施翔
（中石化石油工程设计有限公司 山东东营 257000）
摘要:土与其他固体材料不同,其碎散、多相、自然变异的特点决定了土的破坏主要表现形式为剪切破坏。剪切破坏的强度主要表现在粘聚力与摩擦力。它与土的组成、土的状态、土的结构密切相关，又与土在其形成的环境和应力历史相关，在不同饱和度下，存在着孔隙水压力、吸力等土力学特有的要素，这些要素都影响着土的抗剪强度。本文介绍常规三轴压缩试验、直剪试验所确定的抗剪强度指标的特点，并引申出在土压力计算中，土的抗剪强度指标选取的一些原则。
关键字:抗剪强度；有效应力原理；常规三轴压缩试验；直剪试验
1、总应力抗剪强度指标及有效应力抗剪强度指标
通过直剪试验表明，饱和土的抗剪强度不是常量，是随剪切面上的法向应力的增大而增大的，据此库伦提出，土的抗剪强度为：
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式
中称为土的抗剪强度指标，同一种土，其值大小根据试验方法的不同，差异很大。
根据太沙基有效应力原理：饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为由土骨架承受的有效应力和由孔隙水承受的孔隙水压力两部分，其关系式满足；土的变形与强度都取决于有效应力的变化。因此，库伦公式可改写为
式中：
式中称为土的有效抗剪强度指标，同一种土，其值理论上与试验方法无关，接近于常数。
土的抗剪强度完全取决于有效应力，有效抗剪强度指标并不依赖于排水条件，是理想的抗剪强度指标。但将有效应力指标应用于工程计算时，需通过计算得到滑动面上的孔隙水压力。对于大多数项目而言，要准确的计算出所需的孔隙水压力较为困难。因此，大多数工程计算仍选用总应力指标进行计算。
2、不同排水条件下的试验指标
2.1三轴压缩试验及其强度指标
三轴剪切试验是一种较为完善的测定土抗剪强度的室内试验方法。根据试验方法不同分为固结排水试验（CD）、固结不排水（CU）试验与不固结不排水（UU）试验三类。三轴剪切试验最突出的优点是可以控制试件的排水条件。破裂面与直剪试验不同，三轴试验的破坏面是在最薄弱处而非直剪试验中的人为固定破坏面。下面对三轴剪切试验中的应力指标进行一个简要的介绍。
2.1.1 UU试验指标
UU试验是在施加围压与轴压直至剪坏的过程中都不允排水的试验。根据图2.1.1-1所示，UU试验的破坏包线为一条水平线，即内摩擦角，抗剪强度只取决于偏差应力大小，即。UU试验中围压的增量只能引起孔隙水压力的变化，不能改变试样中的有效应力，因此抗剪强度与围压无关。当在较高的剪前固结压力下进行不固结不排水试验，则会得到较高的不排水抗剪强度。UU试验中试验的有效应力圆是同一个，因此UU试验无法测得有效应力指标。
2.1.2 CU试验指标
CU试验是在围压作用下充分排水固结，剪切时不允许排水的一个剪切试验。CU试验在一定程度上受到应力历史的影响，所以黏性土CU试验需区分土样是正常固结土还是超固结土。当围压大于受到的先期固结压力时为正常固结土，当围压小于先期固结压力时为超固结土。对于正常固结黏土,CU试验强度包线是一条通过原点的直线。对于超固结黏土，由于剪切时具有较明显的剪胀趋势，这种趋势会产生负的孔隙水压力，因此CU强度包线是一条不通过原点的直线。
2.2直剪试验及其强度指标
直剪试验中，无法严格控制试样的排水条件，只能通过剪切速率模拟现场排水条件，根据剪切速率可分为固结慢剪、固结快剪、快剪三种类型。直剪试验具有仪器简单、操作方便等优点。但其同时具有排水条件不明确、人为固定剪切面等诸多缺点。导致直剪试验得出的抗剪强度指标较三轴试验偏大，工程实践偏于危险。对于中、大型项目，由设计人员确定主要土层及主要技术问题后，做三轴压缩试验更为合适。
3、土的强度指标选取
由于总应力法的CU和UU是两种极端的情况,而实际的工程条件可能不是理想的某种条件,只能就近近似的采用,并不完全对应得很好,这是总应力法本身的缺点.虽然有效应力法的指标没有这个缺点,但是 由于实际工程条件下的孔隙水压力不是都能计算的,如果孔隙水压力无法计算的话,其指标无法使用。因此，工程上一般采用总应力法指标，但某一种方法是否完全符合实际的工程条件，有着不同的理解和意见。
工程实践中，常将UU试验和CU试验并列来看待，将不固结不排水剪和无侧限抗压强度试验并列来看，将直剪实验结果和三轴试验结果并列来看待。然而,因为实验方法的差异,直剪试验破裂面为指定破裂面,而这个破裂面并不是最危险的的。所以直剪试验得出较三轴试验偏大。工程上，在使用直剪试验指标时，常将数值乘以一个折减系数。
总应力指标反映了排水条件的影响，而实际工程的排水条件是复杂的，三轴试验无法模拟各种工程的具体排水条件。总应力法的抗剪强度试验只可模拟两种极端的情况。不固结不排水试验模拟的工况是在施加荷载的过程中绝对不会发生排水固结，结合工程实际条件来考虑，例如，加荷速度特别快的工程可以认为是符合可以忽略排水固结对抗剪强度的影响，例如，工业筒仓的加料过程往往是在几天内完成，加载过程可不考虑超孔隙水压力消散，有效应力增长的过程。可不计入加载过程中抗剪强度的增长。因此，可以采用UU试验的结果来验算活载作用下的地基稳定性。但在工业筒仓施工，可能需要持续几个月的时间，因此在验算恒载作用下的地基稳定性时，使用UU指标来验算就不合适了。验算恒载作用下的稳定性时，应采用CU指标进行验算。UU指标与CU指标是两种极端情况下的指标，与实际发生的固结排水情况是存在差距的。通过上述，可以推论，如果荷载组合中可变荷载为主要荷载时，宜采用UU指标进行计算；当荷载组合中永久荷载为主要荷载时，宜采用CU指标进行计算。
据此，对于饱和软黏土，当快速施工时，由于超孔隙水压力无法立即消散，应采用UU指标进行计算主动土压力时，计算的土压力可能较大，挡墙，特别是重力式挡墙设计时，尺寸会比较大；但是，如果控制施工速度，并采取较好的排水措施，并减小最长排水距离，加快固结等措施下，可采用CU指标进行土压力计算。此时，土压力将会较使用UU指标时减少。从而减小挡墙圬工量，有一定经济效益。
CD指标、CU指标、UU指标的工程使用，应根据土质情况、施工加载速率、排水条件等因素综合分析，合理选用。
4、非饱和土的强度
由土力学可知，非饱和土的强度理论，吸力，对土的抗剪强度贡献较大。然而在工程实践中，很少单独考虑这部分吸力对于土抗剪强度的贡献，而是将其作为一种安全储备。在对饱和度较高的土进行不排水不排气强度分析，其中施加围压产生了正的超孔隙正压力和孔隙水压力。所以非饱和土在一定条件下会产生正的孔压。因此，在降雨或地下水管线破裂等情况下，非饱和土逐渐饱和，负孔压逐渐减小甚至形成正孔压。这一过程，土抗剪强度会大幅降低。综上所述，建议计算土抗剪强度时，按饱和土的抗剪强度指标进行计算，不计入非饱和土吸力对抗剪强度的贡献。
5、结束语
工程应用中，土抗剪强度指标的试验条件应尽可能的与实际工程条件相似，这就使工程中土抗剪强度指标选择成为一个极其重要的课题。本文系作者在日常工作、学习中的总结，个人理解难免谬误与偏颇，再乞指正与见谅。
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