甘肅省會(huì)寧縣跨祖厲河大橋地基土的快剪與固結(jié)快剪比對(duì)試驗(yàn)分析

張 程

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

工程勘察設(shè)計(jì)工作中，計(jì)算承載力及評(píng)價(jià)地基的穩(wěn)定性時(shí)都要用到地基土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)（內(nèi)摩擦角φ，粘聚力c）。室內(nèi)測(cè)定土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的方法有快剪和固結(jié)快剪，快剪試驗(yàn)分為原狀快剪試驗(yàn)和飽和快剪試驗(yàn)，固結(jié)快剪試驗(yàn)分為原狀固結(jié)快剪試驗(yàn)和飽和固結(jié)快剪試驗(yàn)。通過(guò)這四種剪切試驗(yàn)獲取土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角。對(duì)上述四組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、比對(duì)、擬合，通過(guò)固結(jié)快剪試驗(yàn)得出的抗剪強(qiáng)度參數(shù)（黏聚力c、摩擦角φ）與直接快剪實(shí)驗(yàn)得出的抗剪強(qiáng)度參數(shù)存在較強(qiáng)的相關(guān)性。

2 工程概況

會(huì)寧縣祖厲河生態(tài)長(zhǎng)廊建設(shè)康家河至張灣道段跨祖厲河橋梁工程位于會(huì)寧縣城下游約10 km 的柴家門鎮(zhèn)河段上，擬新建三座橋梁，三座橋梁橋基所處的地層條件基本相同，均屬黃土地層。2020年11 月，我公司開展了祖厲河大橋橋基土的快剪與固結(jié)快剪比對(duì)試驗(yàn)分析。

3 土樣來(lái)源及試驗(yàn)項(xiàng)目

祖厲河橋梁工程三座橋基共布置八個(gè)鉆孔，分別為ZK1、ZK2、ZK3、ZK4、ZK5、ZK6、ZK7、ZK8。先完成橋基土樣的物理性質(zhì)試驗(yàn)，包括含水率、干密度、飽和度、顆粒分析等，然后進(jìn)行抗剪強(qiáng)度參數(shù)試驗(yàn)，包括原狀快剪、飽和快剪、原狀固結(jié)快剪和飽和固結(jié)快剪試驗(yàn)。

4 土樣試驗(yàn)

4.1 物理性質(zhì)試驗(yàn)

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）土的物理性質(zhì)試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，所得成果見表1。

表1 祖厲河橋梁工程土樣物理性質(zhì)試驗(yàn)成果表

4.2 直接剪切試驗(yàn)

4.2.1 儀器設(shè)備

直接剪切試驗(yàn)設(shè)備采用應(yīng)變控制式直剪儀，包括剪切盒（水槽、上剪切盒、下剪切盒），垂直加壓框架，負(fù)荷傳感器及推動(dòng)機(jī)構(gòu)等。其他：位移計(jì)（百分表）量程5 mm～10 mm，分度0.01 mm，飽和器，削土刀，濾紙，秒表等。

4.2.2 土樣制備

每個(gè)鉆孔土樣為1 組，共8 組，每組土樣制備4 份。原狀土土樣制備時(shí)應(yīng)小心開啟原狀土樣包裝皮，辨別土樣上下層，整平土樣兩端，切土方向與天然層次垂直，切取試樣，試樣與環(huán)刀應(yīng)密合。當(dāng)不立即進(jìn)行試樣，應(yīng)將試樣暫存于保濕器內(nèi)。飽和土樣制備時(shí)選用框式飽和器，在裝有試樣的環(huán)刀兩面貼放濾紙，再放兩塊大于環(huán)刀的透水板于濾紙之上，通過(guò)框架兩端的螺絲將透水板、環(huán)刀加緊。將裝好試樣的飽和器放入水箱中，注入清水，水面不宜將試樣淹沒(méi)，蓋上箱蓋，飽和約需3 d。

4.2.3 試驗(yàn)步驟

（1）快剪試驗(yàn)

1）對(duì)準(zhǔn)上下盒，插入固定銷，放入不透水板，將試樣徐徐推入剪切盒內(nèi)。

2）轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使盒前端鋼珠與負(fù)荷傳感器接觸，調(diào)整傳感器讀數(shù)為0，順次加上加壓蓋板，加壓框架。

3）施加垂直壓力后，拔去固定銷。開動(dòng)秒表，采用0.8 mm/min～1.2 mm/min 的速度剪切，4r/min～6r/min 的均勻速度旋轉(zhuǎn)手輪，使試樣在3 min～5 min 的時(shí)間內(nèi)減損。

4）剪切結(jié)束后，倒轉(zhuǎn)手輪，移去垂直壓力，取出試樣。

（2）固結(jié)快剪試驗(yàn)

1）試樣安裝按照快剪試驗(yàn)（1）、（2）的步驟進(jìn)行。

2）在試樣施加規(guī)定垂直壓力后，側(cè)記垂直變形讀數(shù)。當(dāng)每小時(shí)垂直變形讀數(shù)變化不大于0.005mm 時(shí)，認(rèn)為已達(dá)到固結(jié)穩(wěn)定。

3）試樣達(dá)到固結(jié)穩(wěn)定后，按快剪試驗(yàn)（3）、（4）步驟進(jìn)行。

5 試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)分析

5.1 快剪、固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)

（1）通過(guò)快剪、固結(jié)快剪試驗(yàn)，得出8 組土樣試件32 次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)成果見表2、表3。

表2 原狀土樣快剪、固結(jié)快剪的垂直壓力與抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表3 飽和土樣快剪、固結(jié)快剪的垂直壓力與抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

（2）根據(jù)原狀、飽和土樣抗剪強(qiáng)度S與垂直壓力p 的關(guān)系曲線計(jì)算出每組土樣的黏聚力c 和摩擦角Ф，見表4。

表4 土樣快剪、固結(jié)快剪試驗(yàn)成果比對(duì)表

6 試驗(yàn)結(jié)果擬合

（1）用表4 的數(shù)據(jù)，將原狀快剪黏聚力作為橫坐標(biāo)，原狀固結(jié)快剪黏聚力作為縱坐標(biāo)，繪制原狀樣黏聚力擬合曲線，見圖1。

圖1 原狀樣黏聚力擬合曲線

（2）用表4 的數(shù)據(jù)，將原狀快剪摩擦角作為橫坐標(biāo)，原狀固結(jié)快剪摩擦角作為縱坐標(biāo)，繪制原狀樣摩擦角擬合曲線，見圖2。

圖2 原狀樣摩擦角擬合曲線

（3）用表4 的數(shù)據(jù)，將飽和快剪黏聚力作為橫坐標(biāo)，飽和固結(jié)快剪黏聚力作為縱坐標(biāo)，繪制飽和樣黏聚力擬合曲線，見圖3。

圖3 飽和樣黏聚力擬合曲線

（4）用表4 的數(shù)據(jù)，將飽和快剪摩擦角作為橫坐標(biāo)，飽和固結(jié)快剪摩擦角作為縱坐標(biāo)，繪制飽和樣摩擦角擬合曲線，見圖4。

圖4 飽和樣摩擦角擬合曲線

7 試驗(yàn)成果分析

7.1 土樣物理性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果分析

從土的物性試驗(yàn)成果可以得出：土樣的飽和度為94.8%～100%，平均值98.5%，表明原狀土樣飽和程度極高，接近于飽和狀態(tài)。液限為28.9%～35.3%，均小于50%，塑性指數(shù)為16.4%～20.6%，均大于10%，按分類均為低液限粘土；顆分試驗(yàn)中，砂粒含量為4.3%～18.8%，平均值11.8%；粉粒含量為51.8%～70.1%，平均值60.7%；粘粒含量為21.1%～32.5%，平均值27.5%。土樣中以粉粒為主，粘粒、砂粒次之。按SL251-2015水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程，定名為重粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土。

7.2 土樣快剪、固結(jié)快剪擬合試驗(yàn)分析

由圖1、圖2、圖3、圖4 可看出：原狀固結(jié)快剪黏聚力隨著原狀快剪黏聚力的增大而增大，原狀固結(jié)快剪摩擦角隨著原狀快剪摩擦角的增大而增大。飽和固結(jié)快剪黏聚力隨著飽和快剪黏聚力的增大而增大，飽和固結(jié)快剪摩擦角隨著飽和快剪摩擦角的增大而增大?？旒粼囼?yàn)與固結(jié)快剪試驗(yàn)之間有明顯的相關(guān)規(guī)律，擬合曲線呈線性相關(guān)關(guān)系，且擬合精度均大于0.8，表明圖中數(shù)據(jù)具有強(qiáng)的相關(guān)性，擬合程度較為理想。

7.3 土樣快剪、固結(jié)快剪比對(duì)試驗(yàn)成果

祖厲河橋梁工程的試驗(yàn)結(jié)果表明：快剪試驗(yàn)的黏聚力提高13%后基本接近固結(jié)快剪試驗(yàn)的黏聚力，快剪試驗(yàn)?zāi)Σ两翘岣?0%后基本接近固結(jié)快剪摩擦角；飽和快剪黏聚力提高16%后基本接近飽和固結(jié)快剪黏聚力，飽和快剪摩擦角提高11%后基本接近飽和固結(jié)快剪摩擦角。由此可見，通過(guò)快剪試驗(yàn)可估算出固結(jié)快剪試驗(yàn)的黏聚力、摩擦角數(shù)據(jù)。

8 結(jié)論

土樣固結(jié)快剪的黏聚力、摩擦角均大于快剪試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。兩者存在相關(guān)性，當(dāng)固結(jié)快剪試驗(yàn)條件缺乏或要求在很短的時(shí)間內(nèi)提供土體固結(jié)快剪抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)，可利用快剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)估算出固結(jié)快剪的相應(yīng)數(shù)據(jù)，供設(shè)計(jì)人員參考使用。