淺談土的抗剪強度試驗

摘要：土的抗剪強度指標(biāo)是通過土工試驗測得的，目前室內(nèi)試驗常用的方法是直接剪切試驗和三軸壓縮試驗，野外試驗常用的方法是十字板剪切試驗和大型直剪試驗。文章分析了目前在室內(nèi)測定土的抗剪強度的試驗方法原理及它們各自的優(yōu)缺點，介紹了在野外測定土的抗剪強度的試驗方法，并梳理了抗剪強度試驗指標(biāo)的一般規(guī)律。

關(guān)鍵詞：土；抗剪強度指標(biāo)；土工試驗；室內(nèi)試驗；野外試驗 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TU459 文章編號：1009-2374（2015）08- DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.

巖土工程中土體的破壞主要是剪切破壞，研究土的強度主要就是研究土的抗剪強度，土的抗剪強度是指土抵抗剪切破壞的極限強度，它在很大程度上決定了土的承載力，在建筑物地基設(shè)計之前必須測定土的抗剪強度指標(biāo)（粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ），并據(jù)此計算地基的承載力和評價地基的穩(wěn)定性。土的抗剪強度指標(biāo)是通過土工試驗測得的，目前室內(nèi)試驗常用的方法是直接剪切試驗和三軸壓縮試驗，野外試驗常用的方法是十字板剪切試驗和大型直剪試驗。下面就這幾種試驗方法進行較全面的分析和梳理。

1 室內(nèi)試驗

1.1 直接剪切試驗

直剪試驗是最早最簡單目前使用最多的測定土的抗剪強度的試驗方法。直剪試驗儀有應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種，一般用應(yīng)變控制式，因為它能較準(zhǔn)確地測定剪應(yīng)力峰值且操作簡便。直剪試驗一般用于測定細粒土的c和φ及粒徑小于2mm砂土的φ，通常每組取4個試樣，在4種不同垂直壓力（一般在100～400kPa）下進行剪切試驗，測得剪應(yīng)力與位移關(guān)系曲線，取曲線上的峰值剪應(yīng)力（若無峰值取剪切位移達4mm時的強度值）作為該垂直壓力下的抗剪強度，通過幾個試樣的抗剪強度確定強度包線求出c和φ。直剪試驗具有儀器簡單、試樣的制備和安裝方便等優(yōu)點；但儀器構(gòu)造決定了試樣不是沿土樣中最薄弱的面破壞、剪切面上的剪應(yīng)力分布不均勻、排水條件不能有效控制等，這些缺點使測得的指標(biāo)不夠理想，所以直剪試驗多用于二三類普通工程。直剪試驗根據(jù)固結(jié)、排水和剪切速率等情況的不同又可分為以下5種不同的試驗方法：

1.1.1 快剪試驗：適用于滲透系數(shù)小于10-6cm/s的細粒土，是在試樣施加垂直壓力后立即快速剪切，一般用0.8mm/min的速度在3～5分鐘內(nèi)剪損，目的是在剪切過程中盡量避免排水，使試驗前后的含水率接近。當(dāng)?shù)鼗镣杆暂^差排水不良時可用這種方法，但是測出的結(jié)果往往離散性較大。

1.1.2 固結(jié)快剪試驗：是在試樣上施加垂直壓力待排水固結(jié)穩(wěn)定后，再快速施加水平剪切力進行剪切，剪切過程跟快剪一樣避免排水。剪切速率的快和慢實際上是為了控制試樣的排水條件，但對滲透性大的土類在快剪中還是要排水，所以這種方法也只適用滲透系數(shù)小于10-6cm/s的土，固結(jié)快剪比快剪測得的結(jié)果

穩(wěn)定。

1.1.3 慢剪試驗：是在試樣上施加垂直壓力待排水固結(jié)穩(wěn)定后，再以小于0.02mm/min的速度使試樣在充分排水的條件下進行剪切。當(dāng)?shù)鼗僚潘畻l件較好，地基容易在短時間內(nèi)固結(jié)，且在施工期和工程使用期有充分時間允許排水固結(jié)時，可采用慢剪試驗。

1.1.4 砂類土的直剪試驗：由于砂土的透水性強，排水快，所以濕潤狀態(tài)與干燥狀態(tài)的強度變化不大，可采用較快的剪切速率，它的受剪過程大多相當(dāng)于固結(jié)排水剪情況。

1.1.5 排水反復(fù)直剪試驗：是在試樣上施加垂直壓力待排水固結(jié)穩(wěn)定后，再對試樣在最大剪切位移下充分排水反復(fù)慢剪至剪應(yīng)力達到穩(wěn)定值，以測定土的殘余抗剪強度。擾動試樣和原狀試樣的殘余強度通常相接近，同一種土在同一有效壓力作用下，其殘余強度相同，所以當(dāng)無法取得原狀土?xí)r可取擾動土進行試驗。此方法適用于超固結(jié)粘性土及軟弱巖石夾層的粘性土，反復(fù)直剪簡單易行，對多數(shù)土均能測得較好的成果，因此應(yīng)用較廣。

1.2 三軸壓縮試驗

三軸試驗適用于測定粘性土和砂土的抗剪強度參數(shù)，應(yīng)變控制式三軸壓縮儀是目前測定抗剪強度較為完善的儀器，試驗時通常每組制備3個高徑比為2～2.5的圓柱形試樣，分別在不同的恒定周圍壓力下施加軸向壓力進行剪切直至破壞，取應(yīng)力應(yīng)變曲線上的峰值應(yīng)力（無峰值時取縱向應(yīng)變15%時的應(yīng)力）作為抗剪強度。三軸試驗較直剪試驗完善，其優(yōu)點是能嚴格控制排水條件，土的受力狀態(tài)和孔隙水的影響比直剪試驗更能接近實際情況，破壞面是最弱面，試驗結(jié)果更可靠。缺點是儀器構(gòu)造復(fù)雜、試樣制備和操作比較麻煩等，因此多用于甲級建筑物等重大工程。三軸試驗根據(jù)固結(jié)和排水條件等情況的不同，又可分以下5種不同的試驗方法：

1.2.1 不固結(jié)不排水剪試驗：是在施加周圍壓力和軸向壓力直至破壞過程中都不允許試樣排水固結(jié)，試驗過程由始至終關(guān)閉排水閥門，土樣在剪切破壞過程中不能將孔隙水排出。

1.2.2 固結(jié)不排水剪試驗：是先對土樣施加周圍壓力，然后打開排水閥門，讓土樣中的水排入量水管中直到排水終止土樣完全固結(jié)，然后關(guān)閉排水閥門施加軸向壓力，使土樣在不排水條件下剪切破壞。

1.2.3 固結(jié)排水剪試驗：是試樣先在周圍壓力作用下排水固結(jié)，然后在允許試樣充分排水的情況下增加軸向壓力直至破壞，這種試驗方法的特點是，在全部試驗過程中一直打開排水閥門，讓土樣在固結(jié)和剪切過程中都充分排水，使土樣中不產(chǎn)生孔隙水壓力。

1.2.4 無側(cè)限抗壓試驗：它是三軸壓縮試驗的特例，是三軸壓縮試驗中周圍壓力為0時測得的抗壓強度，本試驗適用于測定飽和軟粘土的無側(cè)限抗壓強度及靈敏度，也可用來推求飽和粘土的不固結(jié)不排水剪

強度。

2 野外試驗

2.1 十字板剪切試驗

十字板剪切試驗是在工地現(xiàn)場用十字板剪切儀直接測試地基土抗剪強度的一種原位測試方法，它的優(yōu)點是不需鉆取原狀土樣，對土的結(jié)構(gòu)擾動性較小，適用于在現(xiàn)場測定飽和粘性土的原位不排水強度，特別適用于均勻的飽和軟粘土。

2.2 大型直剪試驗

對于無法取得原狀土樣的土類，可采用現(xiàn)場大型直剪試驗，它適用于測定邊坡和滑坡的巖體軟弱結(jié)合面、巖石和土的接觸面、滑動面和土的混合層及其他粗顆粒土層的抗剪強度，由于大型直剪試驗土樣的剪切面面積較室內(nèi)大得多，又在現(xiàn)場測試，因此它更符合實際

情況。

3 抗剪強度指標(biāo)的一般規(guī)律

第一，同樣的土在不同方法的直剪試驗中，測得的c值相差較小（快剪略大，慢剪略小），而φ值相差較大（快剪﹤固結(jié)快剪﹤慢剪）。

第二，同樣的土在不同方法的三軸試驗中，測得的c值的規(guī)律是：不固結(jié)不排水剪>固結(jié)不排水剪>固結(jié)排水剪=0；φ值的規(guī)律是：不固結(jié)不排水剪﹤固結(jié)不排水剪﹤固結(jié)排水剪。

第三，粗粒土的c值=0，抗剪強度由φ值決定，而φ值與組成土的礦物質(zhì)和土的密度有關(guān)；松散狀態(tài)砂土的φ值≈天然休止角，同種砂土在相同的e0下飽和時的φ比干燥時稍小（一般小2°左右）。

第四，細粒土的抗剪強度由c和φ組成，以c為主；細粒土粘性越強，c越大，φ越小；密度越大，c和φ越大；含水率越高，c和φ越小。

第五，飽和軟粘土φ=0，cu≈無側(cè)限抗壓強度的1/2≈十字板剪切試驗測出的強度。

4 結(jié)語

綜上所述，土的抗剪強度不僅與土本身的類型、密實度及含水率等內(nèi)在因素有關(guān)，還與土受剪切時的固結(jié)情況、排水條件等外界因素有關(guān)。在實際工作中應(yīng)根據(jù)各類建筑工程的具體情況，選擇相應(yīng)的儀器與方法進行試驗，才能保證為工程設(shè)計提供可靠的抗剪強度參數(shù)。

參考文獻

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作者簡介：馬玉華（1969-），女，重慶人，供職于重慶一三六地質(zhì)隊，研究方向：巖土測試。

（責(zé)任編輯：蔣建華）