粘性土不同剪切方法所求指标对比

崔文良 （安徽省城建设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230001）

1 引言

抗剪强度试验分为直剪试验与三轴剪切试验。根据排水条件的不同，三轴试验分为不固结不排水（UU）、固结不排水（CU）和固结排水（CD）试验，直剪试验分为快剪、固结快剪和慢剪试验［1］。

直剪试验有不能严格控制试样排水，破坏面人为固定等缺点。对于均匀各向同性的土，直剪试验是三轴试验的一种特殊情况，两种试验的结果基本可以相互对应［2］。可通过对三轴试验的研究，来粗略比较直剪试验抗剪强度指标大小。

土的抗剪强度影响因素很多，亨开尔等学者证实，对于同一种正常固结或超固结的饱和粘性土，剪切破坏时土样的密度和强度间存在唯一性关系，与其他因素无关，即密度越大强度越大，这一规律称为“密度-有效应力-抗剪强度”唯一性关系［3］。

在三轴试验中，当有效围压（当今试验围压）大于等于先期固结压力时，称土样处于正常固结状态，而当有效围压小于先期固结压力时，则称土样处于超固结状态。

2 三轴试验抗剪强度包线

2.1 正常固结状态

历史上从未受过任何应力固结的饱和粘性土，为很软的泥浆，先期固结压力为0，加载时土样会一直处于正常固结状态。当围压等于0，抗剪强度为0，UU、CU和CD抗剪强度包线通过坐标原点［3］。

UU试样始终没有固结排水，密度没有变化，根据“密度-有效应力-抗剪强度”唯一性关系，不管施加的围压有多大，破坏时土的抗剪强度必定相同。因此总应力抗剪强度包线是一条水平线。太沙基1932年所做三轴试验得到的就是这个结果。但通常由于土试样的饱和度没有达到100%，UU抗剪强度包线会出现一个比较小的倾角，但这个倾角是由气泡的压缩所致，并不真的存在这个内摩擦角［2］。

CD与CU发生固结，按照密度大，抗剪强度大的规律，抗剪强度包线向上倾斜。且CD固结更彻底，所以CD在CU抗剪强度包线之上。

2.2 超固结状态

UU试验目的是得到在实际地层中天然土体的强度，因此从地层中取出来的土样应尽量保证不扰动不回弹。试验中试样始终没有固结排水，密度没有变化，则总抗剪强度不变，抗剪强度包线是一条水平线，大小等于CU试验中土样在先期固结压力下的总抗剪强度。由于很难保证土样不回弹（密度不减小），实际UU抗剪强度包线应向下平移一小段，如图1所示。

CU与CD应结合实际工程需要，考虑是否严格要求土样不回弹，如在较大面积的1层填方作用下填方和地基土已经固结，然后又施加2层填方的情况下，用到的是围压大于先期固结压力的抗剪强度，土体回弹没有必要做出要求。

超固结段土是经过固结排水的，实际密度大于正常固结时的密度。按照密度大，抗剪强度大的规律，超固结段在正常固结段的抗剪强度曲线之上。

CU在围压小于先期固结压力且接近0进行剪切时，土样发生剪胀，出现负的孔隙水压力，有效应力等于总应力减去负孔隙水压力，有效应力圆（即CD应力圆）应在总应力圆右边，围压接近先期固结压力时，孔隙水压力一般会变为正值，有效应力圆应在总应力圆左边。CU与CD抗剪强度包线最终呈现图1所示“交叉”式曲线。

图1 土的抗剪强度包线

2.3 总结

综上并结合经验，粘性土的三轴试验抗剪强度指标大小关系一般为（UU，CU抗剪强度指标指总抗剪强度指标）：

内摩擦角CD>CU>UU，粘聚力为UU>CU≥CD。

上述大小关系，对正常固结段和超固结段均适用，当试验时所取围压分布在先期固结压力两侧时，CU、CD两段抗剪折线包线简化成一条包线，抗剪强度指标依然满足上述大小关系。

其实土的抗剪强度包线并不是一条直线，受滑动摩擦、剪胀、挤碎和重排列等各种因素影响，只是根据试验结果我们把它简化成一条直线。

另外，一般不取围压很小时进行试验，受各种因素影响，在极低围压下的三轴试验误差很大。

其实，图1将同一种土的UU、CU和CD抗剪强度包线画在一个坐标系是不十分准确的，UU试验目的是得到土体的天然抗剪强度指标，在取样制样过程中应尽可能保持试样不扰动不回弹。而CU和CD根据实际工程条件及所取的围压范围不同，土体的回弹有时影响不大，一般对回弹不做要求，也有要求土样充分回弹进行试验的。也就是说其实UU与CU和CD试验要求的试样并不完全一致。

3 其他抗剪强度指标大小比较

直剪试验不能严格控制试样排水，破坏面人为固定，剪切面应力状态复杂，应力和应变分布不均，导致直接剪切试验的快剪、固结快剪和慢剪测得的抗剪强度指标大小关系只能近似等于三轴试验的大小关系。

经验表明，由于试验仪器和方法的不同，直接剪切所得抗剪强度指标一般略高于三轴试验的抗剪强度指标，常乘以0.9的系数［3］。

非饱和土中由于基质吸力［4］的存在，抗剪强度指标比饱和后（孔隙比不变）的抗剪强度指标大。

4 试验验证

由于非饱和土的理论依据不成熟，直剪试验各种条件难以控制，这里只进行三轴试验CD、CU和UU抗剪强度指标的大小关系的验证。

工程上的天然土要复杂得多，应力历史不明，均匀性有一定偏差，取土质量难以完全保证。因此实验室制备一种合肥地区取土的重塑饱和粘性土，塑性指数20，灰黄色。将其按照先期固结压力为150kPa进行固结后并卸压，得到“固结饱和粘性土”。

采用同一试验人员，同一设备，同时间地点环境进行试验。每种试验进行10组并取平均值。最终结果如表1，满足上述三轴试验抗剪强度指标大小的结论。

表1

5 总结

上述结论是在理想状态与大量假设的前提下，并参考大量的实际工程经验得出的。因为实际试验影响因素众多，很多试验结果与上述结论不符也属正常。

本结论对于试验数据处理人员有一定的参考价值。在进行日常试验生产时，应以实际试验数据为主，并结合本结论，作为数据取舍修改或重新试验的依据。

抗剪强度不同于抗剪强度指标。抗剪强度指标是用来计算抗剪强度的。不同的试验条件，得出的抗剪强度指标是不同的。

土的抗剪强度机理及影响因素十分复杂，不能将粘聚力与内摩擦角截然分开。在形式上分开，只是基于分析和解决问题的方法。土的土抗剪强度库伦公式为：τf=c+σtanφ，工程上直接使用抗剪强度τf也是可行的［5］。