(zhì)勘察規(guī)范的建議值更為合理，但實(shí)際上由于每個(gè)人的經(jīng)歷、經(jīng)驗(yàn)不同，致使抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值受人為因素影響較大，甚至有為了彌補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)不足或過(guò)程缺陷而越來(lái)越保守的趨勢(shì)。筆者認(rèn)為，對(duì)于土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，人為干預(yù)主要應(yīng)發(fā)生在試驗(yàn)土樣采取、試驗(yàn)設(shè)備整理、試驗(yàn)操作技巧、有效土樣選擇等前期工作方面，試驗(yàn)得到的有效數(shù)據(jù)不應(yīng)再受人為因素影響。另外，當(dāng)設(shè)計(jì)規(guī)范有明確要求時(shí)，工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)尊重設(shè)計(jì)規(guī)范，取小值平均值作為設(shè)計(jì)值。過(guò)分保守不符合設(shè)計(jì)規(guī)范的指導(dǎo)原則。設(shè)計(jì)規(guī)范已考慮了合理的工程安全裕度，不必在過(guò)程環(huán)節(jié)中再層層加碼。

2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)小值平均值的確定

按照土體抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式：

其中，τ為土的抗剪強(qiáng)度

σ為法向總應(yīng)力

c、φ為土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

每組土體試樣均可得到一條抗剪強(qiáng)度包線?，F(xiàn)在的問題是：在多條抗剪強(qiáng)度包線中，如何按照小值平均值的取值原則，合理計(jì)算出抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值。

目前有一些人員在c、φ值的選取上，受其他行業(yè)及沿習(xí)的影響，往往直接對(duì)各條抗剪強(qiáng)度包線的c、φ值取小值平均值。筆者認(rèn)為這樣做是不合適的，主要理由如下：

一是沒有規(guī)范依據(jù)。在地質(zhì)勘察規(guī)范GB50487-2008中，明確要求取抗剪強(qiáng)度峰值的小值平均值。也就是說(shuō)，地質(zhì)勘察規(guī)范要求對(duì)抗剪強(qiáng)度τ取小值平均值，而不是直接對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ取小值平均值。另外，《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL5395-2007）附錄E.1.2.2

載明：從每組抗剪強(qiáng)度包線中，查得相當(dāng)于法向應(yīng)力的剪阻力共4～6組，取各組的小值平均值，由它們與相應(yīng)的法向應(yīng)力繪出強(qiáng)度包線，定出強(qiáng)度指標(biāo)。

二是物理意義不明確。在土工試驗(yàn)過(guò)程中，抗剪強(qiáng)度τ的物理意義非常明確，而抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ的物理意義不確切，它們僅是τ～σ關(guān)系式中的兩個(gè)數(shù)學(xué)參數(shù)而已，因此對(duì)c、φ取小值平均值不能直觀反映土體的抗剪可靠度。

三是抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的可靠度失真。實(shí)際勘察試驗(yàn)表明，即使是同一土層，各組土樣的粘粒含量不同，甚至差別很大。土樣粘粒含量高時(shí)， c值大而φ值小，粘粒含量低時(shí)，則c值小而φ值大，但τ值變幅較小。如果直接對(duì)c、φ取小值平均值，則土的抗剪強(qiáng)度被人為降低。

如在某渠道工程設(shè)計(jì)中，第55工程地質(zhì)段為上更新統(tǒng)上段沖洪積黃土狀壤土，干重度16.1kN/m3、標(biāo)貫擊數(shù)5.5擊，挖方渠段，飽和快剪有效試驗(yàn)土樣21組，見表1。從表1可以發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)成果離散性較大：c值過(guò)低時(shí)，φ值偏大（如HQK358E孔7號(hào)樣，c=6.0kPa，φ=22.11°）；c值偏高時(shí)，φ值偏?。ㄈ鏗SWK1孔1號(hào)樣，c=40.7kPa，φ=6.9°）。

表1 土樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算表

通過(guò)計(jì)算可知：直接對(duì)21組土樣的c、φ值取小值平均值，得出：c=8.4kPa，φ=8.47°；通過(guò)對(duì)抗剪強(qiáng)度τ取小值平均值，得出：c=17.35kPa，φ=9.5°。假如對(duì)同一渠道斷面進(jìn)行渠坡穩(wěn)定計(jì)算，當(dāng)采用抗剪指標(biāo)c=8.4kPa，φ=8.47°時(shí)，渠道安全坡比為1:6；當(dāng)采用抗剪指標(biāo)c=17.35kPa，φ=9.5°時(shí)，渠道安全坡比為1:3。由此可見，兩種統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法所得的土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，對(duì)工程設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生巨大影響。

3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的計(jì)算方法

正確的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算方法是按照小值平均值的計(jì)算原則，先計(jì)算出不同壓力下的抗剪強(qiáng)度的小值平均值，以此抗剪強(qiáng)度小值平均值和對(duì)應(yīng)的壓力進(jìn)行適線，得到抗剪強(qiáng)度包線，此抗剪強(qiáng)度包線對(duì)應(yīng)的c、φ值即為抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。以上述第55工程地質(zhì)段為例，分別對(duì)21組抗剪強(qiáng)度包線中法向應(yīng)力P=100，200，300，400kPa所對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度取小值平均值，得到S=31.5，54.9，67.6，83.2kPa，以此4組數(shù)據(jù)進(jìn)行適線，得到抗剪強(qiáng)度包線如圖1。包線在S軸的截距即為強(qiáng)度指標(biāo)c，與P軸的夾角即為強(qiáng)度指標(biāo)φ。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.007

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1672-2469(2014)12-0017-02

李聚興（1958年—），男，教授級(jí)高級(jí)工程師。