地基土抗剪强度增长的预估

4.3.3　地基土抗剪强度增长的预估

在预压荷载作用下，一方面，随着排水固结的过程，地基土的抗剪强度随着时间而增长；另一方面，剪应力随着荷载的增加而增大，而且剪应力在某种条件下（剪切蠕动），还可能导致强度的衰减。因此，如果适当地控制加荷速率，使由于固结而增长的地基强度与剪应力的增长相适应，则地基就稳定。反之，如果加荷速率控制不当，使地基中剪应力的增大超过了由于固结而引起的强度增长，地基就会发生局部剪切破坏，甚至地基产生整体破坏而滑动。

地基中某一点在某一时刻的抗剪强度τ_f可表示为

式中：τ_f0——地基中某点在加荷之前的天然地基抗剪强度，用十字板或无侧限抗压强度试验、三轴不排水剪切试验测定；

　Δτ_fc——由于固结而增长的抗剪强度的增量；

　Δτ_fτ——由于剪切蠕动而引起的抗剪强度衰减量。

如果加荷速率控制得当，有充分时间让孔隙水压力消散，一方面可使Δτ_fc一项增长，另一方面也减少了Δτ_fτ，即使（Δτ_fc－Δτ_fτ）成为正值；反之，加荷过快，则有可能使（Δτ_fc－Δτ_fτ）成为负值。

目前常用的预估抗剪强度增长的方法有以下几种：

（1）有效应力法

式（4.37）中由于剪切蠕动所引起强度衰减部分，目前尚难以提出合适的计算方法，故该式改为

式中：η——考虑剪切蠕变及其他因素对强度影响的一个综合性的折减系数。

η值与地基土在附加剪应力作用下可能产生的强度衰减作用有关，根据国内有些地区实测反算的结果，η值为0.8～0.85。如判定地基土没有强度衰减可能时，则η＝1.0。

强度增量Δτ_fc的预估方法如下：

当饱和黏性土在三轴仪中的固结不排水剪切试验用有效应力表达时为

式中：c′、φ′——分别为有效黏聚力和有效内摩擦角；

　σ′——有效正应力。

图4.17　饱和黏性土固结强度

对正常固结饱和黏土，当c′＝0时，抗剪强度为

见图4.17，在三角形ABC中，

又根据极限平衡条件式：

解联立式，得

则式（4.43）可改写为

因此，由于的增量Δ而产生的强度增量Δτ_fc为

式中：U_t——地基中某点的固结度。

将式（4.45c）代入式（4.38），得

（2）有效固结压力法

土体的实际受力情况和排水条件是很复杂的，不可能在实验室试验中完全得到模拟，该法是采用只模拟压力作用下的排水固结过程，不模拟剪力作用下的附加压缩的方法。对于荷载面积相对于土层厚度比较大的预压工程，这样的模拟大致是合理的。而土的强度变化可通过剪切前的有效固结压力来表示。对于正常固结饱和软黏土，其强度变化为

式中：φ_cu——由固结不排水剪切试验测定的内摩擦角，也可根据天然地基十字板剪切试验值与测定点土自重应力的比值决定。

因而，由于固结而增长的强度可按下式计算：

同样，对欠固结土：

对超固结土：

式中：u₀——自重下该点的孔隙水压力；

σ_c——该点的超固结压力，σ_c＝p_c－σ_s，其中：p_c为先期固结压力；σ_s为现有自重压力。

（3）利用天然地基十字板强度推算

图4.18　τ－z关系图

由十字板测定天然地基抗剪强度τ₀与深度z的关系为（图4.18）：

式中：c₀——地基强度随深度增长线在地面上的截距（kPa）；

　λ——地基强度随深度增长线的斜率；

　z——地面以下某点深度（m）。

软土地基在附加荷载作用下，地基固结后抗剪强度（随时间t与深度z而变化）可用下式表示：

式中：σ_z——地基中某点深度z的垂直向附加应力（kPa）；

　γ——土的重度（kN／m³），在地下水位以下取浮重度。

（4）含水量法

式中：w₀——天然含水量；

　w——任意时刻含水量；

　c_f——剪损状态下的压缩系数，近似于一般固结试验中的压缩系数c_c。

如果能正确地测定软土层在某一时刻的压缩量ΔH，则相应的含水量就变化为

式中：H——软土层厚度；

　d_s——土粒相对密度。

将式（4.54）代入式（4.53）求得：

（5）按单轴无侧限抗压强度或不排水抗剪强度确定

式中：Δq_u——无侧限抗压强度增量；

　Δc_uu——不排水抗剪强度增量；

　p_c——先期固结压力。

（6）按《港口工程技术规范》计算

式中：φ_cu——用三轴固结快剪或直剪试验求得的内摩擦角。

（7）Skempton（斯开普顿）经验公式

式中：I_P——塑性指数。

（8）经验方法

日本对冲积黏土，采用以下经验方法：

（9）斯开普顿和毕肖普方法

对正常固结土：

式中：K₀——侧压力系数；

　φ′——有效应力内摩擦角；

　A——孔隙水压力系数。

对高压缩性的饱和软黏土，A≈1，则