无粘性土抗剪强度指标的间接求法

无粘性土抗剪强度指标的间接求法

叶存强

温州市增力工程勘察有限公司浙江温州

摘要：无粘性土，尤其是粗颗粒土，采用不扰动土样进行室内剪切试验，不可行；现场直接剪切试验测试无粘性土的抗剪强度，操作困难，工艺复杂，费用高。而运用土力学原理，量测坡面最大坡角，反算得内摩擦角，以及根据原位测试结果，间接求内摩擦角，多种方法综合确定无粘性土的抗剪强度指标，经工程实例验证，准确、合理、操作方便，实用性强，值得推广使用。

关键词：无粘性土；坡角；反算；内摩擦角；原位测试；经验关系

在工程勘察过程中，涉及土坡稳定、土压力、地基承载力等问题，需要提供抗剪强度指标。无粘性土，尤其是粗颗粒土，很难取得不扰动土样进行室内剪切试验；现场剪切试验，虽是在原位条件下进行，试验结果在理论上是可靠、精确的，但在温州地区，地表浅部无粘性土大部分为松散——稍密，在不扰动土体的情况下，难以形成具有规则平面、适应现场剪切试验的多面体试样；如果过多的人为加工、塑造，则扰动土体和改变土体的原有强度，试验结果没有充分反映土体固有抗剪强度；再者，现场剪切试验工序复杂，对试样制作、设备安装、应力施加、位移测记、安全等方面都有非常严格要求，测试费用高，费时费力，实施过程中有困难。

因此，运用土力学原理，通过量测临界边角反算土体的抗剪强度及利用动力触探与内摩擦角的经验关系求内摩擦角，具有重要的实际意义。

一、测量坡面临界坡角反算抗剪强度指标

无粘性土的抗剪强度主要来自颗粒与颗粒间的摩阻力，包括：滑动摩擦和咬合摩擦。前者是由于颗粒接触面粗糙不平所引起的，还与颗粒成分有关；后者是由于颗粒与颗粒相互咬合，对颗粒起约束作用造成，还与土的密实程度、粒径级配、颗粒形状等有关。滑动摩擦阻力和咬合摩擦阻力的大小与作用于粒间的有效法向应力成正比。

无粘性土的抗剪强度，粘聚力忽略不计，其表达式：

式中——土的抗剪强度（kPa）；

——剪切面上的法向应力（kPa）；

——土的内摩擦角（°）。

假定无粘性土为均质土，只要土坡坡面上的土颗粒在重力作用下能够保持稳定，那么整个土坡就是稳定的。

如图1所示，无粘性土坡的坡角为，土的内摩擦角。从坡面上任取一侧面竖直、底面与坡面平行的土体单元，假定不考虑该单元土两侧应力对稳定性的影响。设该小块土体的重量为，其法向分力，切向分力。法向分力产生摩擦阻力，阻止土体下滑，称为抗滑力，其值为。切向分力是促使小土体下滑的滑动力，则土体的稳定安全系数为：

式中——土的内摩擦角；

——土坡坡角。

安全系数与坡高、重度无关，仅与内摩擦角有关，对于均质颗粒土只要坡角小于土的内摩擦角，土坡就处于稳定状态。当=时，，土坡处于极限平衡状态，此时的坡角称为临界坡角，也称自然休止角。

㈠测量无粘性土的坡面坡角

在无粘性土场地，挖试坑量测其坡面的临界坡角，简单宜行，费用低，时间省，容易实施。

选取代表性的试验地段开挖试坑，试坑的开口尺寸应根据土质情况和试验深度及安全条件而定，一般工作面尺寸为2.0m×1.5m，非试验面可采用自然放坡（一般勘察场地都较宽阔，放坡没问题）或适当支护。试坑尺寸应不小于试验面边长的3倍。

试验面面积不宜小于0.8㎡，长度不宜小于1.0m，高度不宜小于0.8m，试验面的长、宽、高分别不宜小于土体最大粒径的8倍。须采用手工分层开挖，在接近无粘性土的最大稳定坡角时，不能扰动土体，缓慢小心开挖至最大坡角的坡面即为临界坡角的坡面，称为试验坡面。

坡角量测：挖成试验坡面后，静观15min后，在坡面上贴放相近大小的平板，用地质罗盘测量坡角。

试验面数量及间距：应根据工程地质条件选择在具有代表性的地段，试验组数不少于3组，每组试验面不宜少于3个。同一组试验体的土性和地质条件应基本相同。各试验面之间间距应大于试验面边长的1.5倍。

㈡数据统计计算

现场量得的无粘性土的试验坡面坡角，根据《岩土工程勘察规范》GB50021-2001第14.2.2条至第14.2.4条计算临界坡角的标准值。

假定土坡位于地下水位以上且处于极限平衡状态，代入下式求得内摩擦角：1=。

如果勘察场地有稳定渗流，根据临界坡角反算内摩擦角时，要根据地下水水力特点，考虑渗流降低临界坡角的影响，根据下式进行反算：

式中——渗透坡降；

——土的浮重度；

——水的重度；

——土的内摩擦角。

反算求得的内摩擦角，根据具体工程情况，除以1.2~1.5的安全储备系数，作为工程设计参数。

二、重型动力触探与无粘性土内摩擦角的关系

动力触探的锤击能量（重锤重量与落距的乘积），一部分用于克服土对探头的贯入阻力，称为有效能量，另一部分消耗于锤与动探杆的碰撞、探杆的弹性变形、克服探杆与孔壁土的摩擦、以及触探器贯入时地基土产生塑性变形或弹性变形消耗的能量等。

砂土、碎石土内摩擦角标准值

注：1、表中N63.5是修正后的值；2、深度范围不大于15m。

根据动探头贯入过程及贯入后开挖断面观察和模拟贯入试验，发现：

（1）重型动力触探在碎石土中贯入时，除个别风化严重的碎石颗粒有被击破外，强度较高的碎石土颗粒均未发现有击破现象。

（2）每次锤击后，探头和碎石、卵石颗粒总要出现相对位移。在贯入

过程中，探头锥尖与碎石土颗粒的接触点不断改变，当被击颗粒周围介质较松散时，主要以被击颗粒发生倾斜、偏移、挤压而通过。大颗粒周边介质的密实度和坚硬程度越高，探头越难通过。当被击颗粒的周围被其它碎石土颗粒挤紧时，被击颗粒位移严重受阻，出现高击数。此时，探头沿被击颗粒面做出跳跃式位移，探杆出现回弹和偏移，探头沿颗粒间隙处贯入，造成