水利工程中土体抗剪强度指标的选用

水利工程中土体抗剪强度指标的选用

万虎

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摘要：水利工程建设过程中需要对建筑物地基承受外部荷载后的稳定性、填方边坡或挖方边坡在外部作用力和土体自身重力作用下的稳定性、挡土结构物之上的土体压力等问题进行研究。这些问题都涉及土体之间沿着某一个面产生滑动的情况，即土体间抵抗滑动的能力。土体抗滑能力的关键因素是土体的抗剪强度。不同土体的物理力学性质不可能完全一样，同一土层的参数在不同位置也不完全一样，因此抗剪强度的指标选取非常重要。

关键词:抗剪强度；稳定分析；直接剪切试验；三轴压缩试验；固结

引言

传统水利工程通常位于村庄外围等开放地区，对周围环境的影响较小。随着社会经济的发展，城市化水平不断提高，城市发展不可避免地对城市水的更新提出了更高的要求。但是，城市地区的水利工程、复杂的周边环境(公路、建筑物、地下管道等)。)和地形约束限制了需要特定支撑测量的挖方和填方方法。目前，钢管桩、钢筋混凝土桩、水陆重墙和连续地下墙常用于基坑支护。桩身通常用于浅挖，实施灵活实用，桩身可回收，但整体刚度较低，水平位移较大；钢筋混凝土喷桩密对准布置在墙体结构上，整体刚度较大，支撑效果较好，但桩间隙可能成为渗漏通道，因此需特别布置水帘，施工成本较高；此外，在坑底有较厚的柠檬层的情况下，不宜使用“喷桩+锚固”解决方案；地下连续墙的强度、刚性、技术成熟度、安全性和可靠性，但施工技术复杂，投资高，环境影响大；水陆重力分离器耐渗性好，但弯曲强度低，厚度大，指纹大，适用于浅埋。

1土体抗剪强度指标及其确定方法

在外部荷载和自身重力作用下，水工建筑物、地基内部产生剪应力，土体产生抵抗这种变形的阻力。随着剪应力的增加，土体剪应力随之增大，但是土体的抗剪强度是有限度的，达到这个限度时，土体将会在剪应力作用下产生相对位移，土体随之破坏，这个限度就是土体的抗剪强度。土体抗剪强度由黏聚力c和内摩擦角*来表示，它们称为土的抗剪强度指标。在外部荷载作用下，土体产生抵抗外部荷载的力，这种力称为总应力。总应力由土颗粒间接触传递的有效应力和孔隙水传递的孔隙水压力组成，孔隙水压力在每个方向都是相同的，因此孔隙水压力并不能引起土体固结，只有有效应力能使土体固结。土体抗剪强度由总应力法确定的称为总应力强度指标，土体抗剪强度由有效应力法［$#+］确定的称为有效应力强度指标，总应力强度: 式中:1f为土的抗剪强度;c为土的黏聚力;c'为土的有效黏聚力;*为土的内摩擦角;*'为土的有效内摩擦角;%为剪切面上的法向应力;%'为剪切面上的有效应力;u为剪切面上的孔隙水压力。根据太沙基有效应力的概念，总应力由有效孔隙水压力和有效应力组成，有效应力能使土体产生固结和强度，而土体的有效应力只能通过土体颗粒传递，因此总应力抗剪强度指标随着试验方法、固结排水条件的不同而不同，有效应力和抗剪强度指标之间存在直接对应关系。总应力法和有效应力法的强度包线见图$。由于试验方法以及测定条件的差异，因此两种强度指标所得结果相差较大。由图$可以看出，c'ic、*'j*，如果不能正确的选择应力分析方法，合理的室内试验方法或者两种强度指标混用，那么将影响工程安全，因此强度指标的选用需要谨慎。

2土体抗剪强度指标试验方法

2.1试样方案及材料

木质素改良高液限黏土掺量设定为:0(素土)、1%、2%、3%、4%、6%，其中掺量为固化剂与干土的质量比。养护龄期为1d、7d、28d。木质素(木质素磺酸钙)购于临沂绿森化工有限公司，木质素含量约为65%，具有轻微的芳香气味，呈棕褐色粉末状，如图3所示，pH值5．4，呈弱酸性。

2.2现场直剪试验

坝基开挖后，为了进一步核实坝基岩体力学参数，在③、④、⑤、⑥共4个坝块选定比较典型的试验点进行现场混凝土与坝基岩体接触面直剪试验，最终试验结果见表1。

表一坡月水库大坝岩体现场直剪试验成果表

3结论

3.1抗剪强度特征

为准确分析土体试样三轴抗剪强度与围压、冻融循环次数关系，对出现峰值应力的直接取其峰值强度，未出现峰值应力的以应变15%对应的应力为抗剪强度，图5为土料填筑体抗剪强度变化特征曲线。从图中可知，抗剪强度整体随冻融循环次数为先减后增变化，其中以未冻融条件下的初始试样抗剪强度最大，围压50kPa下初始试样的抗剪强度为252.9kPa，而循环4，6，8次后抗剪强度分别降低了24.1%，37.9%，65.9%，当冻融循环增长2次时，抗剪强度平均损耗了22.2%；但当循环次数为12次后，其抗剪强度相比循环8次下增大了85.5%，且循环增长2次，抗剪强度平均增长为42.7%。当冻融循环次数未达到试样内部水分子固结状态时，循环次数愈大，则土体试样颗粒骨架内部孔隙在冻结状态下增大，而融化后，孔隙仍维持原来状态，促使了土体试样内部孔隙增大的细观特征，进而试样颗粒骨架更具松散，承载能力亦相应减弱；但循环次数愈多，促使土体试样颗粒与水晶体颗粒达到固结状态，水晶体颗粒与土颗粒相结合，降低了试样含水率，但另一层面却填充了土体试样

3.2砂土的强度参数分析

为了研究旁压试验计算抗剪强度参数的准确性与可靠性，在场区采用了高质量试样取样方法进行砂土取样，取样过程较为繁琐且成本高昂，分别进行了室内三轴不固结不排水试验（UU）、固结排水试验（CD）、固结不排水试验（CU）。无论是何种试验方法，旁压试验内摩擦角均略大于三轴试验测试的内摩擦角，这是由于旁压试验在原位进行试降低了对砂土的扰动造成的。而在三种试验方法中，旁压试验获得的内摩擦角与三轴固结不排水试验（CU）测试的结果最为接近。综合表明，对于砂土这种易扰动、不易取样的土层中，采取旁压试样方法能够较为准确地获取内摩擦角参数。

3.3稳定分析

ＳＭＷ工法支护形式属于支挡式结构，可采用弹性支点法进行支护结构的受力变形分析和稳定分析。在稳定分析时，主要分析支护结构的抗倾覆稳定性、整体稳定性、抗隆起稳定性及位移分析等，以上稳定分析与其他支护结构分析情况类似，控制工况选定为开挖至基坑底部位置。由位移示意可知，支护结构最大水平位移为２４．１ｍｍ，位于基坑底部往下约１ｍ附近。

结束语

确定坝基岩体抗剪强度建议值是一个复杂地质问题，坡月水库在综合各方意见后最终还是维持设计提供的建议值，对加权平均法建议值与试验值进行对比，充分说明设计提出建议值的取值方法是合适的。所采用的加权平均法是一种基本数理统计方法，该方法充分利用室内试验成果，综合利用地质测绘成果，应用到坝基岩体抗剪强度建议值中，具有成本低、时间快、准确性高等优点，针对中小型水利工程尤其是重力坝坝区，勘探工作量有限，现场试验缺乏等条件下提供坝基或较大面积建筑物地基岩体抗剪强度建议值，使用该方法合理可行。

参考文献

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