巖土的強度指標的工程意義

工程實踐中強度指標的正確選用絕非易事，由于現(xiàn)場的土的質(zhì)、施工速度控制、排水的邊界條件十分復雜，而試驗的排水條件和應力路徑與工程實際的情況很難一致，使其成為土工問題的主要難點之一。強度件指標的合理選用基于對工程條件的了解和對于土力學基本概念的準確把握。
1.有效應力強度指標與總應力強度指標
根據(jù)有效應力原理，土的抗剪強度是由土的有效應力決定的，孔隙水壓力對于土的抗剪強度沒有任何貢獻，因而使用有效應力強度指標是最為明確合理的。在一切沒有超靜孔隙水壓力或者孔隙水壓力可以確定時，都應當用有效應力強度指標。
對于砂土和碎石土，在通常的加載速率和排水條件下，可使用有效應力強度指標計算設(shè)計；只有在松散狀態(tài)下的飽和粉細砂土，擾動或振動引起的液化或者流滑時才類似于固結(jié)不排水的情況。砂土和碎石土的有效應力強度指標應通過三軸排水試驗確定，由于其滲透系數(shù)大，試驗的加載速度可以很快。如果使用直剪試驗，剪切速率以孔壓能夠消散為準，一般其剪切速率為快剪即可。對于黏性土，如果沒有產(chǎn)生超靜孔隙水壓力或者孔隙水壓力可以確定時，可以應用有效應力強度指標。例如用穩(wěn)定滲流的流網(wǎng)可以較準確地確定正常使用處于穩(wěn)定滲流狀態(tài)的土壩中各點的孔隙水壓力，長期穩(wěn)定的天然土坡，在軟黏土地基上施工非常慢的填方，或者使用砂井和塑料排水板加速地基固結(jié)而在加載時孔壓可以消散的情況。
黏性土的有效應力強度指標可以通過三軸排水試驗或者直剪儀的慢剪試驗確定，也可以通過三軸固結(jié)不排水試驗，同時量測孔隙水壓力測定有效應力強度指標。
在很多與飽和或者高飽和度的黏性土有關(guān)的工程問題中，存在無法確定的超靜孔隙水壓力，已知的只有總應力，在穩(wěn)定和強度問題計算分析時只能采用總壓力強度指標。這時可以是三軸試驗的固結(jié)不排水或不固結(jié)不排水指標（ccu，Φcu，cu， Φu），直剪試驗的固結(jié)快剪或者快剪強度指標。一般直剪試驗較易于操作，有的工程技術(shù)人員也習慣于使用它。由于三軸試驗不排水加強載過程閥門完全關(guān)閉這與實際工程問題有一定差別，是一種極端情況。
應當看到，工程實踐中強度指標的正確選用絕非易事，由于現(xiàn)場的土的質(zhì)、施工速度控制、排水的邊界條件十分復雜，而試驗的排水條件和應力路徑與工程實際的情況很難一致，使其成為土工問題的主要難點之一。強度件指標的合理選用基于對工程條件的了解和對于土力學基本概念的準確把握。
2.固結(jié)不排水強度指標的使用
如果土體在現(xiàn)有的應力體系中平衡并完全地固結(jié)，然后，由于某種原因而很快施加荷載形成不排水情況，這時就適用于固結(jié)不排水強度指標。如圖2中所示的幾種工況。其中圖2a）表示的是在填方部分1作用下填方及地基已經(jīng)固結(jié)穩(wěn)定，然后又很快施加填方部分2；圖2b）表示土壩蓄水后庫水位驟降時土壩上游邊坡的穩(wěn)定分析；圖2c）表示在一個天然土坡上很快施工一個填方的情況。在這些情況的穩(wěn)定分析中都適于使用固結(jié)不排水強度指標。

圖2 a）在1層填土固結(jié)后施工2層

c）在天然土坡上快速填方3.固結(jié)不排水強度指標的使用
如果在黏性土工程問題中，荷載是很快地被施加，從而被引起的超靜孔隙水壓力沒有時間消散，土也沒有時間在這種荷載產(chǎn)生的圍壓下固結(jié)。在這種情況下，我們假設(shè)施工中所施加的總應力變化不影響原狀土的不排水強度。圖3中所列的幾種例子包括:圖3a）在正常固結(jié)軟黏土地基上很快地填筑填方工程；圖3b）很快施工的土壩在竣工穩(wěn)定驗算時；圖3c）在正常固結(jié)黏土地基上很快施工基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)。這些工程的穩(wěn)定分析和承載力驗算中的控制條件是剛剛施加了荷載之后。而隨著時間的延續(xù)，孔壓消散，土被固結(jié)，地基或邊坡也變得更加安全了。實際工程的施工工程中，大部分屬于“部分固結(jié)”的情況，使用不排水強度指標是偏于安全的。

圖3 a）在軟黏土地基上快速施工的填方

圖3 a）土壩快速施工，竣工后，心墻未固結(jié)

如上所述，砂土一般是采用有效應力強度指標進行分析計算，但是飽和粉細砂在一些情況下，發(fā)生的現(xiàn)象應當用固結(jié)不排水強度指標進行分析，這就是液化與流滑（流沙）。圖4表示的是飽和松砂的固結(jié)不排水試驗的應力應變曲線和有效應力路徑。這時很小的應變引發(fā)了很大的超靜孔隙水壓力，使有效圍壓急劇減少，有效應力接近于0，砂土發(fā)生流滑，成為流沙，這其實是一種廣義的液化，也稱為靜態(tài)液化。最后殘余的固結(jié)不排水內(nèi)摩擦角只有幾度。圖5表示的是鄰水的松砂坡由于很小的擾動產(chǎn)生了應變，引發(fā)超靜孔隙水壓力而流滑的現(xiàn)象。最后穩(wěn)定時的坡度只有3°～5°，這就是為什么天然的河灘與海灘都是非常平緩的原因，也是飽和松砂的工程中經(jīng)常發(fā)生流沙而失事的原因。

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