甘肅省會寧縣跨祖厲河大橋地基土的快剪與固結快剪比對試驗分析

張 程

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

工程勘察設計工作中，計算承載力及評價地基的穩定性時都要用到地基土的抗剪強度參數（內摩擦角φ，粘聚力c）。室內測定土體抗剪強度參數的方法有快剪和固結快剪，快剪試驗分為原狀快剪試驗和飽和快剪試驗，固結快剪試驗分為原狀固結快剪試驗和飽和固結快剪試驗。通過這四種剪切試驗獲取土體的黏聚力和內摩擦角。對上述四組試驗數據進行統計分析、比對、擬合，通過固結快剪試驗得出的抗剪強度參數（黏聚力c、摩擦角φ）與直接快剪實驗得出的抗剪強度參數存在較強的相關性。

2 工程概況

會寧縣祖厲河生態長廊建設康家河至張灣道段跨祖厲河橋梁工程位于會寧縣城下游約10 km 的柴家門鎮河段上，擬新建三座橋梁，三座橋梁橋基所處的地層條件基本相同，均屬黃土地層。2020年11 月，我公司開展了祖厲河大橋橋基土的快剪與固結快剪比對試驗分析。

3 土樣來源及試驗項目

祖厲河橋梁工程三座橋基共布置八個鉆孔，分別為ZK1、ZK2、ZK3、ZK4、ZK5、ZK6、ZK7、ZK8。先完成橋基土樣的物理性質試驗，包括含水率、干密度、飽和度、顆粒分析等，然后進行抗剪強度參數試驗，包括原狀快剪、飽和快剪、原狀固結快剪和飽和固結快剪試驗。

4 土樣試驗

4.1 物理性質試驗

根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）土的物理性質試驗方法進行試驗，所得成果見表1。

表1 祖厲河橋梁工程土樣物理性質試驗成果表

4.2 直接剪切試驗

4.2.1 儀器設備

直接剪切試驗設備采用應變控制式直剪儀，包括剪切盒（水槽、上剪切盒、下剪切盒），垂直加壓框架，負荷傳感器及推動機構等。其他：位移計（百分表）量程5 mm～10 mm，分度0.01 mm，飽和器，削土刀，濾紙，秒表等。

4.2.2 土樣制備

每個鉆孔土樣為1 組，共8 組，每組土樣制備4 份。原狀土土樣制備時應小心開啟原狀土樣包裝皮，辨別土樣上下層，整平土樣兩端，切土方向與天然層次垂直，切取試樣，試樣與環刀應密合。當不立即進行試樣，應將試樣暫存于保濕器內。飽和土樣制備時選用框式飽和器，在裝有試樣的環刀兩面貼放濾紙，再放兩塊大于環刀的透水板于濾紙之上，通過框架兩端的螺絲將透水板、環刀加緊。將裝好試樣的飽和器放入水箱中，注入清水，水面不宜將試樣淹沒，蓋上箱蓋，飽和約需3 d。

4.2.3 試驗步驟

（1）快剪試驗

1）對準上下盒，插入固定銷，放入不透水板，將試樣徐徐推入剪切盒內。

2）轉動手輪，使盒前端鋼珠與負荷傳感器接觸，調整傳感器讀數為0，順次加上加壓蓋板，加壓框架。

3）施加垂直壓力后，拔去固定銷。開動秒表，采用0.8 mm/min～1.2 mm/min 的速度剪切，4r/min～6r/min 的均勻速度旋轉手輪，使試樣在3 min～5 min 的時間內減損。

4）剪切結束后，倒轉手輪，移去垂直壓力，取出試樣。

（2）固結快剪試驗

1）試樣安裝按照快剪試驗（1）、（2）的步驟進行。

2）在試樣施加規定垂直壓力后，側記垂直變形讀數。當每小時垂直變形讀數變化不大于0.005mm 時，認為已達到固結穩定。

3）試樣達到固結穩定后，按快剪試驗（3）、（4）步驟進行。

5 試驗結果比對分析

5.1 快剪、固結快剪試驗結果比對

（1）通過快剪、固結快剪試驗，得出8 組土樣試件32 次試驗的數據，試驗成果見表2、表3。

表2 原狀土樣快剪、固結快剪的垂直壓力與抗剪強度試驗數據表

表3 飽和土樣快剪、固結快剪的垂直壓力與抗剪強度試驗數據表

（2）根據原狀、飽和土樣抗剪強度S與垂直壓力p 的關系曲線計算出每組土樣的黏聚力c 和摩擦角Ф，見表4。

表4 土樣快剪、固結快剪試驗成果比對表

6 試驗結果擬合

（1）用表4 的數據，將原狀快剪黏聚力作為橫坐標，原狀固結快剪黏聚力作為縱坐標，繪制原狀樣黏聚力擬合曲線，見圖1。

圖1 原狀樣黏聚力擬合曲線

（2）用表4 的數據，將原狀快剪摩擦角作為橫坐標，原狀固結快剪摩擦角作為縱坐標，繪制原狀樣摩擦角擬合曲線，見圖2。

圖2 原狀樣摩擦角擬合曲線

（3）用表4 的數據，將飽和快剪黏聚力作為橫坐標，飽和固結快剪黏聚力作為縱坐標，繪制飽和樣黏聚力擬合曲線，見圖3。

圖3 飽和樣黏聚力擬合曲線

（4）用表4 的數據，將飽和快剪摩擦角作為橫坐標，飽和固結快剪摩擦角作為縱坐標，繪制飽和樣摩擦角擬合曲線，見圖4。

圖4 飽和樣摩擦角擬合曲線

7 試驗成果分析

7.1 土樣物理性質試驗結果分析

從土的物性試驗成果可以得出：土樣的飽和度為94.8%～100%，平均值98.5%，表明原狀土樣飽和程度極高，接近于飽和狀態。液限為28.9%～35.3%，均小于50%，塑性指數為16.4%～20.6%，均大于10%，按分類均為低液限粘土；顆分試驗中，砂粒含量為4.3%～18.8%，平均值11.8%；粉粒含量為51.8%～70.1%，平均值60.7%；粘粒含量為21.1%～32.5%，平均值27.5%。土樣中以粉粒為主，粘粒、砂粒次之。按SL251-2015水利水電工程天然建筑材料勘察規程，定名為重粉質黏土和粉質黏土。

7.2 土樣快剪、固結快剪擬合試驗分析

由圖1、圖2、圖3、圖4 可看出：原狀固結快剪黏聚力隨著原狀快剪黏聚力的增大而增大，原狀固結快剪摩擦角隨著原狀快剪摩擦角的增大而增大。飽和固結快剪黏聚力隨著飽和快剪黏聚力的增大而增大，飽和固結快剪摩擦角隨著飽和快剪摩擦角的增大而增大。快剪試驗與固結快剪試驗之間有明顯的相關規律，擬合曲線呈線性相關關系，且擬合精度均大于0.8，表明圖中數據具有強的相關性，擬合程度較為理想。

7.3 土樣快剪、固結快剪比對試驗成果

祖厲河橋梁工程的試驗結果表明：快剪試驗的黏聚力提高13%后基本接近固結快剪試驗的黏聚力，快剪試驗摩擦角提高10%后基本接近固結快剪摩擦角；飽和快剪黏聚力提高16%后基本接近飽和固結快剪黏聚力，飽和快剪摩擦角提高11%后基本接近飽和固結快剪摩擦角。由此可見，通過快剪試驗可估算出固結快剪試驗的黏聚力、摩擦角數據。

8 結論

土樣固結快剪的黏聚力、摩擦角均大于快剪試驗的數據。兩者存在相關性，當固結快剪試驗條件缺乏或要求在很短的時間內提供土體固結快剪抗剪強度數據，可利用快剪試驗數據估算出固結快剪的相應數據，供設計人員參考使用。