土的室内剪切试验及抗剪强度分析

1、土的室内剪切试验及抗剪强度分析土的室内剪切试验及抗剪强度分析 摘要：通过对土工试验中直接剪切试验与三轴压缩试验所测得的抗剪强度进行对比与分析，指出三轴压缩试验提供的数据更为准确可靠，为工程技术人员使用抗剪强度指标提供了依据，从而对工程不同的要求提出不同的试验方法。 关键词：抗剪强度；直接剪切试验；三轴压缩试验 中图分类号： TG333.2+1 文献标识码： A 文章编号： 1 概述 土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限抵抗能力，其数值等于剪切破坏时滑动面上剪应力，是土的重要力学性质指标之一。许多建筑物地基的破坏、人工或自然斜坡的滑动以及挡土墙移动或倾倒等，都是由于土内的剪应力超过其本身的抗剪

2、强度而引起的。因此，研究土的强度特性，主要是研究土的抗剪性。 土是由固体颗粒组成的，土粒间的连结强度远远小于土粒本身的强度，在剪应力作用下，多数土体发生的剪切破坏，并不是土粒本身的破坏，而是土粒间发生相互错动，引起土的一部分相对另一部分沿着某个面发生与剪切方向一致的滑动。 抗剪强度由土颗粒之间的内摩擦角 以及由胶结物和束缚水膜的分子引力所产生的粘聚力 C两个参数组成。在计算承载力、评价地基稳定性以及计算挡土墙的土的压力时，都要用到抗剪强度指标。偏高或偏低的估计土的抗剪强度，都会给工程带来破坏和浪费。因此，提供准确可靠的抗剪强度指标、合理地使用抗剪强度指标在工程上具有重要意义。 2 土的抗剪强度

3、的测定 测定土的抗剪强度的试验主要是模拟土剪切破坏时的应力和工作条件，利用室内或现场仪器进行土的剪切试验。室内常用的有直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验；现场原位测试有十字板剪切试验、现场直接剪切试验等。选择不同的试验方法所测的抗剪强度各不相同。本文主要针对土的直接剪切试验的三种方法及快剪试验与不固结不排水（UU）试验两种方法测得的抗剪强度指标进行对比分析。 2.1 直接剪切试验 目前，直接剪切试验国内多采用四联应变控制式直剪仪。该仪器构造简单，操作方便，易于掌握。通常采用同一土样的4个试样，将试样置于剪切盒中，分别在不同的垂直应力下施加水平剪力使试样剪坏，通过量测量力环的变形值，

4、可算出剪应力的大小，得到相应的抗剪强度f，根据抗剪强度基本理论库仑定律：在法向应力变化范围不大时，抗剪强度与法向应力的关系近似为一条直线。因此，以抗剪强度f为纵坐标，垂直应力为横坐标，绘制f关系曲线（如图2），应用线性回归求出抗剪强度直线方程ftanC，直线倾角为内摩擦角，纵坐标轴上的截距即为土的粘聚力C。 图1直接剪切试验 1、剪切上盒（固定）2、剪切下盒（活动）3、土样 A、试样面积 垂直压力（kPa） 图2关系曲线C土的粘聚力 土的内摩擦角 直接剪切试验分为快剪（q）、固结快剪（Cq）和慢剪（S）。 快剪（不排水剪）（q）：快剪是在试样上施加垂直压力后，立即快速施加水平剪力，以0.8mm

5、/min（4圈/min）的剪切速率，使试样在35min内剪损。快剪试验无论施加垂直压力或水平剪力都必须迅速进行，试验过程中不允许有水排出，这时垂直压力大部分由孔隙水来承担。快剪试验遇到样品不均匀时，一般将试样按软、硬、软、硬的顺序排列做试验；若按软、软、硬、硬排列试验，会出现粘聚力C为负值或内摩擦角偏大的现象。 固结快剪（固结不排水剪）（Cq）：固结快剪是在试样施加垂直压力后，待试样充分排水固结稳定后，立即快速施加水平剪力，然后按快剪方法使试样剪切破坏。固结快剪在试样固结过程中允许试样充分排水固结，然后用很快的速度施加水平剪力，在剪切过程中不允许排水。 慢剪（固结排水剪）（S）：慢剪是在试样施

6、加垂直压力后，待试样充分排水固结稳定后，然后慢慢地施加水平剪力，0.02mm/min(1圈/10min)的剪切速率剪切至试验结束。慢剪试验在剪切过程中要使土中的水充分排出，使孔隙水压力消散，使试样排水后剪损。慢剪试验在制样、装样、固结过程方面与固结快剪相同，只是慢剪的剪切速率为0.02mm/min。 直接剪切试验的三种试验方法其测得结果各异。 以“田湾核电站3、4号机组工程项目施工仓库岩土工程详勘”分别对黏性土、粉土、砂土进行对比试验，结果见表1。从表1可以看出， 无论是粘聚力C还是内摩擦角，对于同一个土样都有：快剪固快慢剪。对于黏性土三种试验方法C、值变化较大，并且土越软，差别越大；粉土3种

7、试验方法C、值变化不大；而砂土C、值几乎没有多大变化。 直接剪切试验抗剪强度对照表 表1 土样 具体采用哪一种直剪试验应根据工程技术要求结合土层的具体情况而定。例如在深厚的高塑性黏土地基上，透水性差，施工速度快，预计土层在施工期排水固结程度很小，就应当采用快剪的参数来分析地基的稳定性；如施工期很长，预计土层能够充分排水固结，但竣工后可能有瞬时荷载，在这种情况下可以用固结快剪的参数。快剪试验一般用于渗透系数小于10-6cm/s 的黏性土；而慢剪试验则对渗透系数无要求；对于砂性土一般用固结快剪的方法进行。 2.2 三轴压缩试验 三轴压缩试验是测定土抗剪强度的另一种常用方法，采用应变控制式三轴仪。将

8、土切成圆柱体套在橡皮膜内，放入密封的压力室中，然后向压力室压入水，使试样在各个方向受到周围压力（围压）3，并使液压在整个试验过程中保持不变，这时试样内各向的三个主应力相等，因此不发生剪切如图3（a）。然后通过传力杆在试样顶面施加竖向压应力1（即主应力差），这样竖向主应力1（131）就大于水平向主应力（围压）3，随着竖向压应力1的增大，剪应力随之增大，直至土样被剪坏，这时，作用于土样上的最大主应力131，最小主应力3如图3（b）以剪应力为纵坐标，法向应力为横坐标，在横坐标轴上以破坏时的（1+3）/2为圆心，（13）/2为半径，在应力平面上绘制1个莫尔破损应力圆。取同一种土的34个试样，在不同的围

9、压下3下进行剪切，得到各个试样剪坏时不同的最大主应力1，可画出34个大小不同的莫尔破损应力圆，并绘制这些莫尔破损应力圆的公切线，根据摩尔库仑强度理论，这些莫尔破损应力圆的公切线就是土的抗剪强度包线，包线在纵坐标轴上的截距即为试样的粘聚力C，包线的倾角即为试样的内摩擦角如图3（c）。 根据试样剪切前的固结状态和剪切时的排水条件，三轴压缩试验分为不固不排水剪（UU）试验、固结不排水剪（CU）测孔隙水压力（）试验和固结排水剪（CD）试验。 同一种试样，采用不同的三轴试验方法，试验结果所得到的抗剪强度指标C与值都不相同，下面分别进行阐述。 不固结不排水剪（UU）：试样在施加周围压力和随后施加增加垂直压

10、力直至剪坏的整个过程中不允许排水，试验过程中自始至终关闭排水阀门。本试验可以测得总抗剪强度参数Cu、u。 固结不排水剪（CU）：试样在施加周围压力3后打开排水阀门，允许排水固结，待试样固结稳定后关闭排水阀门，使试样在不排水条件下剪切破坏。本试验可测得总抗剪强度参数Ccu、cu或有效抗剪强度参数 C、及初始孔隙水压力系数B和破坏时孔隙水压力系数Af 。 固结排水剪（CD）：试样在施加周围压力3后打开排水阀门，允许排水固结，待试样固结稳定后，再在排水条件下施加垂直压力至试样剪切破坏，试验过程排水阀门始终是开启的。本试验可测得有效抗剪强度参数Cd、d。 3 试验结果的对比 岩土工程勘察中通常要采用快

11、剪或不固结不排水剪（UU）抗剪强度指标，这两种试验方法虽然都是不固结不排水剪，但是试验结果却存在较大的差异。下面通过“田湾核电站3、4号机组工程项目施工仓库岩土工程详勘”的成果对比（见表2）对两种试验方法的试验结果进行对比探讨，为工程技术人员使用抗剪强度指标提供了一定的依据。表 2 列出了该工程具有代表性的土样的两种测定结果，由表2 可见，对于砂土，两种方法得到的结果很接近，快剪得到的内摩擦角略大；但对于黏性土，两种试验结果相差较大，快剪得到的内摩擦角比不固结不排水剪（UU）大，而且土越软这种现象明显，有时甚至达2倍以上，快剪得到的粘聚力一般比不固结不排水剪（UU）小，差别没有内摩擦角那么明显

12、，但也并不是所有试样的不固结不排水剪（UU）的粘聚力都比快剪大。 快剪和不固结不排水剪（UU）剪切成果 表2 4 试验结果的分析 通过对大量试验结果的对比可知，快剪试验得到的内摩擦角普遍比不固结不排水剪（UU）试验测得的内摩擦角大，这是由于快剪试验剪切面是固定的，它是假定剪切盒之间的平面为剪切面，而剪切面积随剪切位移的增加而减小，剪切力和剪应变分布都不均匀，且不能严格控制排水，部分水分从剪切盒缝隙排出，使得含水率较大的土样内摩擦角值偏大。而三轴（UU）试验剪切面是不固定的，剪切面是试样抗剪能力最弱的面，剪切力和剪应变分布均匀，且能严格控制排水，三轴压缩试验正是克服了直剪试验缺点而进行的试验，所

13、以三轴压缩试验能更好的模拟土体受力情况，所提供的数据更为准确可靠。但三轴试验操作复杂，所需试样较多，费用高，而直剪试验仪器构造简单，操作方便，费用低，虽存在不少缺点，但由于直剪试验指标在生产实践中已积累了大量经验，在一般工程中还是广泛应用。 5 试验方法的选定 室内测定土抗剪强度指标的剪切试验有直剪试验和三轴试验。根据试样剪切前的固结状态和剪切时的排水条件，直剪试验分为快剪（q）、固结快剪（Cq）和慢剪（S），相应的三轴试验分为不固结不排水剪（UU）、固结不排水剪（CU）和固结排水剪（CD）。 由于直剪试验和三轴试验的剪切面位置不同、应力路径不同、应力水平不同、控制排水的严格程度不同，常常发现

14、根据二者试验结果求得的粘聚力、内摩擦角也不同。一般来说，当土样均质、各向同性，对渗透性较低的土，三轴试验UU与快剪（q）二者结果相对接近；对渗透性较大的土，三轴试验CD与慢剪（S），二者结果相对接近。 当地基为厚层饱和黏性土，排水条件差，建筑物施工工期又很短，黏性土层在施工期来不及固结，就应采用快剪（q）或不固结不排水剪（UU）测定土的抗剪强度；当地基为黏性土薄层，而其上下土层透水性较好或采取了排水措施时，但竣工后可能有瞬时荷载，宜采用固结快剪（Cq）或固结不排水剪（CU）测定土的抗剪强度；当地基土层能自由排水，透水性能良好，不容易产生孔隙水压力，宜采用慢剪（S）或固结排水剪（CD）测定土的抗剪强度。 6 结语 在实际工作中，地基条件和加荷情况不一定十分明确，直剪试验和三轴试验是在理想化的室内试验条件下进行的，与实际工程之间存在一定的差异，因此，工程技术人员在选用指标前需要具体分析地基的各种条件，并结合类似工程加以判断，提出能反映实际的剪切方法和试验要求。如果仅仅是为了查明场地土体的抗剪强度（粘聚力、内摩擦角），那么做直剪试验就可以了，直剪试验的试验方法，应根据荷载类型、加荷速率和地基土的排水条件、土质情况等有选择地采用，在选择施加荷重时，应考虑土的状态，地质不均匀的土样、低塑性粘性土、粉土、砂土不宜进行直剪快剪试验。对于大型或特殊工程，要查明土体的