甘肃省会宁县跨祖厉河大桥地基土的快剪与固结快剪比对试验分析

张 程

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

1 引言

工程勘察设计工作中，计算承载力及评价地基的稳定性时都要用到地基土的抗剪强度参数（内摩擦角φ，粘聚力c）。室内测定土体抗剪强度参数的方法有快剪和固结快剪，快剪试验分为原状快剪试验和饱和快剪试验，固结快剪试验分为原状固结快剪试验和饱和固结快剪试验。通过这四种剪切试验获取土体的黏聚力和内摩擦角。对上述四组试验数据进行统计分析、比对、拟合，通过固结快剪试验得出的抗剪强度参数（黏聚力c、摩擦角φ）与直接快剪实验得出的抗剪强度参数存在较强的相关性。

2 工程概况

会宁县祖厉河生态长廊建设康家河至张湾道段跨祖厉河桥梁工程位于会宁县城下游约10 km 的柴家门镇河段上，拟新建三座桥梁，三座桥梁桥基所处的地层条件基本相同，均属黄土地层。2020年11 月，我公司开展了祖厉河大桥桥基土的快剪与固结快剪比对试验分析。

3 土样来源及试验项目

祖厉河桥梁工程三座桥基共布置八个钻孔，分别为ZK1、ZK2、ZK3、ZK4、ZK5、ZK6、ZK7、ZK8。先完成桥基土样的物理性质试验，包括含水率、干密度、饱和度、颗粒分析等，然后进行抗剪强度参数试验，包括原状快剪、饱和快剪、原状固结快剪和饱和固结快剪试验。

4 土样试验

4.1 物理性质试验

根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）土的物理性质试验方法进行试验，所得成果见表1。

表1 祖厉河桥梁工程土样物理性质试验成果表

4.2 直接剪切试验

4.2.1 仪器设备

直接剪切试验设备采用应变控制式直剪仪，包括剪切盒（水槽、上剪切盒、下剪切盒），垂直加压框架，负荷传感器及推动机构等。其他：位移计（百分表）量程5 mm～10 mm，分度0.01 mm，饱和器，削土刀，滤纸，秒表等。

4.2.2 土样制备

每个钻孔土样为1 组，共8 组，每组土样制备4 份。原状土土样制备时应小心开启原状土样包装皮，辨别土样上下层，整平土样两端，切土方向与天然层次垂直，切取试样，试样与环刀应密合。当不立即进行试样，应将试样暂存于保湿器内。饱和土样制备时选用框式饱和器，在装有试样的环刀两面贴放滤纸，再放两块大于环刀的透水板于滤纸之上，通过框架两端的螺丝将透水板、环刀加紧。将装好试样的饱和器放入水箱中，注入清水，水面不宜将试样淹没，盖上箱盖，饱和约需3 d。

4.2.3 试验步骤

（1）快剪试验

1）对准上下盒，插入固定销，放入不透水板，将试样徐徐推入剪切盒内。

2）转动手轮，使盒前端钢珠与负荷传感器接触，调整传感器读数为0，顺次加上加压盖板，加压框架。

3）施加垂直压力后，拔去固定销。开动秒表，采用0.8 mm/min～1.2 mm/min 的速度剪切，4r/min～6r/min 的均匀速度旋转手轮，使试样在3 min～5 min 的时间内减损。

4）剪切结束后，倒转手轮，移去垂直压力，取出试样。

（2）固结快剪试验

1）试样安装按照快剪试验（1）、（2）的步骤进行。

2）在试样施加规定垂直压力后，侧记垂直变形读数。当每小时垂直变形读数变化不大于0.005mm 时，认为已达到固结稳定。

3）试样达到固结稳定后，按快剪试验（3）、（4）步骤进行。

5 试验结果比对分析

5.1 快剪、固结快剪试验结果比对

（1）通过快剪、固结快剪试验，得出8 组土样试件32 次试验的数据，试验成果见表2、表3。

表2 原状土样快剪、固结快剪的垂直压力与抗剪强度试验数据表

表3 饱和土样快剪、固结快剪的垂直压力与抗剪强度试验数据表

（2）根据原状、饱和土样抗剪强度S与垂直压力p 的关系曲线计算出每组土样的黏聚力c 和摩擦角Ф，见表4。

表4 土样快剪、固结快剪试验成果比对表

6 试验结果拟合

（1）用表4 的数据，将原状快剪黏聚力作为横坐标，原状固结快剪黏聚力作为纵坐标，绘制原状样黏聚力拟合曲线，见图1。

图1 原状样黏聚力拟合曲线

（2）用表4 的数据，将原状快剪摩擦角作为横坐标，原状固结快剪摩擦角作为纵坐标，绘制原状样摩擦角拟合曲线，见图2。

图2 原状样摩擦角拟合曲线

（3）用表4 的数据，将饱和快剪黏聚力作为横坐标，饱和固结快剪黏聚力作为纵坐标，绘制饱和样黏聚力拟合曲线，见图3。

图3 饱和样黏聚力拟合曲线

（4）用表4 的数据，将饱和快剪摩擦角作为横坐标，饱和固结快剪摩擦角作为纵坐标，绘制饱和样摩擦角拟合曲线，见图4。

图4 饱和样摩擦角拟合曲线

7 试验成果分析

7.1 土样物理性质试验结果分析

从土的物性试验成果可以得出：土样的饱和度为94.8%～100%，平均值98.5%，表明原状土样饱和程度极高，接近于饱和状态。液限为28.9%～35.3%，均小于50%，塑性指数为16.4%～20.6%，均大于10%，按分类均为低液限粘土；颗分试验中，砂粒含量为4.3%～18.8%，平均值11.8%；粉粒含量为51.8%～70.1%，平均值60.7%；粘粒含量为21.1%～32.5%，平均值27.5%。土样中以粉粒为主，粘粒、砂粒次之。按SL251-2015水利水电工程天然建筑材料勘察规程，定名为重粉质黏土和粉质黏土。

7.2 土样快剪、固结快剪拟合试验分析

由图1、图2、图3、图4 可看出：原状固结快剪黏聚力随着原状快剪黏聚力的增大而增大，原状固结快剪摩擦角随着原状快剪摩擦角的增大而增大。饱和固结快剪黏聚力随着饱和快剪黏聚力的增大而增大，饱和固结快剪摩擦角随着饱和快剪摩擦角的增大而增大。快剪试验与固结快剪试验之间有明显的相关规律，拟合曲线呈线性相关关系，且拟合精度均大于0.8，表明图中数据具有强的相关性，拟合程度较为理想。

7.3 土样快剪、固结快剪比对试验成果

祖厉河桥梁工程的试验结果表明：快剪试验的黏聚力提高13%后基本接近固结快剪试验的黏聚力，快剪试验摩擦角提高10%后基本接近固结快剪摩擦角；饱和快剪黏聚力提高16%后基本接近饱和固结快剪黏聚力，饱和快剪摩擦角提高11%后基本接近饱和固结快剪摩擦角。由此可见，通过快剪试验可估算出固结快剪试验的黏聚力、摩擦角数据。

8 结论

土样固结快剪的黏聚力、摩擦角均大于快剪试验的数据。两者存在相关性，当固结快剪试验条件缺乏或要求在很短的时间内提供土体固结快剪抗剪强度数据，可利用快剪试验数据估算出固结快剪的相应数据，供设计人员参考使用。