室内的抗剪强度试验要求取得原状土试样,由于试样在采取、运送、保存和制备等方面不可避免地受到扰动,特别是对于高灵敏度的软黏土,室内试验结果的精确度就受到影响。在原位应力条件下进行测试,测定土体范围大,能反映微观、宏观结构对土性的影响。在抗剪强度的原位测试方法中,国内广泛应用的是原位十字板剪切试验。十字板剪切试验是一种抗剪强度试验的原位测试方法,不用取原状土,而在现场直接测试地基土的强度。这种方法适用于地基为软弱黏性土、取原状土试样困难的条件,并可避免在软土中取样、运送及制备试样过程中受扰动影响试验成果的可靠性。其原理如下:
十字板剪切仪的构造如图5-26所示。试验时,先将套管打到预定的深度,并将套管内的土清除。将十字板装在转杆的下端后,通过套管压入土中,压入深度约为750mm。然后由地面上的扭力设备对钻杆施加扭矩,使埋在土中的十字板旋转,直至土剪切破坏。破坏面为十字板旋转所形成的圆柱面。设剪切破坏时所施加的扭矩为M,则它应该与剪切破坏圆柱面(包括侧面和上、下面)上土的抗剪强度所产生的抵抗力矩相等,即:
式中 M——剪切破坏时的扭力矩(kN·m);
τV,τH——剪切破坏的圆柱体侧面和上、下面土的抗剪强度(kPa);
H,D——十字板的高度和直径(m)。
在实际土层中,τV和τH是不同的,爱斯(Aas,1965)曾利用不同的D/H的十字板剪切仪器确定饱和软黏土的抗剪强度。试验结果表明:对于正常固结饱和软黏土,τH/τV＝1.5～2.0;对于稍超固结的饱和软黏土,τH/τV＝1.0。这一试验结果说明,天然土层的抗剪强度是非等向的,即水平面的抗剪强度大于垂直面的抗剪强度。这主要是由于水平面的固结压力大于侧向固结压力的缘故。
为了简化计算,在常规的十字板试验中仍假设τH＝τV＝τf,将这一假设代入式(5-37)得:
图5-26 十字板剪切仪的构造
式中 τf——在现场由十字板测定的土的抗剪强度(kPa)。
式中其余符号意义同前。
由于十字板在现场测定的土的抗剪强度属于不排水剪切的试验条件,因此其结果一般与无侧限抗压强度试验结果接近,即τf≈qu/2。原位十字板剪切试验适用于饱和软黏土(φu＝0),它的优点是构造简单、操作方便,原位测试时对土的结构扰动也较小,故在实际中广泛得到应用。但在软土层中夹砂薄层时,测试结果失真或偏高。
5.6.5 抗剪强度指标的总应力法和有效应力法表示
在土的直接剪切试验中,因无法测定土样的孔隙水压力,施加于试样上的垂直法向应力σ是总应力,所以,在土的抗剪强度表达式中,c、φ是总应力意义上的土的黏聚力和内摩擦角,此时称为总应力指标。
库仑公式在研究土的抗剪强度与作用在剪切面上法向应力的关系时,未涉及有效应力问题。随着固结理论的发展,人们逐渐认识到土体内的剪应力仅能由土的骨架承担,土的抗剪强度与剪切面上的总应力没有唯一的对应关系,而取决于该面上的有效法向应力,土的抗剪强度应表示为剪切面上有效法向应力的函数。对应于库仑公式,土的抗剪强度有效应力表达式可写成:
式中 σ′——剪切破坏面上的法向有效应力,σ′＝σ－u(kPa);
c′,φ′——土的有效黏聚力和有效内摩擦角。
有效应力法确切地表示出了土的抗剪强度的实质,是比较合理的表示方法。但由于在分析中需要测定孔隙水压力,而这在许多实际工程中难以做到,目前,在工程中更多的使用总应力法。
土的抗剪强度与试验时的排水条件密切相关,根据土体现场受剪的排水条件,三轴试验可分为不固结不排水剪试验(UU试验)、固结不排水剪试验(CU试验)、固结排水剪试验(CD试验)三种基本方法,分别对应于直接剪切试验中的快剪、固结快剪、慢剪。
对于三轴试验成果,除用总应力强度表达外,还可以用有效应力指标c′、φ′表示,且对同一种土,无论用UU、CU、CD试验成果,都可获得相同的c′、φ′,它们不随试验方法而变。在实际工程中,由于工程条件不同所采用的指标也不同,土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而异。一般工程问题多采用总应力分析法,其测试方法和指标的选用见表5-10。
表5-10 试验方法的适用范围
【例5-9】 对一种黏性较大的土进行直剪试验,分别做快剪、固结快剪、慢剪,成果见表5-11,试用作图法求该种土的三种抗剪强度指标。
表5-11 抗剪强度
【解】 根据数据依次绘制三种试验方法所得的抗剪强度包线,并由此量得各抗剪强度指标如下:
cq＝62.5kPa,φq＝1.5°
ccq＝42.5kPa,φcq＝13°
cs＝32kPa,φs＝27°
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