土体抗剪强度指标的确定方法

李聚兴 韩胜杰 周鹏程 谢方媛

（河北省水利水电第二勘测设计研究院 河北石家庄 050021）

土体抗剪强度指标的确定方法

李聚兴 韩胜杰 周鹏程 谢方媛

（河北省水利水电第二勘测设计研究院 河北石家庄 050021）

本文针对土体抗剪强度指标的取值原则、计算误区、计算方法、取值方法对比等进行分析。土体抗剪强度指标是否合理，对工程质量的安全和经济影响较为巨大，应该认真对待。

土体 抗剪强度 标准

在土石坝及渠道等边坡稳定分析中，土体抗剪强度指标c、φ是两个非常重要的参数，它直接关系到工程的安全和经济。众所周知，土体抗剪强度指标c、φ值是在土工试验的基础上，对试验数据进行分析、统计计算后确定的。然而，即使对同一组土工试验数据，不同的统计计算方法会得出不同的抗剪强度指标值，而且差别很大，进而对工程设计产生巨大影响。因此，如何按照规范要求，科学合理地选择这两个参数，需要仔细研究并慎重对待。

1 抗剪强度指标的取值原则

按照《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001和DL5395-2007）的规定，抗剪强度指标宜采用小值平均值（小于平均值的数值的平均值）。这一点与其他行业工程勘察规范不同，应引起水工设计人员的注意。

按照《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）的规定，尚需将此小值平均值作为标准值，然后再根据土样岩性、岩相变化、试样代表性、实际工作条件与试验条件的差别，对标准值进行调整，提出地质建议值。

单从字面来看，似乎地质勘察规范的建议值更为合理，但实际上由于每个人的经历、经验不同，致使抗剪强度指标建议值受人为因素影响较大，甚至有为了弥补经验不足或过程缺陷而越来越保守的趋势。笔者认为，对于土体抗剪强度指标，人为干预主要应发生在试验土样采取、试验设备整理、试验操作技巧、有效土样选择等前期工作方面，试验得到的有效数据不应再受人为因素影响。另外，当设计规范有明确要求时，工程设计人员应当尊重设计规范，取小值平均值作为设计值。过分保守不符合设计规范的指导原则。设计规范已考虑了合理的工程安全裕度，不必在过程环节中再层层加码。

2 抗剪强度指标小值平均值的确定

按照土体抗剪强度计算公式：

其中，τ为土的抗剪强度

σ为法向总应力

c、φ为土体抗剪强度指标

每组土体试样均可得到一条抗剪强度包线。现在的问题是：在多条抗剪强度包线中，如何按照小值平均值的取值原则，合理计算出抗剪强度指标c、φ值。

目前有一些人员在c、φ值的选取上，受其他行业及沿习的影响，往往直接对各条抗剪强度包线的c、φ值取小值平均值。笔者认为这样做是不合适的，主要理由如下：

一是没有规范依据。在地质勘察规范GB50487-2008中，明确要求取抗剪强度峰值的小值平均值。也就是说，地质勘察规范要求对抗剪强度τ取小值平均值，而不是直接对抗剪强度指标c、φ取小值平均值。另外，《碾压式土石坝设计规范》（DL5395-2007）附录E.1.2.2

载明：从每组抗剪强度包线中，查得相当于法向应力的剪阻力共4～6组，取各组的小值平均值，由它们与相应的法向应力绘出强度包线，定出强度指标。

二是物理意义不明确。在土工试验过程中，抗剪强度τ的物理意义非常明确，而抗剪强度指标c、φ的物理意义不确切，它们仅是τ～σ关系式中的两个数学参数而已，因此对c、φ取小值平均值不能直观反映土体的抗剪可靠度。

三是抗剪强度指标的可靠度失真。实际勘察试验表明，即使是同一土层，各组土样的粘粒含量不同，甚至差别很大。土样粘粒含量高时， c值大而φ值小，粘粒含量低时，则c值小而φ值大，但τ值变幅较小。如果直接对c、φ取小值平均值，则土的抗剪强度被人为降低。

如在某渠道工程设计中，第55工程地质段为上更新统上段冲洪积黄土状壤土，干重度16.1kN/m3、标贯击数5.5击，挖方渠段，饱和快剪有效试验土样21组，见表1。从表1可以发现试验成果离散性较大：c值过低时，φ值偏大（如HQK358E孔7号样，c=6.0kPa，φ=22.11°）；c值偏高时，φ值偏小（如HSWK1孔1号样，c=40.7kPa，φ=6.9°）。

表1 土样试验数据及抗剪强度指标计算表

通过计算可知：直接对21组土样的c、φ值取小值平均值，得出：c=8.4kPa，φ=8.47°；通过对抗剪强度τ取小值平均值，得出：c=17.35kPa，φ=9.5°。假如对同一渠道断面进行渠坡稳定计算，当采用抗剪指标c=8.4kPa，φ=8.47°时，渠道安全坡比为1:6；当采用抗剪指标c=17.35kPa，φ=9.5°时，渠道安全坡比为1:3。由此可见，两种统计计算方法所得的土体抗剪强度指标，对工程设计会产生巨大影响。

3 抗剪强度指标的计算方法

正确的抗剪强度指标计算方法是按照小值平均值的计算原则，先计算出不同压力下的抗剪强度的小值平均值，以此抗剪强度小值平均值和对应的压力进行适线，得到抗剪强度包线，此抗剪强度包线对应的c、φ值即为抗剪强度指标。以上述第55工程地质段为例，分别对21组抗剪强度包线中法向应力P=100，200，300，400kPa所对应的抗剪强度取小值平均值，得到S=31.5，54.9，67.6，83.2kPa，以此4组数据进行适线，得到抗剪强度包线如图1。包线在S轴的截距即为强度指标c，与P轴的夹角即为强度指标φ。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.007

TV312

B

1672-2469(2014)12-0017-02

李聚兴（1958年—），男，教授级高级工程师。