郎小燕，沈鎮(zhèn)偉，張梅靜

(浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002)

取土卸荷對軟粘土抗剪強度指標的影響

郎小燕，沈鎮(zhèn)偉，張梅靜

(浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002)

軟粘土抗剪強度指標試驗方法在工程中應用廣泛.直剪和三軸試驗模擬飽和軟粘土地基實際受力狀態(tài)，存在安全系數(shù)小、規(guī)范不足等問題.基于此，提出對于飽和軟粘土地基上快速填筑防洪堤時，宜在遵守規(guī)范的前提下，盡可能采用十字板試驗成果復核堤防邊坡穩(wěn)定，并反演快剪強度指標對比，使工程設計更趨合理.

飽和軟粘土；取土卸荷；抗剪強度；試驗方法

中小河流的防洪堤很多建于上覆粉質粘土硬殼薄層、下臥較深厚的飽和軟粘土地基上，飽和軟粘土的特點為抗剪強度低、含水量高、低彈模高壓縮性、在自重以外的附加應力作用下固結時間長.保證堤防抗滑穩(wěn)定和采取合適的處理措施已成為這些工程設計的重點之一，由于軟粘土的特性及防洪堤施工工期短等特點，抗滑穩(wěn)定控制工況一般為完建期，軟粘土抗剪強度指標的選取對堤防的抗滑穩(wěn)定計算成果和工程投資有著重要影響.

1 防洪堤設計中堤基軟粘土抗剪強度指標選取存在的問題

根據(jù)現(xiàn)行《堤防工程設計規(guī)范》GB50286—2013[1]，土的抗剪強度指標可用三軸壓縮試驗測定，亦可用直剪試驗測定，應按現(xiàn)行行業(yè)標準《土工試驗規(guī)程》SL237—1999[2]規(guī)定進行.當?shù)袒鶠轱柡驼承酝?，并以較快的速度填筑堤身時，可采用快剪或不排水剪的現(xiàn)場十字板強度指標.

同時，根據(jù)現(xiàn)行《海堤工程設計規(guī)范》GB/T5015—2014[3]，土的抗剪強度指標可用直剪儀、三軸儀或十字板儀測定.若施工速率較快，地基不發(fā)生固結排水，對于強度很低的地基土(例如天然含水量在60%以上)，宜用十字板強度指標cu.

大量工程實例表明，對于堤基有飽和軟粘土層的防洪堤工程，施工期軟粘土地基的抗剪強度指標常常成為工程設計和造價的主要控制因素；但是，遵循規(guī)范用十字板抗剪強度和快剪強度指標對同一斷面進行抗滑穩(wěn)定計算相互檢驗時發(fā)現(xiàn)計算結果相差很大，尤其是若按規(guī)范用快剪強度指標對現(xiàn)狀穩(wěn)定的堤防邊坡進行抗滑穩(wěn)定復核，發(fā)現(xiàn)安全系數(shù)大多僅0.70左右，遠遠不能滿足規(guī)范要求；以上種種常常讓設計人員倍感困惑，因此，了解抗剪強度試驗規(guī)程、合理分析和取用飽和軟粘土堤基的抗剪強度指標對工程設計尤顯重要.

2 抗剪強度指標試驗

測定土的抗剪強度指標按常用的試驗儀器分為直接剪切試驗、三軸壓縮試驗、無側限抗壓強度試驗和十字板剪切試驗4 種，除十字板剪切試驗在現(xiàn)場原位條件下進行外，其他3 種試驗都在室內(nèi)進行.

直接剪切試驗適用于測定顆粒小于2 mm、滲透系數(shù)k≤10-6cm/s的細粒土的抗剪強度指標.試驗設備簡單，試樣制備和安裝方便，操作容易掌握，使用廣泛.據(jù)排水條件分快剪、固結快剪和慢剪3種方法.

三軸壓縮試驗適用于測定細粒土和砂類土的總抗剪強度參數(shù)和有效抗剪強度指標，是測定土抗剪強度指標較為完善的試驗方法，但試樣制作和試驗均不如直剪試驗簡單便捷，且試樣須作抽氣飽和準備，故不適于原狀非飽和土.據(jù)排水條件分不固結不排水剪、固結不排水剪和固結排水剪3種方法.

根據(jù)規(guī)程，直接剪切試驗和三軸壓縮試驗各方法均未提及土樣從實地取出時因卸荷引起的回彈及其對試驗指標的影響和應對措施[2].

十字板剪切試驗適用于原位測定飽和軟粘土的不排水總強度和靈敏度.用插入軟粘土中的十字板頭，以一定的速率旋轉，測出土的抵抗力矩，換算其抗剪強度.它相當于摩擦角φu=0時的粘聚力cu值.

直剪試驗和三軸試驗都要求事先取得原狀土樣，但由于試樣在采集、運送、保存和制備過程中不可避免地會受到振動，尤其是飽和軟粘土，極易受上述因素擾動，適合采用十字板剪切試驗在現(xiàn)場測定飽和軟粘土的不排水強度，但是，若粘土中夾帶薄層細、粉砂或貝殼，用十字板剪切試驗測得的抗剪強度往往偏高.

3 取土卸荷對抗剪強度指標的影響分析

地基中的應力，按其成因可分為自重應力和附加應力.自重應力是自重產(chǎn)生的應力，一般而言，除新沉積土或近期人工沖填土外，土體在自重作用下，經(jīng)漫長的地質年代已壓縮穩(wěn)定.附加應力是由外荷在地基內(nèi)部引起的應力，是使地基失穩(wěn)和產(chǎn)生變形的主要原因.

土為彈塑性體，對于壓縮穩(wěn)定的飽和軟粘土，當試樣從一定深度的土層中取出，上覆自重卸除，土體必有一定的回彈，體積增大，孔隙由氣體填充.因此，室內(nèi)剪切試驗若能模擬實際情況預壓土體，使其在不排水情況下壓縮回原狀再作剪切試驗，其結果應與實際更為吻合.

圖1所示的a和b線為飽和土體在不同深度即不同的上覆自重作用下正常固結后的孔隙比和抗剪強度.深度z處的土樣，其原位有效自重應力為γ′z，相應的孔隙比為e，抗剪強度為cu.因土體為彈塑性體，故單元體在取土卸荷后強度只能退回至cuo，此即為取土試樣的不固結不排水試驗值.cu和cuo之間的差值就是由于卸荷作用導致不固結不排水強度的降低值[4].

圖1 預固結的作用原理

影響土的抗剪強度的因素很多，土的剪切試驗實際上是一種模擬試驗.模擬條件的真實程度直接關系到試驗結果的可靠性.正常情況下，土樣的擾動主要有兩個來源：一是在鉆探、取土、運輸、儲存和開土過程中的機械擾動，可通過改善取土的設備和工藝，提高鉆探、試驗水平來降低其影響；二是由于將土取出時卸除了原位應力，土樣發(fā)生膨脹，屬于土樣應力條件和物理狀態(tài)改變所造成的擾動，可以通過對土樣的預處理來模擬其原位應力，減少卸荷擾動的影響.

十字板試驗是目前唯一的原位試驗方法，土體不似直剪或三軸試驗受取樣卸荷擾動.大量工程實踐也證明，十字板強度明顯比快剪和不排水強度大很多.

綜上所述，《土工試驗規(guī)程》SL237—1999中的室內(nèi)剪切試驗未將試樣預處理使其應力狀態(tài)盡可能回歸原位，是眾多工程快剪和不排水剪強度遠小于十字板強度的重要原因.

《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007—2002和《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》JGJ72—2004均提出了三軸試驗在自重壓力下預固結的概念，但相應的《土工試驗方法標準》GB/T 50123—1999中并無涉及，因此，規(guī)范條款不具可操作性.[5-7]

《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007—2011[8]鑒于上述原因，除在4.2.4條中提及了預壓外，還專門在《條文說明》作了試驗要點說明.

華東水利學院土力教研室[9]、錢家歡[10]和盧廷浩[11]均在三軸試驗中給出了預壓值σc，并且強調(diào)三軸試驗中說的固結與否是針對周圍壓力增量△σ3而言的.

4 工程實例

4.1 浙江省溫州市甌飛一期圍墾工程軟粘土層試樣快剪試驗指標有無預壓對比

鑒于與防洪堤設計匹配的現(xiàn)行《土工試驗規(guī)程》SL237—1999中的快剪試驗未提及試樣卸荷對抗剪強度指標的影響，浙江省溫州市甌飛一期圍墾工程專門對地基軟粘土某一鉆孔取樣的快剪強度指標作了有無預壓的對比試驗(見表1).

表1 浙江省溫州市甌飛一期圍墾工程一鉆孔試樣快剪指標試驗對比值

從表1可以看出，因按規(guī)范逐級加壓前用25 kPa預壓了試樣30 min(遠短于之后每級加壓后的固結時間)，與規(guī)范試驗值相較，抗剪強度指標c提高了19.4%、φ提高了58.4%.根據(jù)經(jīng)驗，軟粘土地基一般均有上覆表層厚2～4 m的硬殼土，因此，一般情況下，在上覆土自重應力下正常固結的原狀軟粘土層其平均固結應力不會小于25 kPa.當然，該試驗對比只說明預壓對軟粘土抗剪強度有明顯的提高，但不能作為設計取值.另外，對于水利工程深厚的軟粘土層受自重應力較大和直剪試驗本身條件制約，此種預壓法一般無法很好地模擬土體回歸原位并不受剪切破壞.

長期以來，很多防洪堤工程采用直剪試驗，其指標常常令設計人員十分困惑，因為據(jù)此復核邊坡往往遠不能滿足抗滑穩(wěn)定要求，但若對一些穩(wěn)定的邊坡進行反演計算，發(fā)現(xiàn)反演所得的快剪指標似乎與直剪試驗所得的固快指標更為接近，因此，有些人便混淆了土體因自重引起的固結過程和因自重以外的附加應力引起的固結過程.事實上，主要原因是因為直剪試驗未考慮取土卸荷影響，致使快剪指標較實際有較大幅度降低.這個結論在近年來隨著十字板試驗的同步進行及其計算對比，得到了驗證.

4.2 浙江省奉化市縣江下游段防洪工程軟土層直剪和十字板指標及其穩(wěn)定計算對比

浙江省奉化市縣江下游段防洪工程為新開河(在平地上開挖一條河道)并在兩岸修建防洪堤工程，防洪堤為4 級建筑物，圖2為典型斷面圖，堤基表層為厚約3 m左右的粉質粘土硬殼層，下臥較深厚的淤泥層和淤泥質粘土層，是堤防抗滑穩(wěn)定的控制因素，直剪試驗和十字板試驗均重點針對這兩層開展，抗剪強度指標(見表2)，但未考慮新開河的卸荷影響(開挖過程即是卸荷)或參考《港口工程地基規(guī)范》(JTS 147—1—2010)中提及的“6.2.2驗算土坡和地基穩(wěn)定時，開挖區(qū)宜采用卸荷條件下進行試驗的抗剪強度指標”做相關的試驗[12].

堤防穩(wěn)定計算采用瑞典條分法，控制工況為施工完建期，相應安全系數(shù)規(guī)范要求不得小于1.05.計算軟件為Autobank7.0.完建期防洪堤迎水側抗滑穩(wěn)定最不利斷面(0+670 m)采用快剪指標和十字板指標計算成果對照表(見表3).

采用十字板指標計算時將地基土按每米分層并輸入相應的Cu平均值.為安全計，考慮新開河的卸荷影響，以迎水坡和原地面交點為界，將迎水側土體的深度減至距新開河深度，據(jù)此修正十字板抗剪強度(基本忽略強度降低時間，結果估計偏安全).

圖2 防洪堤典型斷面圖

土層名稱快剪C/kPaφ/°固結快剪C/kPaφ/°十字板強度指標(單位:Cu/kPa、Z/m)淤泥質粘土層5.804.9011.2013.70Cu=6.86+1.11Z淤泥層4.403.7010.1012.10Cu=9.80+0.63Z

表3 0+670 m斷面完建期迎水側抗滑穩(wěn)定計算成果對照表

從表3中可見，與快剪強度指標計算相較，用十字板抗剪強度計算堤防抗滑穩(wěn)定即使充分考慮了卸荷不利影響，其安全系數(shù)仍比前者高達42%.若當時設計以快剪指標計算成果為依據(jù)，勢必大幅度增加工程投資.該工程已于2012年完工，并經(jīng)受了2013年10月的“菲特”臺風考驗，目前運行良好.

5 結 論

土的抗剪強度指標需要通過試驗確定，不同的試驗方法測得土的強度指標有較大區(qū)別，軟粘土的抗剪強度指標受外界干擾和試驗方式的影響尤為突出.在工程應用中，應分析土體實際受力狀況及其變化情況，選擇盡可能與實際情況和現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范吻合的抗剪強度指標，以利工程安全并避免不必要的浪費.室內(nèi)試驗未考慮試樣在取出過程中的卸荷影響，是眾多工程實例反演所得抗剪強度指標大于試驗指標的最根本原因.與室內(nèi)試驗相比，十字板試驗具有可避免取樣卸荷擾動因此與實際更吻合的優(yōu)點.對于堤基有一定厚度飽和軟粘土層的防洪堤，完建期堤防的邊坡穩(wěn)定常常是工程設計控制工況，其抗剪強度指標取用是否合理直接影響設計方案和工程投資，建議在符合規(guī)程規(guī)范和實際情況的前提下，采用十字板指標，若有條件，應盡可能反演直剪強度指標校驗復核.

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50286—2013堤防工程設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2013.

[2] 中華人民共和國水利部.SL237—1999土工試驗規(guī)程[S].北京：中國水利水電出版社，1999.

[3] 中華人民共和國水利部.SL435—2008海堤工程設計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2008.

[4] 高大釗.土力學與巖土工程師——巖土工程疑難問題答疑筆記整理之一[M].北京：人民交通出版社，2008.

[5] 中華人民共和國建設部，國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50007—2002建筑地基基礎設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[6] 中華人民共和國建設部.JGJ72—2004高層建筑巖土工程勘察規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[7] 國家質量監(jiān)督局，中華人民共和國建設部.GB/T 50123—1999土工試驗方法標準[S].北京：中國計劃出版社，1999.

[8] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50007—2011建筑地基基礎設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[9] 華東水利學院土力教研室.土工原理和計算[M].北京：水利水電出版社，1984.

[10] 錢家歡.土力學[M].南京：河海大學出版社，1990.

[11] 盧廷浩.土力學[M].2版.南京：河海大學出版社，2005.

[12] 中華人民共和國交通運輸部.JTS147—1—2010港口工程地基規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2010.

ImpactofSoilUnloadingonParametersofShearStrengthofSoftClay

LANG Xiao-yan, SHEN Zhen-wei, ZHANG Mei-jing

(Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydro-electric Power, Hangzhou 310002, China)

The test methodology and application in engineering for parameters of shear strength of soft clay are presented. The deficiency of simulating actual stress state of soft clay by direct shear test and triaxial test and its effect on engineering design are analyzed. For fast filling levee on the foundation of saturated soft clay, it is proposed that the results of vane shear test should be adopted for evaluating the stability of embankment slope on the premise of compliance with specifications, and should be compared with inversed parameters of shear strength from quick shear test, which would contribute to more reasonable engineering design.

saturated soft clay; soil unloading; shear strength; test method

2016-08-29

浙江省水利科技計劃資助項目(RB1546)

郎小燕(1966-)，女，浙江杭州人，教授級高工，從事水利水電工程設計工作.

U418.52

A

1008-536X(2016)12-0054-05