土的抗剪強度工程應用探討

樊 易 洲

(中北大學，山西 太原 030051)

?

土的抗剪強度工程應用探討

樊 易 洲

(中北大學，山西 太原 030051)

介紹了土的抗剪強度與抗剪強度指標的概念，從地基承載力、基坑工程、路基穩定性等方面，闡述了土的抗剪強度在工程中的應用，為同類工程的設計和施工提供參考。

抗剪強度，抗剪強度指標，地基承載力，基坑，路堤

土的抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的能力[1，2]。土力學中，采用摩爾—庫侖強度準則，用內摩擦角和內聚力兩個指標描述土的抗剪強度規律[3]。但是由于測定方法的不同，得到的內摩擦角和內聚力這兩個強度指標的數值固然不同，有時候會相差很大[4]。本文針對這種情況進行了土的抗剪強度的工程應用探討。

1 土的抗剪強度的概念

抗剪強度和抗剪強度指標是兩個不同的概念，抗剪強度指標是土體的固有性質，抗剪強度是在一定的應力條件下，土體滑動面上抵抗滑動的總強度。在室內試驗中，可以用直剪試驗或三軸試驗來測定土的抗剪強度指標；對粗粒土應當用大尺寸的儀器或現場大型直剪試驗測定；對軟土，可以用原位試驗測定。測試方法的不同導致了測試結果的數值有較大的差距[5,6]。

2 地基承載力中土的抗剪切強度問題探討

建筑物對地基施加荷載后，地基產生滑動的趨勢，在滑動面上由土的抗剪強度抵抗外荷載引起的應力[5]。地基承載力計算公式分為兩類：

一類是地基極限承載力公式：

其中，Nγ，Nq，Nc均為地基承載力系數，都是土的內摩擦角的函數。

軟土不固結不排水φ=0；其中極限承載力下Nc=5.14，Nq=1.0，Nγ=0。

另一類是容許承載力公式，如《建筑地基基礎設計規范》所采用的公式:

p1/4=BγNγ+γDNq+cNc。

Skempton地基極限承載力公式：

pu=(1+0.2b/l)(1+0.2d/b)Ncc+γ0d。

某儲糧食筒倉的結構自重為39 000kN，可裝糧食21 900kN。結構自重產生的基礎底面壓力為77kPa，總荷載(結構自重加儲糧食重量)產生的基礎底面壓力為129kPa。工程實例分別采用固結不排水試驗指標和不固結不排水試驗指標計算地基極限承載力。取直剪試驗結果的內摩擦角φ=12°，粘聚力c=13kPa時，用Hansen公式求得極限承載力等于212kPa。原位十字板剪切試驗結果粘聚力cu=23kPa時，求得極限承載力等于139kPa。

原位十字板強度相當于土的天然強度，適用于加荷速度很快，地基土來不及排水固結時的地基穩定驗算。對于正常的施工期來說，由于加荷速度比較慢，采用不固結不排水強度指標就低估了地基承載力；固結不排水試驗強度反映了地基固結對強度的影響，如果用于快速加荷條件下的地基承載力計算，則過高地估計了地基承載力，得到了偏于危險的計算結果。

采用固結不排水試驗指標計算得到的安全系數為1.80，與安全系數的一般經驗值相比已經是偏小了。如按一般考慮取安全系數為2，則得容許承載力103kPa，而基底壓力已達117kPa，顯然即使沒有快速裝糧食，這個設計也是偏于不安全的。

如果考慮到由于裝糧食的時間很短，地基土來不及排水固結，則應采用不固結不排水試驗指標驗算。按不固結不排水指標得到的安全系數只有1.11，已經臨近極限狀態了。當然，這個估計是偏于保守的。

因為實際的情況可能介于兩者之間。即結構自重部分的加荷速度比較慢，施工結束后又有6個月的間歇時間，可以考慮部分的排水固結，而活載加荷速度又很快，后一部分加荷過程中不應考慮強度的增長。則實際的安全系數應當介于上述兩種情況的安全系數1.12～1.69之間。

3 基坑工程土壓力中土的抗剪切強度問題探討

土壓力的計算也需要用土的抗剪強度指標[5]，在基坑工程設計中，土壓力是作用于基坑支護結構上的側向荷載，土壓力估計值的大小直接影響基坑工程設計的安全與經濟。

目前一些地區的工程經驗是建立在采用直剪固快強度指標的基礎上，關于計算土壓力時如何考慮地下水作用的問題是十分重要的，存在不同的方法，分為水土分算和水土合算。

有效應力法為地下水的作用單獨考慮，則土壓力采用浮重度計算，內摩擦角也采用有效內摩擦角，即按有效應力原理計算。

總應力法分為水土分算和水土合算，水土分算為地下水作用單獨考慮，土壓力用浮重度計算，但內摩擦角則用總應力指標計算。

水土合算為地下水的作用合在土的重度中反映，故采用飽和重度計算，內摩擦角也采用總應力指標。

一般來講對于開挖深度在5m左右的基坑，若干對比數據的計算表明，采用總應力指標計算的土壓力與采用有效指標計算的土壓力基本相當(見表1)。

表1 總應力指標和有效應力指標計算結果比較

在砂土和粉土層中，用砂土分算的方法計算圍護結構上的側向壓力，砂土或粉土的總應力指標與有效指標接近；在粘性土層中，采用水土分算的方法計算，可用總應力指標計算；在有經驗時，也可采用水土合算的方法計算。在基坑開挖時，基坑外側如果不考慮地下水位的變化，豎向的自重應力保持不變，水平方向的應力減少，隨著開挖深度增加，水平應力逐步減小，直至主動土壓力狀態。這個變化過程可以用減少試樣側壓力的方法進行模擬，在三軸儀上，保持軸向壓力不變而減少側壓力，直至試樣破壞，即卸荷試驗；也可以采用保持側壓力不變，增大軸向壓力，直至試樣破壞，即壓縮試驗。由表2可知，同樣取土深度的土樣，壓縮試驗得到的被動土壓力較卸荷試驗得到的被動土壓力大。

表2 兩種試驗指標計算的結果

4 路堤填土穩定性問題探討

路堤填土穩定性和抗剪強度指標的關系選擇測試和計算的堤底寬24 m,邊坡1∶1.5，縱向長度20 m，坡度1∶4。

表3 原位應力總強度參數和計算的安全系數比較

表3表明了除三軸不固結不排水強度指標外，其他試驗指標計算的安全系數與實際情況都比較接近。

5 結語

本文探討了土的抗剪強度指標在地基承載力、基坑土壓力以及路基穩定性中的應用，由于測試土的抗剪強度指標的方法不同，導致了不同的抗剪強度的試驗結果，以這個結果去計算地基承載力、基坑土壓力和路堤穩定性，其結果當然不同，本文通過一些計算和實測顯示了不同的測試方法考慮的加載歷時、水土作用以及加卸載等等的不同導致最終計算的安全系數不同，驗證了一些測試方法的適用性，以便為同類工程設計和施工提供參考。

[1] 蔡 建.原狀土的抗剪強度研究[J].巖土力學，2012,33(7)：1965-1977.

[2] 蔡 建.土的卸載抗剪強度[J].巖土工程學報,2006,28(5)：606-610.

[3] 黃文熙.土的工程性質[M].北京:水利電力出版社,1983.

[4] 魏汝龍.軟黏土的強度和變形[M].北京:人民交通出版社,1987.

[5] 殷志建,張誠大,關文光.土力學與地基基礎[M].北京:中國建筑工業出版社,1980.

[6] 洪毓康.土質學與土力學[M].北京:人民交通出版社,1989.

On engineering application of soil’s shearing strength

Fan Yizhou

(NorthChinaUniversity,Taiyuan030051,China)

The paper introduces the concept of the soil’s shearing strength and shearing strength indexes, illustrates the application of the soil’s shearing strength from the foundation loading capacity, foundation pit project, and roadbed stability, so as to provide some reference for the design and construction of similar projects.

shearing strength, shearing strength index, foundation loading capacity, foundation pit, embankment

1009-6825(2016)18-0091-02

2016-04-13

樊易洲(1995- )，男，在讀本科生

TU432

A