地基黏性土固结快剪与直剪快剪指标的关联性研究

地基黏性土固结快剪与直剪快剪指标的关联性研究

张 彬

（上海市政工程设计研究总院 (集团 )有限公司，上海 200092）

【摘 要】为了研究地基黏性土固结快剪与直剪快剪指标之间的关联性规律，本文以浙江某项目为依据，通过室内土工试验中黏性土的固结快剪和直剪快剪指标为基础，对该项目地基黏性土的固结快剪和直剪快剪指标进行了研究，研究表明随着黏性土的黏聚力不断增大，固结快剪与直剪快剪的黏聚力比值逐渐增大，当黏聚力增大到一定值时，黏聚力比值逐渐趋于稳定；随着黏性土的内摩擦角不断增大，固结快剪与直剪快剪的内摩擦角比同样表现出相反的规律。通过剪切强度—剪切比曲线拟合，表明地基黏性土的固结快剪和直剪快剪指标可以通过特定数学公式进行互算。

【关键词】土工试验；黏性土；固结快剪；直剪快剪；关联性

【中图分类号】 TU411 【文献标识码】 B

Research on correlation between consolidation quick shear and direct shear quick shear indexes of cohesive soil

Zhang Bing

(Shanghai Municipal Engineering Design Institute (Group) Co., Ltd. ShangHai 200092,china)

【Abstract】In order to research the correlation between consolidation quick shear and direct shear quick shear indexes of cohesive soil. Based on a project in Zhejiang Province, the article studied the curve fitting of the consolidation quick shear and direct shear quick shear index of cohesive soil in the foundation soil of the project based on the indexes of consolidation quick shear and direct shear quick shear in the laboratory geotechnical test. The curve fitting of the consolidation quick shear and direct shear quick shear indexes of cohesive soil in the foundation soil of the project was studied. The results showed that with the increase of cohesive force of cohesive soil, the cohesive force ratio of consolidated quick shear and direct shear quick shear gradually increases. When the cohesive force increases to a certain value, the cohesive force ratio gradually tends to be stable. With the increase of internal friction angle of cohesive soil, the internal friction angle ratio of consolidated quick shear and direct quick shear also shows the opposite law. The results show that there is a certain regularity between the consolidation fast shear and direct shear fast shear indexes of cohesive soil. The results show that the consolidation quick shear and direct shear quick shear indexes of cohesive soil can be calculated by specific mathematical formula.

【Keywords】

Geotechnical test; cohesive soil; consolidation quick shear; direct shear quick shear; correlation

0 引言

岩土工程中很多设计及施工指标均来自土工试验^[1-5]。通过研究岩土的物理、力学、化学等性质指标，能协助设计、施工获得岩土的物理、力学性质参数^[6]。虽然很多岩土参数指标都能通过土工试验得出，但是有些土工试验指标之间存在一定的关联性，通过研究这些规律，利用相关指标计算另外一些指标，可以大大减少人力成本和误差，提高岩土工程的效率和精度。为了研究地基黏性土固结快剪与直剪快剪指标之间的关联性规律^[7-10]，本文以浙江某项目为依据，通过室内土工试验中黏性土的固结快剪和直剪快剪指标为基础，对该项目地基黏性土的固结快剪和直剪快剪指标进行了研究，研究表明随着黏性土的黏聚力不断增大，固结快剪与直剪快剪的黏聚力比值逐渐增大，当黏聚力增大到一定值时，黏聚力比值逐渐趋于稳定；随着黏性土的内摩擦角不断增大，固结快剪与直剪快剪的内摩擦角比同样表现出相反规律。通过剪切强度—剪切比曲线拟合，表明地基黏性土的固结快剪和直剪快剪指标可以通过特定数学公式进行互算。

1 工程案例

1.1基本概况

拟建场地位于浙江省象山县，现为荒地。根据设计提供的相关技术要求，拟建机组总装车间和生产辅楼各一座。拟建机组总装车间为单层，高度约22m，结构类型为钢框架及排架，单柱荷载约8000~9000KN；拟建生产辅助楼为3~6F，高度为24m，结构类型为钢砼框架，单柱荷载约5000KN，拟建建筑均采用桩基础。

1.2工程地质条件

根据钻孔勘察资料揭示，研究区勘察深度内按其成因类型与工程特性的不同可分为8层。

（1）第①层填土（Q₄^ml）：杂色，主要由块石、碎石以及黏性土组成，块石直径最大达2m，结构松散，成分复杂，均匀性差，为近期堆积而成。

（2）第②₂层淤泥质黏土（Q₄^2m）：灰色，状态流塑、高等压缩性，局部夹少量薄层粉性土，含少量贝壳碎片。

（3）第③₂层淤泥质粉质黏土（Q₄^1m）：灰色，状态流塑、高等压缩性，含少量贝壳碎片，局部夹薄层粉土。

（4）第④₃层粉砂（Q₃^al-m）：灰~灰黄色，状态中密，中等压缩性，以石英、长石为主，含黏性土，局部夹细砂和角砾，角砾粒径约5mm~30mm不等，夹贝壳碎片和云母碎屑。

（5）第⑤₂层粉质黏土（Q₃^m）：灰色，状态软~可塑状，中等压缩性，含贝壳碎片，局部夹粉土偏高。

（6）第⑤₃层砾砂（Q₃^al、al-m）：灰~灰黄色，状态密实，中等压缩性，以石英、长石为主，含粒径大于2mm的角砾和碎石，级配良好，充填少许粉质黏土，含少量贝壳碎片，拟建场地局部缺失。

（7）第⑥₁层粉质黏土（Q₃^al-l）:灰~青灰色，可塑状，中等压缩性，局部粉性偏高相变为粉土，含少量腐植物。

（8）第⑥₃层砾砂（Q₃^al、al(pl)）：灰~灰黄色，状态密实，中~低等压缩性，该层约含20%左右圆砾，一般颗粒粒径为3~4mm，最大粒径20mm，充填砂，砂质以中粗砂为主，充填少量粉质黏土，拟建场地局部缺失。

（9）第⑦₁层粉质黏土（Q₂^al-l）：灰~兰灰色，可塑状，中等压缩性，夹薄层粉性土，局部夹少量腐植物。

（10）第⑧₁层粉质黏土（Q₂^al-l）：兰灰色~黄褐色，可塑~硬塑状，中等压缩性，偶夹浅兰灰色团块，含氧化铁颗粒。

（11）第⑧₂层含黏性土砾砂（Q₂^pl(al)）：黄褐色，密实状，中~低等压缩性，砾石一般粒径为3~6cm，砾石约含20~30%，充填少量粉质黏土，充填的砂质以中粗砂为主，拟建场地局部分布，该层未钻穿。

2剪切试验

2.1试验概况

由于直剪快剪试验仅针对粉、黏性土进行剪切试验，本次取研究区内第②₂层淤泥质黏土、第③₂层淤泥质粉质黏土、第⑤₂层粉质黏土、第⑥₁层粉质黏土、第⑦₁层粉质黏土、第⑧₁层粉质黏土，这6层黏性土土进行剪切指标研究。各土层剪切试验数量统计表见表1所示。

表1 各土层剪切试验数量统计表

2.1剪切数据分析

各土层的固结快剪和直剪快剪标准值数据见表2所示。

表2 剪切数据标准值表

从表2无法直接找到固结快剪和直剪快剪之间的规律性，为研究这一规律性特引入剪切比^[7]这一概念，黏聚力剪切比和内摩擦角剪切比。

(1)

(2)

各土层的剪切比见表3所示。

表3 各土层的剪切比

从表3可以看出：随着黏性土的黏聚力不断增大，固结快剪与直剪快剪的黏聚力比值逐渐增大小，当黏聚力增大到一定值时，黏聚力比值逐渐趋于稳定；随着黏性土的内摩擦角不断增大，固结快剪与直剪快剪的内摩擦角比同样表现出相反的规律。

3剪切数据关联性研究

3.1黏聚力关联性研究

从表3只可以看出随着黏性土的黏聚力不断增大，固结快剪与直剪快剪的黏聚力比值逐渐增大，当黏聚力增大到一定值时，黏聚力比值逐渐趋于稳定，并不能得出固结快剪与直剪快剪黏聚力具体有何规律。为了进一步研究两者之间的关系，将黏聚力剪切比作为纵坐标，将地基土的直剪快剪黏聚力作为横坐标，绘制直剪快剪黏聚力—黏聚力剪切比曲线，曲线图见图1所示。

图1 直剪快剪黏聚力—黏聚力剪切比曲线

利用图1直剪快剪黏聚力—黏聚力剪切比进行曲线拟合，得出一条光滑曲线，从曲线可以明显看出黏聚力剪切比和黏聚力呈幂函数关系，拟合的曲线函数为：

(3)

且拟合的精度达到0.997，表明拟合结果比较理想，如在该区域勘察时，当固结快剪试验黏聚力数据缺乏时，可以直接利用直剪快剪黏聚力指标通过式（3）进行换算。

3.1内摩擦角关联性研究

从表3只可以看出随着黏性土的内摩擦角不断增大，固结快剪与直剪快剪的内摩擦角比值逐渐减小，当内摩擦角增大到一定值时，内摩擦角比值逐渐趋于稳定，并不能得出固结快剪与直剪快剪内摩擦角具体有何规律。为了进一步研究两者之间的关系，将内摩擦角剪切比作为纵坐标，将地基土的直剪快剪摩擦角作为横坐标，绘制直剪快剪内摩擦角—内摩擦角剪切比曲线，曲线图见图2所示。

图2 直剪快剪内摩擦角—内摩擦角剪切比曲线

利用图2直剪快剪内摩擦角—内摩擦角剪切比进行曲线拟合，得出一条光滑曲线，从曲线可以明显看出内摩擦角剪切比和内摩擦角呈幂函数关系，拟合的曲线函数为：

(4)

且拟合的精度达到0.993，表明拟合结果比较理想，如在该区域勘察时，当固结快剪试验内摩擦角数据缺乏时，可以直接利用直剪快剪内摩擦角指标通过式（4）进行换算。

4结论

（1）本文以浙江某项目为依据，通过室内土工试验中黏性土的固结快剪和直剪快剪指标为基础，对该项目地基黏性土的固结快剪和直剪快剪指标进行了研究，研究表明随着黏性土的黏聚力不断增大，固结快剪与直剪快剪的黏聚力比值逐渐增大，当黏聚力增大到一定值时，黏聚力比值逐渐趋于稳定；随着黏性土的内摩擦角不断增大，固结快剪与直剪快剪的内摩擦角比同样表现出相反的规律。通过剪切强度—剪切比曲线拟合，表明地基黏性土的固结快剪和直剪快剪指标可以通过特定数学公式进行互算。

（2）通过研究地基黏性土的黏聚力—黏聚力剪切比曲线和内摩擦角—内摩擦角剪切比曲线，拟合经验公式，经验公式可以很好的实现了该区域黏性土直剪快剪和固结快剪剪切指标之间的互算，为地基土的力学性质理论研究提供一定的依据。

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