直接剪切试验、三轴压缩试验及无侧限抗压强度试验指标在软土地基处理稳定分析中的应用

摘 要：本文简要介绍了目前室内抗剪强度试验的几种方法，概述了不同试验方法的优、缺点以及对应的试验参数在工程中的运用；最后，笔者对软土地基的稳定分析进行了归纳和总结，并且特别谈到了安全系数的选择问题。

关键词：抗剪强度；粘聚力；内摩擦角；有效应力

在公路软土地基勘察中一般都将现场勘探取出的土样用室内试验方法来确定地基土层的力学性质，作为软土地基处理设计依据。实际上，土体中的应力变化过程相当复杂，在选用各种试验方法时，应注意试验方法尽可能反映软土的力学特性和工作条件并与分析计算方法相适应，以保证软土地基处理设计的经济性和合理性。

一、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.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

τf= c+σtg

τf――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）；

――土的内摩擦角（KPa） 。

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，而土只有在有效应力作用下才能固结。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式中

u +σ'=σ

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，即式中

τf = c'+ σ'tg'= c' +（σ-u）tg'

c'――土的有效粘聚力（KPa）；

'――土的有效内摩擦角（KPa） 。

其余符合意义同前。

用式1-1所进行的分析方法称总应力法；用式1-3分析的方法称有效应力法。

二、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。

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率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 、q ，c g 、g和cs 、s表示。

2.三轴压缩试验

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，三轴压缩试验分为三种类型：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、uu，cc u、c u和c'、'表示。

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，因其内摩擦角≈0，故可利用无侧限抗压强度q u间接计算其不排水抗剪强度τf：（2-1）式中

τf =1/2 q u

τf ――软土的不排水抗剪强度（KPa）；

q u ――软土的无侧限抗压强度（KPa）。

4.直接剪切试验与三轴剪切试验指标的比较与选用

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有差别的。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

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性时，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测得的有效强度指标，用有效应力法分析。

三、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，其破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或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。

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τf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、q，稳定系数F按下式计算