室內土抗剪強度試驗的分析

■陳立君

（廣東省工程勘察院 廣東 廣州510000）

室內土抗剪強度試驗的分析

■陳立君

（廣東省工程勘察院 廣東 廣州510000）

土的抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力，是土的重要力學性質之一。在計算承載力、評價地基穩定性以及計算擋土墻的壓力時，都要用到土的抗剪強度指標。因此，正確地測定土的抗剪強度在工程上具有重要意義。抗剪強度的試驗方法有多種，在試驗室常見的有直接剪切試驗、三軸剪切試驗和無側限抗壓強度試驗。在現場原位測試的有十字板剪切試驗、大型直剪試驗等。選擇不同的試驗方法所測的抗剪強度各不相同?，F對室內幾種土的剪切試驗過程中應注意的問題以及測得的抗剪強度指標進行分析。

1 直接剪切實驗

直接剪切實驗是將試樣置于一定的垂直應力下，在水平方向陸續向試樣施加剪應力進行剪切。根據受力條件不同，直接剪切實驗方法可分為三種：

（1）快剪試驗：試樣在施加垂直壓力后，立即施加水平剪切，控制在3~5分鐘內將試樣剪損。對于淤泥或淤泥質土，若按《土工試驗規程》（GB/T50123-1999）對剪切速率的規定進行試驗，常會出現樣品被擠出而無法試驗的現象。像這種情況則最好采取比試驗規程規定的速率快的方法，在30秒鐘左右結束試驗才會得出較準確的試驗結果。遇到樣品不均勻時，一般將樣品按軟、硬、軟、硬的順序排列做試驗，若按軟、軟、硬、硬的順序排列試驗，會出現凝聚力C值為負數或內摩擦角φ值偏大的現象。

（2）固結快剪試驗：試樣在垂直壓力下，使其充分排水固結后，控制在3~5分鐘內加水平剪切將試樣剪損。固結快剪適用于建筑物的地基土層在自重壓力作用下已充分固結，施工進度快，欲驗算地基的強度與穩定性時采用。

（3）慢剪試驗：試樣在垂直壓力作用下充分排水固結后，在直剪儀上以很慢的速率逐漸施加水平剪應力，使試樣剪損。

以上三種試驗方法其測得的結果各異，尤其以φ值差別較大。在某工程中，對6組不同狀態的土樣進行了比對試驗，如表1可以看出，快剪法φ值最小，慢剪法φ值最大，固結快剪法φ值介于二者之間。

表1

在實驗過程中，具體采用何種試驗方法要根據實際情況或按委托方的要求而定?？旒粼囼炓话阌糜跐B透系數小于10-6cm/s的粘性土；慢剪試驗則對滲透系數無要求；對于砂性土一般用固結快剪的方法進行。

2 無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度試驗是將試樣置于不受側向限制條件下，沿軸向逐漸施加壓力，直至試樣破壞為止。它只適用于粘性土，特別是飽和軟粘性土，不適用于砂性土。在試驗過程中，確定無側限抗壓強度qu值一般有兩種情況：

（1）呈脆性破壞（多見于堅硬粘性土），有明顯的破裂面，這時應取測微表剛后退時的讀數。

（2）呈塑性破壞（多見于軟土），破壞時無明顯的破裂面，而是向四面鼓出，若是無出現峰值時，應取總應變達20%時的讀數。

3 三軸剪切試驗

三軸剪切試驗是在固定土的側向壓力條件下,不斷增加軸向壓力使土發生破壞的一種剪切試驗。它具有能控制大小主應力及排水條件，受力狀態明確，剪切面不固定，又能準確地測定土的孔隙壓力及體積變化等優點。

根據排水條件不同，三軸剪切試驗方法可分為三種：

（1）不固結不排水剪（UU）：它是指試樣在不排水條件下施加周圍壓力σ3，然后快速施加軸向壓力σ1，使試樣剪破。

（2）固結不排水剪（CU）：它是指試樣在周圍壓力σ3作用下排水固結，再在不允許排水的條件下逐級施加壓軸向壓力σ1，直至試樣剪破。

（3）固結排水剪（CD）：它是指試樣在周圍壓力σ3作用下排水固結，待固結穩定后，再在允許有水排出的條件下以極慢的速率對試樣逐級施加壓軸向壓力σ1，直至試樣剪破。

4 直剪和三軸試驗結果的比較：

4.1 快剪

在某工程中，對12組深度為3~8m的可塑狀粉質粘土進行比較試驗，以平均值相比較如表2所示：

表2

產生這一結果的主要是因為試驗要求在剪切過程中不排水，由于直剪試驗無法嚴格控制排水，也即試樣在剪切過程中實際產生了排水（尤其以粉土、砂性土更為嚴重），抗剪強度偏大。而三軸試驗由于有很好的阻水裝置，嚴格控制排水，因而所產生的φ值小于直剪試驗的φ值，而凝聚力C值則比直剪試驗的大。

4.2 固結快剪

在某工程中，對三組試樣進行了平行試驗，如表3所示，從試驗結果可以得到這樣的關系式：C 固快 ﹥CCU﹥CCU′;φ 固快﹤ φ-CU﹤φCU′。

產生上述結果的主要原因是直剪在剪切時不能嚴格控制排水所至。

4.3 慢剪

對于各向均勻性較好的土樣，慢剪中的直剪和三軸剪的C值和φ值相差較小，這是由于在直剪和三軸試驗中，均允許固結、剪切全過程排水，即試樣中孔隙水不受力，孔隙水壓力為零。所以與快剪、固結快剪相比它們的差異不大。而對于各向異性的土樣，由于直剪固定了剪破面為1/2試樣高度處它不一定是真正的軟弱面，因此兩者仍有較大的差異。

表3

5 結語

直接剪切試驗，優點在于設備簡單，試樣的制備和安裝方便，易于操作，對試樣擾動少，尤其適合現場采樣；其缺點在于不嚴格控制排水，剪切過程中試樣有效面積逐漸減少，主應力方向發生變化，剪破面上的剪應力分布不均，預定剪破面不一定就是試樣的最軟弱面。

三軸剪切試驗最大的優點在于試樣能嚴格控制排水，通過孔隙水壓力量測系統可以測定試驗過程中試樣內的孔隙水壓力變化，并且剪破面為試樣的實際軟弱面；其缺點在于試驗歷時長，操作不方便，試樣易擾動，不易進行現場試驗。在實驗過程中具體采用何種試驗方法要根據實際情況或按委托方的要求來選擇相適應的剪切方法，為工程建設與施工提供合理、準確可靠的數據。

[1]（GB/T50123-1999）土工試驗方法標準，1999

[2]張孟喜，土力學，武漢：華中科技大學出版社，2007

[3]陳希哲，土力學與地基基礎，北京：清華大學出版社，2004