软粘土地基土体抗剪强度若干问题

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1 第 33 卷第 0 期岩土工程学报 Vol.33 No.0 20 年.0 月 Chinese Jornal o Geotechnical Engineering Oct. 20 软黏土地基土体抗剪强度若干问题 龚晓南 ( 浙江大学岩土工程研究所, 浙江杭州 30058) 摘 要 : 针对不少土力学教材和规范规程认为由 UU 试验得到的是饱和黏性土的抗剪强度指标, 将黏性土不排水抗剪 强度视为土的抗剪强度指标的错误概念, 首先分析了土的抗剪强度和抗剪强度指标之间的区别, 然后通过分析三轴固 结不排水剪切试验和土的抗剪强度指标的测定, 三轴不固结不排水剪切试验和土的不排水抗剪强度的测定, 讨论了黏 性土不排水抗剪强度和抗剪强度指标之间的区别 通过软黏土地基中土体的抗剪强度及测定方法的讨论, 再次说明了 黏性土不排水抗剪强度和抗剪强度指标之间的区别 最后提出岩土工程稳定分析四者相匹配原则 通过讨论分析, 澄 清了一些模糊概念, 有利于提高岩土工程分析水平 关键词 : 抗剪强度 ; 抗剪强度指标 ; 不排水抗剪强度 ; 不固结不排水三轴试验 ; 稳定分析 中图分类号 :TU473 文献标识码 :A 文章编号 : (20) 作者简介 : 龚晓南 (944 ), 男, 浙江金华人, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事软黏土工程学领域的研究 xngong@hzcnc.com Some problems concerning shear strength o soil in sot clay grond GONG Xiao-nan (Institte o Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzho 30058, China) Abstract: Some concepts o shear strength and shear strength parameter, ndrained shear strength and nconsolidatedndrained triaxial test are wrong in some soil mechanics textbooks and geotechnical engineering codes. The dierences between the shear strength and the shear strength parameter are irstly discssed. Then the shear strength parameters determined by means o the consolidated ndrained triaxial tests and the ndrained shear strength determined by nconsolidated-ndrained triaxial tests are analyzed. The dierences between the ndrained shear strength and the shear strength parameter o the sot clay are discssed. With the discssion abot determination o the shear strength in the sot clay grond, the dierences between the ndrained shear strength and the shear strength parameter o the sot clay are discssed again. Finally, the stability analysis method, calclation parameters, determination method o calclation parameters and saety actor are coincided in the stability analysis o geotechnical engineering. Key words: shear strength; shear strength parameter; ndrained shear strength; nconsolidated- ndrained triaxial test; stability analysis 0 引言 2008 年在 地基处理 一题一议拦目中以 从某勘测报告不固结不排水试验成果引起的思考 为题, 着重分析了由不固结不排水剪切试验 (UU 试验 ) 得到的饱和黏性土不排水抗剪强度与土的抗剪强度指标之间的区别 ;2009 年在成都召开的第三届岩土工程大会上作了题为 由三轴不固结不排水剪切试验 (UU 试验 ) 成果引起的思考 的主题报告, 再次分析了饱和黏性土不排水抗剪强度与土的抗剪强度指标之间的区别 我的学生对国内出版的数十本土力学教材 不少规范规程作了调查分析, 认为由 UU 试验得到的是饱和黏 性土的抗剪强度指标, 将黏性土不排水抗剪强度视为土的抗剪强度指标的占绝大多数 近年笔者多次向同行请教 讨论, 阐述自己的观点并均得到支持 不少专家建议让笔者在 岩土工程学报 上展开讨论, 澄清概念, 纠正模糊认识 下面就土的抗剪强度和抗剪强度指标, 三轴固结不排水剪切试验和三轴不固结不排水剪切试验, 软黏土地基中土体的抗剪强度及测定方法, 以及岩土工程稳定分析 4 者相匹配原则 4 个方面谈点个人意见 抛砖引玉, 不妥之处请指正 土的抗剪强度和抗剪强度指标

2 第 0 期龚晓南, 等. 软黏土地基土体抗剪强度若干问题 597. 莫尔 库伦强度理论 与钢筋混凝土等工程材料不同, 土是摩擦型材料, 可釆用 Mohr-Colomb 强度理论 根据 Mohr-Colomb 强度理论, 土的抗剪强度表达式为 式中 c tan () c 为土体黏聚力 ; 为土体内摩擦角 ; 为剪 切面上的法向应力 由式 () 可知, 土的抗剪强度可分为二部分 : 一 部分与颗粒间的法向应力有关, 其本质是摩擦力 ; 另 一部分是与法向应力无关, 称为黏聚力 式中 c 和 称 为抗剪强度指标 土的抗剪强度可由土中应力和它的 抗剪强度指标计算得到 在 平面上,Mohr-Colomb 强度理论的屈服面 如图 所示 在图 上还给出了双剪应力强度理论的 屈服面 已经从理论上证明稳定材料在 平面上所有 的屈服面均处于 Mohr-Colomb 屈服面和双剪应力屈 服面之间,Mohr-Colomb 屈服面是所有可能存在的 屈服面的内包络面, 而双剪应力屈服面是外包络面, 如图 所示 [-2] 图 稳定材料在 平面的屈服面 Fig. Yield srace o stability material in -plane 由图 可以看出, 用 Mohr-Colomb 强度理论来 描述材料的破坏性状是偏安全的 虽然很多强度理论 在理论上比 Mohr-Colomb 强度理论进步, 有些土体 的真实性状更接近其他的强度理论, 但是由于 Mohr-Colomb 强度理论的屈服面是所有可能存在的 屈服面的内包络面, 因此应用 Mohr-Colomb 强度理 论是安全可靠的, 而且 Mohr-Colomb 强度理论表达 形式简单, 物理概念容易理解, 实用性好, 所以目前 在实际工程中得到广泛应用的仍然是 Mohr-Colomb 强度理论.2 抗剪强度和抗剪强度指标 土是摩擦型材料, 土的抗剪强度是指土抵抗土体 颗粒间产生相互滑动的极限能力 根据 Mohr-Colomb 强度理论和有效应力原理, 土的抗剪强度 可以用有效应力表示, 也可以用总应力表示, 其表达式分别为 收稿日期 : 或 式中 c tan c tan, (2) c tan (3), 分别为剪切面上的总法向应力和法向有 效应力 ; 为孔隙水压力 ;c, 分别为土体有效黏 聚力和有效内摩擦角 ; c, 分别为土体黏聚力和内 摩擦角 采用有效应力表达式式 (2) 表示土的抗剪强度 时, 式中土体有效黏聚力 c 和有效内摩擦角 称为有 效应力抗剪强度指标 ; 采用总应力表达式式 (3) 表示 土的抗剪强度 时, 式中土体黏聚力 c 和内摩擦角 称为总应力抗剪强度指标 土体抗剪强度 既可采用有效应力表达式表示, 也可采用总应力表达式表示, 也就是说既可采用有效应力抗剪强度指标和土中有效 应力计算土的抗剪强度, 也可采用总应力抗剪强度指标和土中总应力计算土的抗剪强度 土的有效应力抗剪强度指标和总应力抗剪强度指标统称为土的抗 剪强度指标 土的抗剪强度是指它在破坏面能够发挥 出来的最大阻力, 而抗剪强度指标则代表土体的抗剪 强度随着土中应力大小变化规律中的特定参数 土的 抗剪强度和抗剪强度指标是两个完全不同的概念 土是摩擦型材料, 其抗剪强度与土中应力大小有 关 一般情况下, 人们用抗剪强度指标值来描述土体 抗剪强度随着土中应力大小变化的规律, 而不能直接 给出土体抗剪强度 对饱和黏性土则是例外, 人们不 仅用抗剪强度指标值来描述, 也常采用不排水抗剪强 度值 C 来描述 同时应指出饱和黏性土不排水抗剪强 度 C 是特定条件下的特殊概念, 常用于 0 法分析 C 是抗剪强度, 不是前述的抗剪强度指标 2 三轴固结不排水剪切试验和三轴不固结不排水剪切试验 2. 三轴固结不排水剪切试验和土的抗剪强度指标 在等向固结不排水剪切试验中, 土样在一定的围 压 c ( c 2 3 ) 作用下排水固结 固结完成后, 在不排水条件下增加轴向压力 ( 增大 ) 进行剪切, 直至土体剪切破坏 等向固结不排水剪切试验 也称为 CIU 试验 在应力空间 pp ( ),q 平面上, 其 中 p 2 3, p 2 3, q 3 3,CIU 试验的总应力路径 (TSP) 和有效应 3 力路径 (ESP) 如图 2 所示 图 3 表示 CIU 试验总应力和有效应力莫尔圆和强 度包线示意图, 由图可知通过 CIU 试验可以测得土样 的有效应力抗剪强度指标 c 和 值, 总应力抗剪强度

3 598 岩土工程学报 20 年 指标 c 和 值 图 2 CIU 试验总应力路径和有效应力路径 Fig. 2 Total stress path and eective stress path o CIU tests 图 3 CIU 试验总应力和有效应力莫尔圆和强度包线 Fig. 3 Total stress and eective stress Mohr circle and Mohr envelope o CIU tests 2.2 三轴不固结不排水剪切试验和土的不排水抗剪 强度 在三轴不固结不排水剪切试验中, 在剪切前对饱 和黏性土样施围压, 土样处不排水状态, 在围压作用 下土样不产生排水固结 此时 不固结, 表示土样保 持土样中原有的有效应力不变 取自地基中的土样, 在前期固结应力作用下均产生过排水固结 这里的所 谓 不固结, 只不过在试验过程中在围压作用下不产 生新的固结 完全没有经过排水固结的土样是泥浆, 其抗剪强度为零 在不固结不排水剪切试验中, 对土样施加围压 ( 2 3 ) 时, 土体处于不排水状态 施加围压后, 再增加轴向压力进行剪切直至土体剪切破坏 在 剪切过程中土体也处于不排水状态 不固结不排水剪 切试验也称为 UU 试验 图 4 为 UU 试验应力莫尔圆 和强度包线 由图中可以看到,3 个试样的有效应力 圆是同一个圆,3 个试样的总应力圆的公切线是一条 水平线, 即 0, 公切线在竖轴上的截距等于 ( 3 ) 2, 记为 C, 称为饱和黏性土的不排水抗剪强度 因此, 不固结不排水剪切试验测定的是饱和黏 土的不排水抗剪强度 C 值, 而不是土的抗剪强度指 标 土样的不排水抗剪强度 C 值表示土样在不排水条 件下能够发挥出来的最大抗剪阻力, 不能表示土体的 抗剪强度随着土中应力大小变化的规律 感到迷惑的 是具体试验结果 值往往不等于零, 究其原因有二 : 一是土样饱和度不够 ; 二是试验误差 人们发现多数 饱和黏性土 UU 试验得到 值常小于 3 度左右 事实 上在 CIU 试验数据整理过程中, 几个莫尔圆也是很难 有同一公切线的 做过试验的技术人员都知道获得同 一公切线是经过技术处理的 UU 试验是用来测定饱 和黏性土不排水抗剪强度 C 值的, 在 UU 试验数据整 理过程中, 几个莫尔圆公切线的取舍前提应是水平线 为什么整理试验资料几个莫尔圆公切线的前提应是水 平线呢? 因为根据有效应力原理, 在不排水条件下, 饱和土样在等向应力作用下, 土中有效应力保持不变, 土中超孔隙水压力增加 对饱和土样施加不同围压值 后, 进行不排水条件下剪切, 土样的抗剪强度是相等 的 图 4 中 3 个试样的有效应力圆是同一个圆, 也是 这个道理 UU 试验中得到 值不等于零是没有意义 的, 也是没有用的 它是由试验成果的离散性, 或土 样饱和度不够造成的 顺便指出, 用未饱和土样进行 不排水不固结试验, 试验过程中形不成不排水不固结 状态 图 4 UU 试验应力莫尔圆和强度包线 Fig. 4 Total stress and eective stress Mohr circle and Mohr envelope o UU tests 2.3 饱和黏性土的不排水抗剪强度和抗剪强度指标 通过以上分析可知, 通过固结不排水剪切试验可 以获得土的有效应力抗剪强度指标 c, 值和总应力 抗剪强度指标 c, 值, 通过不固结不排水剪切试验 可以获得饱和黏性土不排水抗剪强度 C 值 有效应力 抗剪强度指标常用于岩土工程有效应力分析法, 总应 力抗剪强度指标常用于岩土工程总应力分析法, 而饱 和黏性土不排水抗剪强度常用于软黏土地基 0 法 分析 现在不少单位提供的岩土工程勘察报告, 某些 规程规范, 不少教科书不重视土的抗剪强度指标和抗 剪强度两个概念上的区别, 特别是未说清饱和黏性土 不排水抗剪强度和土的抗剪强度指标两个概念上的不 同, 以及饱和黏性土不排水抗剪强度的特殊性, 甚至 认为由 UU 试验得到的是土的抗剪强度指标值, 用于 工程分析 上述情况应引起重视, 通过讨论, 统一认 识, 纠正模糊概念 3 软黏土地基中土体的抗剪强度及测定方法 图 5 表示某一地基, 地基中土层 2 为正常固结黏

4 第 0 期龚晓南, 等. 软黏土地基土体抗剪强度若干问题 599 性土层, 单元 A B 和 C 分别代表土层 2 中不同深度 处的土样 获得软黏土地基中土体抗剪强度的方法通 常可釆用三轴固结不排水剪切试验 (CIU 试验 ) 不固 结不排水剪切试验 (UU 试验 ) 现场十字板试验 无 侧限压缩试验和直剪试验等 这里只讨论前 3 个试验 由现场十字板试验可得到的土体不排水抗剪强度沿深 度的变化, 单元 A 处土体十字扳强度为 A, 单元 B 处土体十字扳强度为, 单元 C 处土体十字扳强度为 c, 如图 5 中所示 由图 5 可知土层 2 中土体十字扳强度沿深度是不断增大的 土体十字扳强度即为土的 不排水抗剪强度 若在单元 A B C 深度处取土样 分别进行 UU 试验, 单元 A 处取的土样得到的不排水 抗剪强度值记为 c A, 单元 B 和 C 处取的土样得到的不排水抗剪强度值分别记为 c B 和 c C, 则有 c C > c B > c A, 如图 6 中所示 由 UU 试验得到的不排水抗剪强度沿深度也是不断增大的 图 5 某地基土层分布和十字板试验曲线 Fig. 5 Sot clay grond and crves o vane shear tests 图 6 单元 A B C 深度处取的土样的不排水抗剪强度 Fig. 6 Undrained shear strength o soil o elements A, B and C 若在土层 2 中单元 A B C 深度处取土样分别 进行 CIU 试验, 不难发现由 CIU 试验可以得到 3 组有 效应力强度指标 c, 值和 3 組总应力强度指标 c, 值 采用单元 A 深度的土样进行 CIU 试验, 和采用单 元 B 单元 C 深度的土样进行 CIU 试验, 得到的有效 应力强度指标 c, 值和总应力强度指标 c, 值是 一样的 也就是说, 同一土层土的抗剪强度指标值是 相同的, 如有差异也是试验误差和离散性造成的 地 基中不同深度土体的抗剪强度可以根据土中应力和抗 剪强度指标值计算确定 地基中同一层土体的抗剪强 度指标是不变的, 随着深度增大, 土中应力增大, 由 CIU 试验得到的同一层土的抗剪强度也是随深度增大 的 釆用三轴固结不排水剪切试验 (CIU 试验 ) 不固结不排水剪切试验 (UU 试验 ) 现场十字板试验得到的软黏土地基中土体的抗剪强度基本上是一致的 根据以上分析, 在岩土工程勘察报告中, 饱和黏性土层由 UU 试验测定的取样深度处土体的不排水抗剪强度, 而且在同一土层中土体的不排水抗剪强度沿深度是增大的 因此在勘察报告中不应给出 c 和, 应给出 C 值, 还应标明试验土様取土深度, 最好与十 字板试验成果一样给出沿深度变化的规律曲线 4 岩土工程稳定分析 4 者相匹配原则 至今国内外学者已提出了许多很好的岩土工程稳定分析方法, 可供工程师选用 笔者近年参与一些方案评审, 深感在岩土工程稳定分析中要重视 : 采用的稳定分析方法 分析中应用的计算参数 计算参数的测定方法 分析取的安全系数,4 者应相匹配的原则 以饱和黏性土为例, 抗剪强度指标有有效应力指标和总应力指标两类, 也可直接测定土的不排水抗剪强度 采用不同试验方法测得的抗剪强度指标值, 或不排水抗剪强度值是有差异的 甚至取土样用的取土器不同也可造成较大差异 对灵敏度较大的软黏土, 采用薄壁取土器取的土样比一般取土器取的土样试验得到的抗剪强度指标值可差 30% 左右 在岩土工程稳定分析中取的安全系数值一般是特定条件下的经验总结 目前在不少规程规范中, 特别是商用岩土工程稳定分析软件中不重视上述 4 者相匹配原则 在岩土工程稳定分析中, 不能处理好上述 4 者相匹配原则, 采用再好的岩土工程稳定分析方法也难以取得好的分析结果 不能处理好上述 4 者相匹配原则, 失去进行稳定分析的意义, 有时会酿成工程事故, 应予以充分重视 5 结论与建议 () 土是摩擦型材料, 土的抗剪强度可分为二部分 : 一部分与颗粒间的法向应力有关, 其本质是摩擦力 ; 另一部分是与法向应力无关, 称为黏聚力 可釆用 Mohr-Colomb 强度理论 土的抗剪强度可由土中应力和它的抗剪强度指标计算得到 (2) 土的抗剪强度是指它在破坏面能够发挥出来的最大阻力 ; 而抗剪强度指标则代表土体的抗剪强度随着土中应力大小变化的规律 土的抗剪强度和抗剪强度指标是两个不同的概念 (3) 通过固结不排水剪切试验可以获得土的有效应力抗剪强度指标 c, 值和总应力抗剪强度指标 c, 值, 通过不固结不排水剪切试验可以获得饱和 黏性土不排水抗剪强度 C 值 现在不少单位提供的岩

5 600 岩土工程学报 20 年 土工程勘察报告, 某些规程规范, 不少教科书不重视土的抗剪强度指标和抗剪强度两个概念上的区别, 特别是未说清饱和黏性土不排水抗剪强度和土的抗剪强度指标两个概念上的不同, 以及饱和黏性土不排水抗剪强度的特殊性, 甚至认为由 UU 试验得到的是土的抗剪强度指标值, 用于工程分析 上述情况应引起重视, 通过讨论, 统一认识, 纠正模糊概念 (4) 软黏土地基中同一层土体的抗剪强度沿深度增大, 而同一层土体的抗剪强度指标是不变的 同一饱和黏性土层中, 由 UU 试验测定的不排水抗剪强度沿深度增大 在勘察报告中应标明试验土样取土深度, 最好与十字板试验成果一样给出沿深度变化的曲线 (5) 在岩土工程稳定分析中, 采用的稳定分析方法 分析中应用的计算参数 计算参数的测定方法 取的安全系数,4 者应该相匹配 否则分析结果无实用价值 参考文献 : [] 鲁祖统, 龚晓南. 关于稳定材料屈服条件在 平面内的屈服曲线存在内外包络线的证明 [J]. 岩土工程学报, 997, 9(5): 3 7. (LU Z-tong, GONG Xiao-nan. Stdy on inside and otside envelope o yield crves o stability materials in plane[j]. Chinese Jornal o Geotechnical Engineering, 997, 9(5): 3 7. (in Chinese)) [2] 童小东, 龚晓南, 姚恩瑜. 稳定材料在应力 平面上屈服曲线的特性 [J]. 浙江大学学报, 998, 32(5): 643. (TONG Xiao-dong, GONG Xiaon-nan, YAO En-y. Character o yield crves o stability materials in plane[j]. Jornal o Zhejiang University, 998, 32(5): 643. (in Chinese)) [3] 魏汝龙. 软黏土的强度和变形 [M]. 北京 : 人民交通出版社, 987. (WEI R-long. Strength and deormation o sot clay[m]. Beijing: China Commnication Press, 987. (in Chinese)) [4] 朱梅生. 软土地基 [M]. 北京 : 中国铁道出版社, 989. (ZHU Mei-sheng. Sot clay grond[m]. Beijing: China Railway Pblishing Hose, 989. (in Chinese)) [5] 王钟琦. 岩土工程测试技术 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社, 986. (WANG Zhong-qi. Test and measrement techniqe o geotechnical engineering[m]. Beijing: China Architectre and Bilding Press, 986(in Chinese)) [6] 龚晓南. 土力学 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社, (GONG Xiao-nan. Soil mechanics[m]. Beijing: China Architectre and Bilding Press, (in Chinese)) 第八届全国工程排水与加固技术研讨会第 2 号通知 十二五 期间, 交通 水利等行业重大工程的建设将进入了一个崭新的发展阶段, 为加强工程排水与地基加固领域的学术交流, 中国土木工程学会港口工程分会工程排水与加固专业委员会将于 20 年 月 日 ~3 日在福建省福州市举办第八届全国工程排水与加固技术研讨会, 会议由福建省建筑科学研究院承办 本次会议将以特邀报告 主题报告和分组讨论等形式探讨工程排水与加固领域的热点和难点问题, 交流大面积围海造陆技术 超软地基加固技术 土工合成材料的应用与发展等方面取得的新进展 新经验和新理念, 讨论如何进一步发展和提高 我国工程排水与加固的技术水平, 更好地为工程建设服务 欢 迎各界人士参加本次会议, 并请参加会议的代表于 0 月 20 日 前向学会秘书处报名 会议联系人 : 关云飞 李东兵 ; 联系电话 : , , 传真 : ; 地址 : 南京市虎踞关 34 号南京水科院岩土工程研究所 ( ); 会议邮箱 : PSJG20@63.com 会议期间将组织工程考察和技术展览, 热忱欢迎从事工程 排水与加固领域新材料 新设备的研发与生产的相关单位踊跃 报名参加 中国土木工程学会港口工程学会工 ( 程排水与加固专业委员会秘书处 供稿 )

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