洞庭湖区软土抗剪强度指标随固结度变化规律研究

左旺+裴竹松+王康康+龙锦坤+肖兰

摘 要：本文通过对洞庭湖区南（南阳）益（益阳）高速公路软土路基中的土样进行大量的固结和直剪试验，分别探讨了在相同固结压力作用下，抗剪强度指标c、随固结度U的变化规律，以及在相同固结度下，抗剪强度指标c、随固结压力P的变化规律，给出固结度和固结压力与抗剪强度指标之间的拟合公式，为洞庭湖地区公路软土路基的设计和施工提供参考依据。

关键词：固结度；抗剪强度；直剪试验；固结试验

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.119

0 引言

随着洞庭湖区高速公路建设的飞速发展，其软土路基的承载力和稳定性分析的准确性被更加重视。而抗剪强度指标粘聚力c和摩擦角作为最基本的计算参数，其取值的准确性将直接关系到其工程的安全性和经济性[1]。因此，掌握软土的抗剪强度指标随固结度和固结压力增长规律对准确分析洞庭湖区软土路基的稳定性，降低工程造价以及指导现场施工具有非常重要的意义。

国内外的学者对于软土的抗剪强度指标随固结度和固结压力的增长规律已经进行了一些试验研究和理论分析，得出了不少结论。太沙基[2]的一维固结理论把固结时间作为影响固结度的基本因素，认为固结度与时间有对应关系；胡德金等[3]对重塑软土进行了不同固结度的三轴试验；何群等[4]通过大量室内固结、直剪试验，对常（常德）张（张家界）高速公路软土在不同固结压力作用下的抗剪强度指标随固结度U的变化规律进行了研究；刘红军等[5]通过直剪试验和单向压缩固结试验，研究了固结压力为100kPa时，软土抗剪强度及抗剪强度指标与固结度之间的关系。

我国地域辽阔，不同地区软土的工程性质由于成因不同而存在着较大的差异，所以借鉴其他地区软土的工程性质去评价另一个地区软土工程性质是不可靠的。所以，针对洞庭湖区公路软土路基的稳定性问题，本文通过对洞庭湖区原状土样进行大量常规物理力学指标试验、室内单向压缩固结试验和直剪试验，研究了在不同固结压力、不同固结度下，洞庭湖区软土抗剪强度指标c、的变化规律，给出固结度和固结压力与抗剪强度指标之间的拟合公式，为洞庭湖地区公路软土路基的设计和施工提供参考依据。

1 试验类型和内容

本次试验研究采用的是直剪试验。直剪试验跟三轴试验相比，操作相对简便，可以节约时间，缩短试验周期。直剪试验中，固结度控制原理是某一固结压力下达到某一固结度等于该级压力下某一时间的沉降量与最终沉降量的比值[6]。

试验中所有土样均取自于南（南阳）益（益阳）高速公路软土路基，利用薄壁取土器采集原状土，取样深度为10.8～24.5m左右，为砂纹淤泥质土。各项试验依据相关规范进行。

1.1 基本物理力学性质试验

其目的是为了求得洞庭湖区原状土样的物理力学指标，包括含水量、密度、液限、塑限、比重以及快剪强度等。

1.2 固结试验

固结试验采用的是三联式单杠杆固结仪，利用环刀取样，试样直径为61.8mm，高度为20mm。首先，确定土样在不同固结压力作用下，固结度分别达到U=20%、40%、60%、80%以及近似完成主固结（U≈100%）所需的时间ti=t1、t2、t3、t4、t5，用来指导后面的直剪试验。试验中，为了能比较准确地确定土样达到不同固结度的时间，在三式单杠杆固结仪上安装DH3821静态应变测试析系统进行数据采集。

1.3 直剪试验

直剪试验采用等应变直剪仪进行，利用环刀取样，试样直径为61.8mm，高度为20mm，包括固结与快剪试验两部分。首先，分别将各级荷载一次性施加在试样上使其固结，然后根据固结试验中所确定的固结度与时间的关系来控制固结度，当试样达到固结度Ui（固结时间ti）后直接进行剪切试验。

2 试验步骤

（1）固结压力分别取=100、200、300、400kPa。

（2）首先在固结仪上进行固结压力为下U≈100%的固结试验，从而得到U=20%、40%、60%、80%所需时间以指导其下面的U=20%、40%、60%、80%的试验读值时间，并确定土样达到不同固结度时相应的土样高度（i=1，2，3，4，5）。固结试验按相关规范进行。

（3）然后在直剪仪上进行固结压力为的固结和快剪试验。首先，将试样安装在直剪仪上，然后使试样在各级压力作用下进行固结。然后，针对土样达到不同的固结度的情况，分别进行快剪试验，以确定该级压力作用下不同固结度、不同固结压力对抗剪强度指标c、值的影响。固结度通过试样高度以及加载时间来进行控制。快剪试验按相关规范进行，快剪试验的垂直压力按下面的方法确定：

=100kPa时：50、100、150、200kPa；

>100kPa时：-100、-50、、+50kPa；

（4）以上各项试验中均需进行3组平行试验，取得可靠数据后再进行整理与分析。

3 试验数据分析

3.1 原状土物理力学性质指标

为了确定洞庭湖区原状土样物理力学性质指标，对其进行了一系列常规物理力学性质试验，其物理力学指标见表1。

3.2 软土抗剪強度指标与固结度之间的关系

按上面试验方法与步骤进行了相关试验，得到了在不同固结压力p下土样抗剪强度指标c、与固结度U的关系数据，详见表2。然后对试验数据进行了整理与分析，绘制了一些关系曲线图，详见图1～图8。

表2 土样抗剪强度指标与固结度的关系

根据图1可知：在同一固结压力下，洞庭湖区软土粘聚力c随固结度U的增加而增加，但增大速率随着固结度的增大呈现放缓的趋势，在固结度U<60%增长速度较快，在U>60%时增长速度变缓。主要原因是随着固结排水的进行，水分逐渐排出，土颗粒表面结合水膜变薄，使的土体粘聚力增大。

根据图2可知：在同一固结度下，洞庭湖区软土粘聚力c随固结压力p的增大而增大，基本呈现线性增大的趋势，但增幅不大。

根据图3可知：不同固结压力下的平均粘聚力c与固结度U之间呈现良好的相关性，增加趋势随固结度的增加而放缓，可拟合成一个二次关系式，拟合关系式为c=-0.001U2+0.2145U+6.0805，相关系数R2=0.9952。

根据图4可知：不同固结度下软土的平均粘聚力c与固结压力p之间基本呈现良好的线性关系，拟合关系式为c=0.0153p+9.465，相关系数为R2=0.9624。

根据图5可知：在同一固结压力下，洞庭湖区软土摩擦角随固结度U的增加而增加，呈现线性增加的趋势。这是因为在土样的固结过程中，水分逐渐排出，土颗粒不断被压密，土颗粒之间的摩阻力变大，所以内摩擦角随固结度的增大而不断增大。

根据图6可知：在同一固结度下，洞庭湖区软土摩擦角随固结压力p的增加而增加，但在固结压力大于300kPa后，摩擦角随固结压力的增加而增加的速度放缓，整体增幅不大。

根据图7可知：不同压力p下的平均摩擦角与固结度U之间基本呈现良好的线性关系，拟合关系式为=0.0665U+15.207，相关系数R2=0.9913。

根据图8可知：不同固结度U下平均摩擦角与固结压力p之间基本呈现良好的线性关系，拟合关系式为0.0101P+15.995，相关系数R2=0.9387。

4 结语

（1）在同一固结压力下，洞庭湖区软土的粘聚力c随固结度U的增加而增加，但增大速率随着固结度的增大呈现放缓的趋势，在固结度U<60%增长速度较快，在U>60%时增长速度变缓。在同一固结度下，洞庭湖区软土粘聚力c随固结压力p的增大而增大，基本呈现线性增大的趋势。

（2）不同压力p下的平均粘聚力c与固结度U之间呈现良好的相关性，增加趋势随固结度的增加而放缓，可拟合成一个二次关系式。

（3）在同一固结压力下，洞庭湖区软土摩擦角随固结度U的增加而增加，呈现线性增加的趋势。在同一固结度下，洞庭湖区软土摩擦角随固结压力p的增加而增加，但在固结压力大于300kPa后，摩擦角随固结压力的增加而增加的速度放缓。

（4）不同固结度U下的平均摩擦角与固结度U之间基本呈现良好的线性关系。

（5）在荷载作用下，洞庭湖区软土抗剪强度指标粘聚力和摩擦角会发生变化，所以在进行软土路基设计和施工过程中应考虑其固结度和固结压力的影响。

参考文献：

[1]王元战，马旭，马楠.荷载作用下软粘土土性指标变化规律试验研究[J].水道港口，2015，36（04）：339-344.

[2]陈钟颐，周景星，王洪瑾.土力学[M].北京：清华大学出版社，1992.

[3]胡德金，高正中.不同固结度下软基土的力学特性[J].四川联合大学学报（工程科学版）.1999，3（05）：106-110.

[4]何群，冷伍明，魏丽敏等.固结度与加载方式對软土抗剪强度的影响[J].公路交通科技，2005，22（01）：29-32.

[5]刘红军，靳晨杰.软土的固结状态对抗剪强度影响的研究[J].公路，2015（10）：51-54.

[6]刘红军，陶夏新，程培峰.寒区湿地软土抗剪强度特征试验研究[J].公路交通科技，2008，25（08）：31-36.