软土勘察中各种强度指标机理与分析评价

朱 墩

(上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司勘察设计院，上海市 200092)

0 引言

软土包括淤泥及淤泥质土,是指在相对缓慢的流水环境中沉积形成的黏性土,其含水量高，且大于液限,空隙比大于1.0,压缩系数大于0.5,强度低。软土作为特殊性土,有其固有的特征,主要表现为:（1）含水量高,均处于饱和状态,一般在40%～70%;（2）处于流塑～流动状态;（3）空隙比大,一般大于1.0,甚者至2.0;（4）压缩性大;（5）渗透性差,固结时间长;（6）强度低;（7）灵敏度高,易扰动且结构破坏后强度极低;（8）有机质含量一般较高。

对岩土设计人员而言，理解勘察试验方法和相应的强度参数适用场合与条件，对不同指标计算所得出的安全度评价，对岩土工程概念设计意义重大[1-3]。不同试验方法得出不同强度指标的原因不同，室内试验与原位试验的关系、试验条件与实际工程情况的关系、不同排水和固结条件与现场条件结合都很重要，认清这些关系，对设计人员尤为重要。

1 不同强度指标试验条件

以软土地区基坑工程为例，在其稳定性验算中，主要涉及到强度指标的选取。测定土的抗剪强度指标的试验方法主要有直接剪切试验、三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验。

1.1 直接剪切试验

为测定土的抗剪强度的最简单方法，通过固定剪切面和采用不同加荷速率的试验方法来近似模拟土体在受剪时的不同排水条件，分别得出直剪快剪、直剪固结快剪和直剪慢剪。

快剪：对试样施加竖向压力后，立即以0.8 mm/min的剪切速率快速施加水平剪应力使试样剪切破坏。一般从加载到土样剪坏只需3～5min，相当于“不排水剪切”过程，指标用cq、φq表示。

固结快剪：固结快剪是在对试样施加竖向压力后，让试样充分排水固结，待沉降稳定后，再0.8 mm/min的剪切速率快速施加水平剪应力使试样剪切破坏。试验相当于“固结不排水剪”过程。抗剪强度指标用ccq、φq表示。

慢剪：慢剪试样是在对试样施加竖向压力后，让试样充分排水固结，待沉降稳定后，以小于0.02 mm/min的剪切速率施加水平剪应力直至试样剪切破坏，使试样在受剪过程中一直充分排水和产生体积变形，模拟了“固结排水剪切”过程，得到的抗剪强度指标用cs、φs表示。

图1为固结快剪抗剪强度与垂直压力关系曲线。

图1 固结快剪抗剪强度与垂直压力关系曲线

1.2 三轴压缩试验

相应的，对三轴强度试验，通过控制土样在周围压力作用下固结条件和剪切时的排水条件，也可以得出三轴条件下的不固结不排水剪、固结不排水剪和固结排水剪三种试验。三轴试验的突出优点是能够控制排水条件以及可以量测土样中孔隙水压力的变化。此外，三轴试验中试样的应力状态也比较明确，剪切破坏时的破裂面在试样的最弱处，而不像直剪试验那样限定在上下盒之间。一般来说，三轴试验的结果还是较直剪试验更为可靠。

（1）不固结不排水剪（UU试验），试样在施加周围压力和随后施加偏应力直至剪坏的整个试验过程中都不允许排水，即从开始加压直至试样剪坏，土中的含水量始终保持不变，孔隙水压力也不会消散。UU试验得到的抗剪强度指标用cu、φu表示，这种试验方法所对应的实际工程条件相当于饱和软黏土中快速加荷时的应力状况（见图2）。

（2）固结不排水剪（CU试验），在施加周围压力σ3时，将排水阀门打开，允许试样充分排水，待固结稳定后关闭排水阀门，然后再施加偏应力，使试样在不排水的条件下剪切破坏，CU试验得到的抗剪强度指标用 ccu、φcu表示（见图 3）。

（3）固结排水剪（CD试验），在施加周围压力及随后施加偏应力直至剪坏的整个试验过程中都将排水阀门打开，并给予充分的时间让试样中的孔隙水压力能够完全消散。CD试验得到的抗剪强度指标用 cd、φd表示。

1.3 无侧限抗压强度试验

图2 不固结不排水剪（UU试验）关系曲线及强度包线

图3 固结不排水剪（CU试验）应力差强度包线

无侧限抗压强度试验是三轴压缩试验中周围压力σ3=0的一种特殊情况，所以又称单轴试验。饱和黏性土的三轴不固结不排水试验结果表明，其破坏包线为一水平线，即φu=0。因此，对于饱和黏性土的不排水抗剪强度，就可利用无侧限抗压强度qu来得到。无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软黏土的抗剪强度指标。土的灵敏度愈高，其结构性愈强，受扰动后土的强度降低就愈多。黏性土受扰动而强度降低的性质，一般说来对工程建设是不利的，如在基坑开挖过程中，因施工可能造成土的扰动而会使地基强度降低。图4为无侧限抗压强度试验关系曲线及灵敏度。

图 4无侧限抗压强度试验关系曲线及灵敏度（st）

2 不同强度指标解释

不固结不排水剪指标，这种试验方法所对应的实际工程条件相当于饱和软黏土中快速加荷时的应力状况，可以模拟迅速加卸载情况，如基坑迅速开挖，软土地基迅速加载，软土边坡迅速开挖，在这种工程条件下，加卸载行为引起的孔压变化不会马上消散。

固结不排水剪其适用的实际工程条件为一般正常固结土层在工程竣工或在使用阶段受到大量、快速的活荷载或新增荷载的作用下所对应的受力情况，在实际工程中经常采用这种试验方法。如在正常固结地基中计算桩的承载力、基坑土压力和基坑整体稳定以及搞隆起稳定性等。固结排水剪适用于砂土地基条件或施工速率非常缓慢时的各种岩土工程稳定性计算，如验算路堤长期稳定性[4，5]。

无侧限抗压强度试验除给定强度指标外，还可以评价土的灵敏度，灵敏度愈高，其结构性愈强，受扰动后土的强度降低就愈多。黏性土受扰动而强度降低的性质，一般说来对工程建设是不利的，如在基坑开挖过程中，因施工可能造成土的扰动而会使地基强度降低。

3 结语

总体而言，根据不同试验类型，软土可以有多种强度试验指标。对软土工程勘察而言，具体进行何种试验和在岩土工程分析评价中建议使用哪种指标，需要结合具体工程条件给出相应的强度指标，避免在勘察报告中提供不适用具体工程的强度指标，以避免给工程设计带来不必要的负面影响，从而保证勘察成果质量。

[1]包伟力,周小文.地基强度随固结度增长规律的试验研究[J].长江科学院院报,2001(4):29-31.

[2]孔德金,苗中海.软粘土抗剪强度增长规律[J].岩土工程学报,1999(6):757-759.

[3]沈珠江.软土工程特性和软土地基设计[J].岩土工程学报,1998(1):100-110.

[4]房后国,肖树芳,汪士锋.天津地区海积软土结构强度及其对力学特性的影响[J].吉林大学学报,2002(1):73-76.

[5]王志亮.软基路堤沉降预测和计算[D].南京：河海大学,2004.