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50第 49 卷 第 4 期2023 年8月四川建筑科学研究Sichuan Building Science成都黏土强度特性的试验研究及其基坑土压力的计算方法Camila Mendoza1，毛坚强1，夏自赛1，赵卫星2，邱童春2，王伟浩1（1.西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031；2.中铁建昆仑地铁投资建设管理有限公司，四川 成都 610081）摘 要：以褐黄色、砖红色、灰白色等 3 种典型的成都黏土为对象，通过三轴压缩试验研究了其母体土在天然含水量、饱和状态时的抗剪强度特性；通过直剪试验研究了其中的裂隙在无水、有水时的抗剪强度特性；建立了考虑裂隙时的土压力计算公式，可供设计使用。此外，通过膨胀力试验确定了这 3 种土的膨胀力。研究结果表明，饱和状态时母体土的黏聚力可降至天然含水量时的1846，并会对基坑的土压力及稳定性产生显著影响。裂隙面对土压力的影响程度与其方向密切相关。在不利的情况下，裂隙面会导致主动土压力显著增大、被动土压力显著减小，成为影响基坑土压力及稳定性的决定因素。总体上看，对成都黏土基坑土压力及稳定性产生不良影响的主要因素是水及土中的裂隙，而膨胀性的影响相对较小。关键词：成都黏土；裂隙面；抗剪强度；基坑；土压力DOI：10.19794 ki.1008-1933.2023.0046中图分类号：TU432 文献标志码：A 文章编号：1008-1933（2023）04-0050-08ExperimentalstudyontheshearstrengthofChengduclayandthemethodtocomputetheexcavationearthpressureCamila Mendoza1，MAO Jianqiang1，XIA Zisai1，ZHAO Weixing2，QIU Tongchun2，WANG Weihao1（1.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.CRCC Kunlun Metro Investment&Construction Management Co.Ltd.，Chengdu 610081，China）Abstract：Taking three typical Chengdu clay with brown yellow，brick-red and off-white colors as the object，the shear strength of the soil in natural water content and saturation content was studied by triaxial compression test.The shear strength of the soil under the condition of fissure withwithout water was studied by direct shear test.The formulae to compute the earth pressure of fissured clay were established，which were applicable to the design.Moreover，the swelling forces of the three kinds of clays were determined by swelling force test.It is found that the cohesion of saturated clays will decrease to 18-46 of the cohesion of the clays in natural water content，which affects the earth pressure and the stability of excavation.The influence of fissure in clay to the earth pressure depends on the dip of fissure.When the dip of fissure is adverse，the activepassive earth pressure will increasedecrease appreciably，then the fissure becomes the key factor to affect the earth pressure and the stability of excavation.In 收稿日期：2023-01-14第一作者：Camila Mendoza（1995），女，硕士研究生，主要从事基坑方面的研究工作。E-mail：mendozamariacamila 512023 第 4 期Camila Mendoza，等：成都黏土强度特性的试验研究及其基坑土压力的计算方法summary，water and fissure are the main influence factors to the earth pressure and stability of excavation in Chengdu clay，while the influence of dilatability of clay is smaller.Keywords：Chengdu clay；fissure surface；shear strength；excavation；earth pressure0 引 言裂隙性黏土广泛地存在于中国西南、中南、华东、华北地区及世界多地，由于其具有一些与一般黏土不同的特性，因此一直受到研究者的关 注1-5。其中，分布于川西平原成都市东郊至龙泉山麓等地区的这类土也被称为成都黏土4-5，其母体土在天然含水量状态下的抗剪强度很高，土体中裂隙发育，并具有一定的膨胀性，因此在工程中也常被称为膨胀土。整体上看，与成都黏土的起源、成因等地质方面的研究成果相比，关于其工程特性及工程应用的研究成果相对较少4，6-9，人们对其在基坑、边坡等工程中的作用机理还缺乏足够的认识，这导致成都黏土中工程的事故率远高于其他类型土层。对 24 个成都黏土基坑的调查结果表明10-14，事故可发生于不同深度（418 m）、不同支护形式（放坡，或土钉墙、排桩、桩-锚等）的基坑中，破坏形式则包括变形过大、支护结构破坏、局部或整体失稳等。本文将以 3 种典型的成都黏土为研究对象，通过三轴压缩试验、直剪试验确定母体土、裂隙面的抗剪强度，并分析水对其强度特性的影响。在此基础上，进一步探讨考虑裂隙面影响时的基坑土压力计算方法，为相关设计提供参考。1 成都黏土抗剪强度特性的试验研究1.1 试验概况试样取自 2 个施工中的基坑。其中：第 1 个基坑位于成都市龙泉驿区兴业大道，其土呈褐黄色，如图 1（a）所示；第 2 个基坑位于成都市成华区航天路，其土呈砖红色及灰白色，如图1（b）、（c）所示。这 3 种颜色的土代表了成都黏土的主要类型。图 1（d）为其裂隙面。试验概况如下：图 1 成都黏土Fig.1 Chengduclay1）在现场取不含裂隙的土块削成高度约 150 mm、直径约 60 mm 的圆柱状土样，并用保鲜膜密封，然后在实验室进一步加工成标准试件，进行三轴压缩试验；2）用环刀取土样，以进行天然密度、含水量测量试验，裂隙面直剪试验及膨胀力试验；3）通过室内试验，测得褐黄色、砖红色、灰白色黏土的天然密度平均值分别为 2.02、2.10、2.12 g cm3，天然含水量平均值分别为 16.52、23.10、20.14。1.2 母体土的抗剪强度特性对上述 3 种土分别进行天然含水量及饱和状态时的三轴压缩试验。其中：1）成都黏土的层厚为 5 20 m4，据此，试验时围压分别选为 0、25、50、75、100、125、150 kPa。2）母 体 土（其 中 不 含 裂 隙）试 样 高 度 为 52第 49 卷四川建筑科学研究80 mm，直径为 39.1 mm。此外，采用反压饱和法制作饱和试样。3）采用不固结不排水剪（UU）法，在 TSZ-1型全自动三轴仪上完成试验。图 2 为天然含水量时土样的破坏形态。图 3 为各土样在天然含水量及饱和状态时的1-3-全过程曲线（1、3、分别为土样所受的大、小主应力及竖向应变）。由此可确定破坏时1f-3f 的峰值及围压3f，并进一步得到其对应的（1f-3f）2 及（1f+3f）2，如图 4 所示。假设土样的破坏满足 Mohr-Coulomb 强度准则（1）式中：1f、3f分别为土样破坏时所受的大主应力、小主应力（围压），c、分别为土样的黏聚力、内摩擦角。图 2 土样的破坏形态（天然含水量时）Fig.2 Failuremodesofsamples（innaturalwatercontent）通过线性拟合，可得到 3 种土样在天然含水量及饱和状态时的抗剪强度指标，见表 1。表 1 母体土的抗剪强度指标Table1 Shearstrengthindicesoftheclays土的类型天然含水量饱和状态黏聚力 kPa内摩擦角（）黏聚力 kPa内摩擦角（）褐黄色129.9122.2123.6222.74砖红色139.4117.7964.0714.63灰白色132.1711.6556.6411.08试验结果表明：1）天然含水量下，3 种黏土均表现出坚硬黏土的破坏特点，强度达到峰值后急剧下降，且土样基本沿与水平面夹角为 45+2 的剪切面发生破坏。同时可以看出，天然含水量下的母体土强度很高，其黏聚力可达 130 kPa 左右。2）饱和状态时，土样的抗剪强度显著下降，主要表现为黏聚力减小。砖红色和灰白色黏土的黏聚力分别下降到原黏聚力的 46、43，而褐黄色黏土则下降到只有原黏聚力的 18。若将上述结果用于基坑工程，以褐黄色黏土为例，采用 Rankine 土压力理论中的临界深度计算公式（为土的重度，Ka为主动土压力系数）估算基坑能够自立（不加支护）的最大深度，其值高达 19.2 m，显然与实际不符，这说明仅母体土的强度并不能准确反映出裂隙土的强度特性。1.3 裂隙面的抗剪强度特性1）在裂隙有水状态和无水状态下分别对 3 种黏土进行直剪试验。由于实际土体中的裂隙很难取样，故试验时采用环刀取土样，然后再进行切割的方法获得模拟的裂隙。2）每组试验的竖向压力分为 8 级，即 50 400 kPa，按每级 50 kPa 增加。3）试验在 ZJ 型应变控制式直剪仪上完成，采用位移控制，加载速度为 0.8 mm min。以褐黄色土样为例，图 5 给出了不同竖向压力作用下裂隙面的剪应力-变形曲线。根据 Coulomb 定律，裂隙面的抗剪强度可表532023 第 4 期Camila Mendoza，等：成都黏土强度特性的试验研究及其基坑土压力的计算方法示为（2）式中：f和f分别为破坏时裂隙面上的剪应力和正应力，cr和r分别为裂隙面的黏聚力和内摩擦角。由剪应力-变形曲线可得到裂隙面在不同法向压力作用下的抗剪强度，然后进行线性拟合（图 6），得到裂隙面的抗剪强度指标，见表 2。图 31-3-全过程曲线Fig.3 Wholeprocesscurvesof1-3-表 2 裂隙面的抗剪强度指标Table2 Shearstrengthindicesoffissuresurface土的类型裂隙无水裂隙有水黏聚力 kPa内摩擦角（）黏聚力 kPa内摩擦角（）褐黄色19.9325.858.3224.23砖红色 0.8519.470.2518.37灰白色 0.8812.370.3210.32从试验结果看，3 种黏土的裂隙面内摩擦角与母体土相近，且除褐黄色黏土外，其余 2 种黏土黏聚力几乎为 0。显然，裂隙面的抗剪强度远低54第 49 卷四川建筑科学研究于其母体土，因此，在