土的抗剪强度工程应用探讨

樊 易 洲

(中北大学，山西 太原 030051)



土的抗剪强度工程应用探讨

樊 易 洲

(中北大学，山西 太原 030051)

介绍了土的抗剪强度与抗剪强度指标的概念，从地基承载力、基坑工程、路基稳定性等方面，阐述了土的抗剪强度在工程中的应用，为同类工程的设计和施工提供参考。

抗剪强度，抗剪强度指标，地基承载力，基坑，路堤

土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的能力[1，2]。土力学中，采用摩尔—库仑强度准则，用内摩擦角和内聚力两个指标描述土的抗剪强度规律[3]。但是由于测定方法的不同，得到的内摩擦角和内聚力这两个强度指标的数值固然不同，有时候会相差很大[4]。本文针对这种情况进行了土的抗剪强度的工程应用探讨。

1 土的抗剪强度的概念

抗剪强度和抗剪强度指标是两个不同的概念，抗剪强度指标是土体的固有性质，抗剪强度是在一定的应力条件下，土体滑动面上抵抗滑动的总强度。在室内试验中，可以用直剪试验或三轴试验来测定土的抗剪强度指标；对粗粒土应当用大尺寸的仪器或现场大型直剪试验测定；对软土，可以用原位试验测定。测试方法的不同导致了测试结果的数值有较大的差距[5,6]。

2 地基承载力中土的抗剪切强度问题探讨

建筑物对地基施加荷载后，地基产生滑动的趋势，在滑动面上由土的抗剪强度抵抗外荷载引起的应力[5]。地基承载力计算公式分为两类：

一类是地基极限承载力公式：

其中，Nγ，Nq，Nc均为地基承载力系数，都是土的内摩擦角的函数。

软土不固结不排水φ=0；其中极限承载力下Nc=5.14，Nq=1.0，Nγ=0。

另一类是容许承载力公式，如《建筑地基基础设计规范》所采用的公式:

p1/4=BγNγ+γDNq+cNc。

Skempton地基极限承载力公式：

pu=(1+0.2b/l)(1+0.2d/b)Ncc+γ0d。

某储粮食筒仓的结构自重为39 000kN，可装粮食21 900kN。结构自重产生的基础底面压力为77kPa，总荷载(结构自重加储粮食重量)产生的基础底面压力为129kPa。工程实例分别采用固结不排水试验指标和不固结不排水试验指标计算地基极限承载力。取直剪试验结果的内摩擦角φ=12°，粘聚力c=13kPa时，用Hansen公式求得极限承载力等于212kPa。原位十字板剪切试验结果粘聚力cu=23kPa时，求得极限承载力等于139kPa。

原位十字板强度相当于土的天然强度，适用于加荷速度很快，地基土来不及排水固结时的地基稳定验算。对于正常的施工期来说，由于加荷速度比较慢，采用不固结不排水强度指标就低估了地基承载力；固结不排水试验强度反映了地基固结对强度的影响，如果用于快速加荷条件下的地基承载力计算，则过高地估计了地基承载力，得到了偏于危险的计算结果。

采用固结不排水试验指标计算得到的安全系数为1.80，与安全系数的一般经验值相比已经是偏小了。如按一般考虑取安全系数为2，则得容许承载力103kPa，而基底压力已达117kPa，显然即使没有快速装粮食，这个设计也是偏于不安全的。

如果考虑到由于装粮食的时间很短，地基土来不及排水固结，则应采用不固结不排水试验指标验算。按不固结不排水指标得到的安全系数只有1.11，已经临近极限状态了。当然，这个估计是偏于保守的。

因为实际的情况可能介于两者之间。即结构自重部分的加荷速度比较慢，施工结束后又有6个月的间歇时间，可以考虑部分的排水固结，而活载加荷速度又很快，后一部分加荷过程中不应考虑强度的增长。则实际的安全系数应当介于上述两种情况的安全系数1.12～1.69之间。

3 基坑工程土压力中土的抗剪切强度问题探讨

土压力的计算也需要用土的抗剪强度指标[5]，在基坑工程设计中，土压力是作用于基坑支护结构上的侧向荷载，土压力估计值的大小直接影响基坑工程设计的安全与经济。

目前一些地区的工程经验是建立在采用直剪固快强度指标的基础上，关于计算土压力时如何考虑地下水作用的问题是十分重要的，存在不同的方法，分为水土分算和水土合算。

有效应力法为地下水的作用单独考虑，则土压力采用浮重度计算，内摩擦角也采用有效内摩擦角，即按有效应力原理计算。

总应力法分为水土分算和水土合算，水土分算为地下水作用单独考虑，土压力用浮重度计算，但内摩擦角则用总应力指标计算。

水土合算为地下水的作用合在土的重度中反映，故采用饱和重度计算，内摩擦角也采用总应力指标。

一般来讲对于开挖深度在5m左右的基坑，若干对比数据的计算表明，采用总应力指标计算的土压力与采用有效指标计算的土压力基本相当(见表1)。

表1 总应力指标和有效应力指标计算结果比较

在砂土和粉土层中，用砂土分算的方法计算围护结构上的侧向压力，砂土或粉土的总应力指标与有效指标接近；在粘性土层中，采用水土分算的方法计算，可用总应力指标计算；在有经验时，也可采用水土合算的方法计算。在基坑开挖时，基坑外侧如果不考虑地下水位的变化，竖向的自重应力保持不变，水平方向的应力减少，随着开挖深度增加，水平应力逐步减小，直至主动土压力状态。这个变化过程可以用减少试样侧压力的方法进行模拟，在三轴仪上，保持轴向压力不变而减少侧压力，直至试样破坏，即卸荷试验；也可以采用保持侧压力不变，增大轴向压力，直至试样破坏，即压缩试验。由表2可知，同样取土深度的土样，压缩试验得到的被动土压力较卸荷试验得到的被动土压力大。

表2 两种试验指标计算的结果

4 路堤填土稳定性问题探讨

路堤填土稳定性和抗剪强度指标的关系选择测试和计算的堤底宽24 m,边坡1∶1.5，纵向长度20 m，坡度1∶4。

表3 原位应力总强度参数和计算的安全系数比较

表3表明了除三轴不固结不排水强度指标外，其他试验指标计算的安全系数与实际情况都比较接近。

5 结语

本文探讨了土的抗剪强度指标在地基承载力、基坑土压力以及路基稳定性中的应用，由于测试土的抗剪强度指标的方法不同，导致了不同的抗剪强度的试验结果，以这个结果去计算地基承载力、基坑土压力和路堤稳定性，其结果当然不同，本文通过一些计算和实测显示了不同的测试方法考虑的加载历时、水土作用以及加卸载等等的不同导致最终计算的安全系数不同，验证了一些测试方法的适用性，以便为同类工程设计和施工提供参考。

[1] 蔡 建.原状土的抗剪强度研究[J].岩土力学，2012,33(7)：1965-1977.

[2] 蔡 建.土的卸载抗剪强度[J].岩土工程学报,2006,28(5)：606-610.

[3] 黄文熙.土的工程性质[M].北京:水利电力出版社,1983.

[4] 魏汝龙.软黏土的强度和变形[M].北京:人民交通出版社,1987.

[5] 殷志建,张诚大,关文光.土力学与地基基础[M].北京:中国建筑工业出版社,1980.

[6] 洪毓康.土质学与土力学[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，在读本科生

TU432

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