天津濱海軟土十字板剪切破壞過程及殘余強(qiáng)度研究

韓 鵬

（天津市北洋水運(yùn)水利勘察設(shè)計研究院有限公司，天津 300460）

十字板剪切試驗從引入國內(nèi)至今已有60多年，十字板剪切試驗具有設(shè)備簡單、操作方便、原位測試效果較好等優(yōu)點(diǎn)，目前已作為測定飽和軟土體不排水抗剪強(qiáng)度非常重要的原位測試手段[1]。經(jīng)過多年的發(fā)展，十字板剪切強(qiáng)度在水運(yùn)工程邊坡穩(wěn)定分析中得到了廣泛的應(yīng)用，目前已成為沿海地區(qū)水運(yùn)工程邊坡穩(wěn)定計算分析中主要強(qiáng)度指標(biāo)之一，同時也積累了豐富的工程經(jīng)驗。水運(yùn)工程中，滑坡災(zāi)害的防護(hù)與治理一直是工程中的難點(diǎn)，目前對于滑坡土體內(nèi)在力學(xué)機(jī)理以及防護(hù)工程的研究仍處于初級階段[2]。就失穩(wěn)邊坡的滑動面而言，滑坡區(qū)域土體由于滑動產(chǎn)生了較大的變形。因此，在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時，使用殘余強(qiáng)度作為破壞條件更加穩(wěn)妥。殘余強(qiáng)度是指土體發(fā)生較大剪切位移后達(dá)到的最小抗剪強(qiáng)度。

目前，關(guān)于十字板剪切破過程及殘余強(qiáng)度的研究仍然比較缺乏。文章以多個實際工程為基礎(chǔ)，對濱海軟土及飽和軟土的十字板剪試驗破壞過程、殘余強(qiáng)度與標(biāo)高之間的關(guān)系，以及殘余強(qiáng)度與含水率之間的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)的對比研究，為十字板剪切殘余強(qiáng)度在工程滑坡災(zāi)害的防護(hù)與治理實踐提供參考。

1 試驗方案設(shè)計

文章結(jié)合天津濱海地區(qū)實際工程項目，在現(xiàn)場成對設(shè)置原狀取土孔和十字板剪切試驗孔，對十字板剪切殘余強(qiáng)度與含水率進(jìn)行研究。詳細(xì)方案如下：

第一步，在成對設(shè)置的原狀取土孔中進(jìn)行取土作業(yè)，取樣間距為1.0m；取土作業(yè)完成后，在旁邊進(jìn)行十字板剪切原位試驗，獲得原狀土的峰值強(qiáng)度、重塑土的峰值強(qiáng)度及原狀土的殘余強(qiáng)度，試驗深度與取土深度相同。第二步，對采取的原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗，獲得土體的含水率、液限等常規(guī)物理指標(biāo)。第三步，繪制十字板剪切強(qiáng)度與回轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，統(tǒng)計分析抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值時的回轉(zhuǎn)角；對比分析原狀土的峰值強(qiáng)度、重塑土的峰值強(qiáng)度及原狀土的殘余強(qiáng)度，并研究原狀土的殘余強(qiáng)度與標(biāo)高的關(guān)系；對原狀土殘余強(qiáng)度與含水率進(jìn)行回歸分析，分析兩者之間存在的規(guī)律。

2 實驗設(shè)備

該次十字板剪切試驗采用的儀器為鉆機(jī)和機(jī)械式十字板剪切儀。十字板剪切儀主要包括鋼環(huán)、十字板剪切板頭、十字板轉(zhuǎn)動裝置裝等部分，十字板剪切儀各主要部件尺寸如表1所示[3]。

表1 十字板剪切儀規(guī)格表 單位：mm

3 十字板剪切試驗步驟

（1）通過鉆機(jī)進(jìn)行清孔，直到達(dá)到十字板剪切試驗預(yù)定試驗深度。（2）將鉆桿和十字板板頭連接緊固，然后下放至試驗深度，調(diào)整測力裝置和百分表，確保各部分連接無誤。（3）轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，速度控制在10s/轉(zhuǎn)左右，每轉(zhuǎn)動1圈，記錄百分表讀數(shù)1次，讀數(shù)達(dá)到峰值后繼續(xù)試驗，直到轉(zhuǎn)角達(dá)到90°為止，即原狀土的峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度試驗完畢。（4）將十字板頭和測力轉(zhuǎn)動裝置一起旋轉(zhuǎn)6～8圈，使土體完全破壞，靜置1min，讓土體恢復(fù)，然后進(jìn)行重塑土的抗剪強(qiáng)度測試，速度仍然控制在10s/轉(zhuǎn)左右，每轉(zhuǎn)動1圈，記錄百分表讀數(shù)1次，直到讀數(shù)不再變化為止。（5）將十字板頭上提5cm，進(jìn)行軸桿試驗，速度控制在10s/轉(zhuǎn)左右，每轉(zhuǎn)動1圈，記錄百分表讀數(shù)1次，直到讀數(shù)不再變化為止。（6）重復(fù)上述（2）～（5）操作步驟，進(jìn)行下一深度的試驗，直到預(yù)定深度。

4 試驗土層對象

該次試驗對象為全新統(tǒng)中組海相沉積層（Q42m）中的淤泥及淤泥質(zhì)黏土，該土層頂板標(biāo)高一般為-1.0～-2.5m，底板標(biāo)高一般為-12.0～-14.0m，厚度一般為10.0～12.0m，以流塑狀態(tài)為主，含有機(jī)質(zhì)。該層土的含水率、液塑限等物理指標(biāo)如表2所示。

表2 淤泥質(zhì)黏土的物理指標(biāo)統(tǒng)計表

5 試驗數(shù)據(jù)分析

5.1 十字板抗剪強(qiáng)度與轉(zhuǎn)角的關(guān)系

文章共收集試驗數(shù)據(jù)228組，繪制十字板剪切強(qiáng)度與回轉(zhuǎn)角的過程曲線，其可分為3個部分，由于十字板剪切試驗破壞過程曲線總體相似，因此文章選取典型十字板剪切試驗進(jìn)行分析?？辜魪?qiáng)度與回轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 抗剪強(qiáng)度Cu與回轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系曲線圖

從圖1可以看出，原狀土的十字板剪切試驗過程可以分為3個部分：a～b段曲線，隨回轉(zhuǎn)角增大，抗剪強(qiáng)度迅速增大，至b點(diǎn)抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值，相應(yīng)于b點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度；b～c段曲線，隨回轉(zhuǎn)角的繼續(xù)增大，抗剪強(qiáng)度迅速減?。籧點(diǎn)之后，隨回轉(zhuǎn)角的繼續(xù)增大，抗剪強(qiáng)度變化較小并逐漸趨于穩(wěn)定。重塑土的十字板剪切試驗過程同樣分為3個部分：a～d段曲線，隨回轉(zhuǎn)角增大，抗剪強(qiáng)度迅速增大，至d點(diǎn)抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值，相應(yīng)于d點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度；d～e段曲線，隨回轉(zhuǎn)角的繼續(xù)增大，抗剪強(qiáng)度逐漸減?。籩點(diǎn)之后，隨回轉(zhuǎn)角的繼續(xù)增大，抗剪強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

5.2 十字板抗剪峰值強(qiáng)度與轉(zhuǎn)角的關(guān)系

對土體抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值時的回轉(zhuǎn)角進(jìn)行統(tǒng)計分析可以發(fā)現(xiàn)，土體抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值時回轉(zhuǎn)角分布于19～40°，其中分布在22～33°的概率高達(dá)70%。

5.3 殘余強(qiáng)度與標(biāo)高的關(guān)系

繪制原狀土峰值強(qiáng)度與標(biāo)高的關(guān)系曲線、重塑土峰值強(qiáng)度與標(biāo)高的關(guān)系曲線及原狀土殘余強(qiáng)度與標(biāo)高的關(guān)系曲線，如圖2所示。從圖2可以看出，原狀土峰值強(qiáng)度、原狀土殘余強(qiáng)度和重塑土峰值強(qiáng)度與標(biāo)高之間均具有相同的變化規(guī)律，都是隨著標(biāo)高的減小，抗剪強(qiáng)度呈增大趨勢；殘余強(qiáng)度值介于原狀土抗剪強(qiáng)度和重塑土抗剪強(qiáng)度之間。

圖2 殘余抗剪強(qiáng)度Cu與標(biāo)高的關(guān)系曲線圖

5.4 殘余強(qiáng)度與含水率的關(guān)系

含水率是影響十字板剪切強(qiáng)度的重要因素之一，兩者之間存在著密切的聯(lián)系，對十字板剪切殘余強(qiáng)度和含水率進(jìn)行回歸分析，建立兩者之間的關(guān)系式，對于工程技術(shù)人員根據(jù)含水率來判斷土體殘余抗剪強(qiáng)度具有重要的現(xiàn)實意義。這也將大大調(diào)高工作效率，同時幫助工程技術(shù)人員更加準(zhǔn)確了解土層的力學(xué)特性。天津濱海飽和軟土殘余強(qiáng)度與含水率的線性回歸分析如圖3所示。

圖3 原狀土十字板剪切殘余強(qiáng)度Cu與含水率w的關(guān)系圖

從圖3可以看出，原狀土殘余強(qiáng)度與含水率之間具有較好的線性關(guān)系，殘余強(qiáng)度隨含水率的增大而減小。殘余強(qiáng)度與含水率線性回歸關(guān)系式如表3所示。從表3可以看出，相關(guān)系數(shù)為0.775，擬合程度較好。

表3 原狀土十字板剪切殘余強(qiáng)度與含水率之間的線性關(guān)系式

6 結(jié)束語

（1）十字板剪切試驗過程中，轉(zhuǎn)角在22～32°時達(dá)到峰值，而后逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定。（2）天津濱海軟土的殘余強(qiáng)度介于原狀土抗剪強(qiáng)度與重塑土抗剪強(qiáng)度之間。（3）天津濱海軟土的殘余隨深度增加而增加。（4）含水率位于37%～58%時，天津濱海飽和軟土的殘余強(qiáng)度與含水率呈線性關(guān)系，隨著含水率的增大而減小。（5）十字板殘余強(qiáng)度受地域影響較大。文章十字板剪切殘余強(qiáng)度與含水率之間的關(guān)系適用于天津濱海地區(qū)，對于該區(qū)域以外地區(qū)的適用性需要進(jìn)一步驗證。