室内抗剪强度试验指标.doc
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室内抗剪强度试验指标
在软土地基处理稳定分析中的应用
1、抗剪强度
土的抗剪强度是指土在外力作用下抵抗剪切滑动的极限强度。
土的抗剪强度是土的一个重要力学性质，当估算地基承载力，评价地基稳定性，计算路堤斜坡稳定性等都需要抗剪强度指标。
1.1库伦定律
在法向应力变化范围不大时，抗剪强度与法向应力的关系近似为一直线，这就是抗剪强度的库伦定律。
………………（1－１）
式中：
τƒ——土的抗剪强度（KPa）；
c——土的粘聚力（KPa）；
σ——作用于剪切面上的法向应力（KPa）；
φ——土的内磨擦角（°）
1.2总应力法与有效应力法
饱和土的抗剪强度与土受剪前在法向应力作用下的固结有关，而土只有在有效力作用下才能固结。
有效应力逐渐增加的过程，亦即土的抗剪强度逐渐增加的过程。
剪切面上的法向应力与有效应力之间有下列关系
u＋σ′＝σ
式中：
u——剪切面上的孔隙水压力（KPa）；
σ′——剪切面上的有效应力（KPa）；
σ——剪切面上的法向应力，即总应力（KPa）。
土的强度主要取决于有效应力的大小，故抗剪强度的关系中应反映有效应力σ′更为合适。
即
τƒ＝＋σ′tgφ＝c′＋（σ′－u）tg
式中：
c′——土的有效粘聚力（KPa）
φ′——土的有效内磨擦角（°）。
其余符合意义同前。
用式1－1所进行的分析法称总应力法；用１－3分析的方法称有效应力法。
2、室内抗剪强度的试验方法
目前公路部门室内测定抗剪强度的试验方法有直接剪切试验、三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验。
2.1直接剪切试验
直接剪切试验目前依然是公路部门室内最基本的抗剪强度测试方法。
由于直剪仪的构造无法做到任意控制土样是否排水的要求，为了在直剪试验中能考虑现场施工加荷的实际需要，很早以来便通过采用不同的加荷速度来达到排水控制的要求。
这便是直接剪切试验中三种不同试验方法——快剪、固结快剪和慢剪的由来。
三种试验方法测得的强度指标分别用Cq、φq和Cs、φs表示。
2.2三轴压缩方式
直接剪切试验具有仪器构造简单，操作方便的优点，但它同时具有不能控制排水条件、测不出剪切过程中孔隙水压力的变化、剪切面人为固定以及剪切面上的应力分布不均等缺点，而三轴压缩试验都克服了以上缺点。
依据排水情况的不同，三轴压缩试验分别三种类型：
即不固结不排水剪（UU），固结不排水剪（CU）和固结排水剪（CD），测得强度指标分别用cuu、φuu，ccu、φcu和cs′、φs′表示。
2.3无侧限抗压强度试验
三轴压缩试验中，当围压等于零时为无侧限试验条件，又称单轴试验或无侧限抗压强度试验。
对于饱和软土，因其内磨擦角φ≈0，故可利用无侧限抗压强度qu间接计算不排水抗剪强度τƒ。
τƒ＝1/2qu…………（2－1）
式中τƒ——软土的不排水抗剪强度（KPa）；
qu——软土的无侧限抗压强度（KPa）。
2.4直接剪切试验与三轴剪切指标的比较与选用
如前所述，直接剪切试验尚存在一些缺点，但由于测设部门普遍采用，有不少经验，在公路勘测设计中仍具有一定的使用价值，因而就有必要探讨一下直接剪切试验与三轴压缩试验指标间的关系。
从理论上讲直接剪切试验与三轴压缩试验是差别的。
近年来国内就粘性土作了些试验研究，如水电部第五工程局试验室，广东水利科学研究所等单位的试验成果表明，对某些密实粘土、渗透系数＜10-6cm/s的直剪的快剪强度参数与三轴不固结不排水强度参数很接近；水利水电科学研究院等单位曾对直接剪切试验的固结快剪强度参数与三轴固结不排水试验的强度指票进行了比较试验，认为若土的渗透系数＜10-6cm/s，两者所测结果比较接近；吉林省水利勘测设计院认为粘性土料用直接剪切仪作慢剪试验测得的慢剪强度指标与有效强度指标很一致。
很多试验资料表明，直接剪切慢剪强度指标、三轴固结排水试验强度指标以及有效强度指标，三者均比较接近。
因此在无三轴压缩仪的情况下，可以用直接剪切仪测慢剪强度指票以代替有效强度指标。
在实践中应结合路堤实际加载情况、填土性质和排水条件等选用合适的抗剪强度指标。
如验算路堤施工结束时的稳定情况，若路堤施工速度较快，地基土的渗透性较差，则土中孔隙水压力不易很快消散，这时宜采用快剪或三轴不固结不排水试验指标，用总应力法分析。
如验算路堤长期稳定时，应采用慢剪试验或三轴固结排水试验或三轴固结不排水试验得的有效强度指标，用有效应力法分析。
3室内抗剪强度指标在软土地基处理设计稳定分析中的应用
稳定分析是软土地基处理设计中的一项重要内容。
在软土地基上填筑路堤，其坡坏往往是由于地基的稳定性不足引起的，当软土层较厚时，滑裂面近似为一圆弧，而且切入地面以下一定深度。
对于进行竖向排水处理的地基含有较多薄粉砂夹层的粘土地基，由于具有良好的排水条件，在进行稳定分析时应考虑地基在填土等荷载作用下会产生固结而使土的强度提高。
3.1应用天然不排水强度指标的稳定分析方法（总强度法）
在软土地基处理稳定分析中，用十字板测得的不排水抗剪强度τƒ作为设计依据，按＝0的圆弧滑动条分法进行地基稳定性分析，一般认为比较符合实际。
路堤抗剪强度参数用直剪快剪指标cq、φq，稳定系数F按下式计算
∑τƒi·Li＋∑（Sj＋Pj）
F＝……………………（3―1―1）
PT
式中：
PT＝∑（Wisinai）＋∑（Wjsinaj）＋MH/R
Sj＝Wjcosajtg＋cqjLj
i、j——如图3.1所示，下标i、j分别代表滑裂面在地基土层内（AB）弧和在路堤填料内（BC弧）土条编号；
W、a、L——分别为滑裂体某一土条（下标可为i或j）的总重量，土条滑裂面对水平面的夹角与弧长；
R——滑裂面半径；
τƒi——第i土条滑裂面处处地基土层的不排水抗剪强度；
cqj、φqj——第j土条所处路堤填料的粘聚力和内磨擦角；
Pj——若第j土条滑裂面与设置的土工织物相交，则Pj为该层土工织物每延米宽的设计拉力；
MH——某些外力（如地震力）产生的对滑裂面圆心的滑动力矩。
当需要考虑固结作用引起的地基抗剪强度的提高时，可按3－1－2式计算。
τƒi′＝τƒi＋UiWli·mi/…………（3－1－2）
式中：
τƒi′——第i土条滑裂面所处位置固结度为U时的抗剪强度；
τƒi——第i土条滑裂面所在地基土层的天然不排水抗剪强度；
Ui——第i条滑裂面所处位置的固结度U；
Wli——第i条土条滑裂面以上路堤自重；
mi——第i条土条滑裂面所在地基上层的强度增长系数，一般为0.25—0.35。
△Xi——第i土条的水平向宽度。
另外，在软土地区公路选线中，路基临界高度的确定对线路设计及方案比较非常重要，用十字板测得的不排水抗剪强度估算路基的临界高线是一种比较有效的方法。
对均质厚层软土，路基的临界高度可用下式估算
Hc＝Kƒi………………（3―1―3）
式中Hc——临界高度（m）；
K——系数（m/KN）一般取3；
τƒi可按2－1式计算。
3.2应用总抗剪强度指票的稳定分析方法（总应力分析法）
总应力分析法中，路堤抗剪强度参数用直剪快剪指标cq、q，地基抗剪强度参数用直剪或三轴压缩试验测得的总抗剪强度指标。
下面以直剪试验的总抗剪强度指标为例加以说明
∑（Si＋△Si）＋∑（Sj＋Pj）
F＝……………………（3―2）
PT
其中：
Si＝Wci·cosaii·tgφqi＋cqiLi
△Si＝Wli·Ui·cosai·tgφqi
但当
tgφq
U
时，△Si宜用下式计算
△Si＝Wli·cosai·tgφgi
W0i——第i土条所在土层的快剪粘聚力cq及快剪内摩擦角φq;
cqi、φqi——第i土条所土层的快剪粘聚力cq及快剪内磨擦角φq;
φqi、Ui——第i土条的滑裂面所在土层的固结快剪的内摩擦角φq及滑裂面所处位置的固结度U；
其它符号意义同前。
3.3应用有效抗剪强度指标的稳定分析方法（有效应力分析法）
有效应力分析法中，地基抗剪强度指标采用有效抗剪强度指标c、φ，路堤的抗剪强度指标仍用直剪试验的快剪指标cq、φq值
∑＋∑Kj
F＝……………………（3―3）
PT
式中
Kj＝[ci.△Xi＋（Wai－Wwi＋Ui.Wli）tgφi′]/mai
Kj＝[cqi.△Xi＋Pj＋Wj·tgφqj]/mai
mai＝cosaj＋tgφqi·sinai
maj＝cosaj＋tgφqj·sinaj
ci′、φi′——第i土条滑裂面所在土层的有效粘取得力c′及有效内磨擦角φ′。
Wwi＝hwi·rw·X1
hwi——第i土条滑入地下水位以下的浸水深度；
rw——水的重力密度。
其它符号意义同前。
由于采用不同的试验方法得到的抗剪强度指标有很大差异，而允许安全系数同选用的抗剪强度指标有关。
同一个斜坡稳定分析采用不同试验方法得到的强度指标，会得到不同的安全系数。
我国《港口工程技术规范》（第五篇地基）中给出了抗滑稳定安全系数和土的强度指标配合应用的规定，见下表。
这些都是从工程实践中总结出来的经验，可参照使用。
抗剪强度指标
固结快剪
快剪
十字板剪
有效剪
允许安全系数
1.10～1.30
1.00～1.20
1.10～1.30
1.30～1.5
软土地基上公路路堤的稳定验算应以固结有效应力法和总强度法为主，以总
应力法为辅，在无三轴压缩仪的情况下，应用直接剪切试验的慢剪强度指标cs、φs代替有效强度指标c′、φ进行稳定验算。
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