抗剪强度指标的主要影响因素

抗剪强度指标的主要影响因素摘要：抗剪强度指标是评价岩土体性质和工程设计的重要参数，是工程设计质量和工程施工成败的关键，受多种因素影响.本文考虑了影响抗剪强度指标的孔隙比、含水率、塑性指数三种影响因素，通过正交设计的方法，利用直剪试验，应用Excel及MATLAB语言对试验数据进行回归分析，得出粘聚力和内摩擦角与孔隙比、塑性指标、含水率三种因素的函数关系.尤其是建立的抗剪强度指标与孔隙比、含水率、塑性指数的回归方程即综合关系，有较好的相关性.关键词：抗剪强度指标；影响因素；正交设计；回归分析1前言土的剪切变形实质是一部分土体对另一部分土体的相对位移，土的抗剪性说明了土抵抗剪切破坏的能力.而细粒土的抗剪强度指标有内摩擦角φ和粘聚力c两部分组成，但以粘聚力为主.粘聚力是土连结的反映，包括结合水连结、胶结连结和毛细连结.大部分细粒土的连结以结合水连结为主，且随着含水率的增加而减弱.由于土粒周围存在结合水，细粒土的内摩擦阻力较小，某些高塑性粘的内摩擦角接近零度.所以，细粒土的抗剪强度主要决定于土的粒度和密实度.而土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力.当土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时,土体就会发生一部分相对于另一部分的移动，该点便发生了剪切破坏.工程实践和室内试验都验证了建筑物地基和土工建筑物的破坏绝大多数属于剪切破坏.在土力学和各种土木工程建设工作中，对于土体稳定性的计算分析而言抗剪强度(土的内摩擦角和粘聚力)是其中最重要的计算参数.能否正确地测定土的抗剪强度往往是设计质量和工程成败的关键所在.因此，本论文就针对细粒土的含水率w、孔隙比e、塑性指数Ip对抗剪强度指标粘聚力c和内摩擦角φ的影响进行分析.从而建立c、φ与e、w、Ip之间建立一种线性关系.为工程实际中提供更多方便，解决更多麻烦，帮助更多工程提高质量，可以更系统的更全面的为抗剪强度指标在工程中的应用方面进行研究.2抗剪强度试验2.1试验方法2.1.1正交设计法正交设计是多因素的优化试验设计方法，也称为正交试验设计.它是考虑如何安排多因素多水平的试验.能合理而高效地获得所需要的分析数据，并用相应的方法分析这些数据，以确定哪些因素的影响是主要的，各因素用什么水平搭配起来对试验的指标是最佳的.也是从全面试验的样本点中挑选出部分有代表性的样本点做试验，这些代表点具有正交性.其作用是只用较少的试验次数就可以找出因素水平间的最优搭配或由试验结果通过计算推断出最优搭配.正交设计在改进产品配方、降低原料和能源的消耗，提高产品的产量和质量等方面具有广泛的应用.因为它的设计方法和最优搭配相对复杂，很难设计出正确与最优的正交方案，所以它并没有在其它领域也同样得到世界的认可.2.1.2直剪试验法土的抗剪强度可以通过室内试验与现场试验测定.直剪试验是其中最基本的室内试验方法.直剪试验使用的仪器称直剪仪，按加荷方式分为应变式和应力式两类.前者是以等速推动剪切盒使土样受剪，后者则是分级施加水平剪力与剪力盒使土样受剪.本论文采用前者方式使土样受剪.因为目前我国普遍应用的是应变式剪仪试验开始前将金属上盒和下盒的内圆腔对正，把试样置于上下盒之间，通过传压板和滚珠对土样先施加垂直方向应力σ=F/S(S—土样的截面积)，然后在施加水平剪力T，使土样沿上下盒水平接触面发生剪切位移之至破坏.在剪切过程中，隔固定时间间隔，测读相应的剪变形，求出施加于试样截面的剪应力值.但是为了考虑固结程度和排水条件对抗剪强度的影响，根据加荷速率的快慢将直剪试验划分为快剪、固结快剪和慢剪三种试验类型:快剪：竖向压力施加后立即施加水平剪力进行剪切，使土样在3-5分钟内剪坏.由于剪切速度快，可认为土样在这样短暂时间内没有排水固结或者说模拟了“不排水”剪切情况.得到抗剪指标用c、φ表示.固结快剪：竖向压力施加后，给以充分时间使土样排水固结.固结终了后施加水平剪力，快速地(约在3～5min内)把土样剪坏，即剪切时模拟不排水条件.得到的抗剪强度指标.慢剪：竖向压力施加后，让土样充分排水固结，固结后以慢速施加水平剪力，使土样在受剪过程中一直有充分时间排水固结，直到土被剪破，得到抗剪强度指标.上述三种试验方法对粘性土是有意义的，但效果要视土的渗透性大小而定.对于非粘性土，由于土的渗透性很大，即使快剪也会产生排水固结，所以常只采用一种剪切速率进行.直剪试验的优点是仪器构造简单，操作方便，它的主要缺点是：不能控制排水条件；剪切面是人为固定的，该面不一定是土样的最薄弱的面；剪切面上的应力分布不均匀的.直剪试验中获得土的抗剪强度指标明显高于三轴试验的结果.因此，为了克服直剪试验存在的问题，后来又发展了三轴压缩试验方法，三轴压缩仪是目前测定土抗剪强度较为完善的仪器.2.2试验方案在试验中考虑了影响抗剪强度指标的孔隙比、含水率、塑性指数三种因素，采用正交设计法进行正交设计，得到试验方案.用于试验的土样必须先确定出土样的塑性指标.因为只有这样才能更好的了解土样的性质，确定土样的类别.2.2.1土样的塑性指标塑性指标包括液限WL和塑限WP.液限WL是指流动状态与可塑状态分界含水量.塑限WP是指可塑状态与半固体状态间的分界含水量.工程中是根据塑性指数的大小对粘性土进行分类的，塑性指数越大，可塑性越大.本论文，主要是取三种不同的土样，然后按照《公路土工试验规程》的规范要求，通过液塑限合测定仪来确定土的塑性指数Ip.塑性指数Ip=WL-WP，它习惯上用不带百分号的指数表示.试验得到的锥入深度与含水率的关系如图1～