直接剪切試驗(yàn)在實(shí)際工作中的應(yīng)用

何 麗 紅

(山西冶金巖土工程勘察總公司，山西 太原 030002)

直接剪切試驗(yàn)在實(shí)際工作中的應(yīng)用

何 麗 紅

(山西冶金巖土工程勘察總公司，山西 太原 030002)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外高層建筑以及一些大型工程的興建和近幾年來(lái)多次強(qiáng)烈地震的發(fā)生，土力學(xué)理論和地基基礎(chǔ)技術(shù)日益得到重視。主要就巖土工程勘察土工試驗(yàn)中的直接剪切試驗(yàn)從選擇方法和試驗(yàn)中應(yīng)注意的事項(xiàng)上做一闡述。

地基基礎(chǔ)，直接剪切，抗剪強(qiáng)度

1 地基基礎(chǔ)中抗剪強(qiáng)度的重要性

各類建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，為保證建筑物的安全，必須同時(shí)滿足兩個(gè)技術(shù)條件:地基變形條件和地基強(qiáng)度條件。地基沉降量、沉降差、傾斜、局部?jī)A斜等都不超過(guò)地基條件變形值；保證地基穩(wěn)定性，不發(fā)生剪切或滑動(dòng)破壞。對(duì)土的強(qiáng)度問(wèn)題不注意，可能產(chǎn)生地基失穩(wěn)的事故，其后果嚴(yán)重，往往是災(zāi)難性的破壞，很難挽救。土的強(qiáng)度問(wèn)題用于地基承載力與地基穩(wěn)定性、土坡的穩(wěn)定性以及擋土墻及地下結(jié)構(gòu)上的土壓力。當(dāng)?shù)鼗艿酵獠亢奢d的作用后，土中各點(diǎn)產(chǎn)生法向應(yīng)力和剪應(yīng)力。若剪應(yīng)力達(dá)到該點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度，則土沿著剪應(yīng)力的作用方向產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，如果到達(dá)強(qiáng)度破壞的點(diǎn)隨著外荷增大而越來(lái)越多，最后形成一個(gè)連續(xù)的滑動(dòng)面，整個(gè)地基失去穩(wěn)定而發(fā)生破壞，這就是土的抗剪強(qiáng)度問(wèn)題。所以在巖土工程中，土的抗剪強(qiáng)度問(wèn)題是必須加以考慮的重中之重。

2 實(shí)驗(yàn)室中土的抗剪強(qiáng)度的測(cè)定方法

在實(shí)驗(yàn)室中，測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度一般常見(jiàn)的儀器有直接剪切儀、無(wú)側(cè)限壓縮儀、三軸剪切儀等。實(shí)驗(yàn)室直接剪切試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況和土孔隙水壓力消散程度常采用三種不同方法：在施加垂直荷重后，讓孔隙水壓力消散，再施加水平剪力，每級(jí)剪力施加后，都充分排水，使土樣在應(yīng)力變化過(guò)程中始終處于孔隙水壓力為零的完全固結(jié)狀態(tài)，一直到土樣剪損，這種方法稱作排水剪也叫慢剪，所測(cè)得的抗剪強(qiáng)度最大；與排水剪相反，當(dāng)施加垂直荷重后立即施加水平剪力，在3 min～5 min內(nèi)把土樣剪壞。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，不讓土中孔隙水排出，保持土的含水量不變，試樣中存在孔隙水壓力，有效應(yīng)力減小，這種試驗(yàn)方法稱作不排水剪即為快剪，所測(cè)得的抗剪強(qiáng)度最小；以上兩種方法的組合，在施加垂直荷重后，讓孔隙水壓力完全消散，也就是固結(jié)穩(wěn)定后再施加水平剪力，在3 min～5 min內(nèi)把土樣剪損，這種試驗(yàn)方法稱為固結(jié)不排水剪也叫作固結(jié)快剪，所測(cè)得的抗剪數(shù)值介于快剪和慢剪試驗(yàn)方法之間。

3 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法在實(shí)際工作中的應(yīng)用

不同的排水狀態(tài)所測(cè)得的c，φ值差別很大，為了使試驗(yàn)時(shí)的排水狀態(tài)盡量與工程實(shí)際一致，故應(yīng)對(duì)不同的土質(zhì)采用不同的試驗(yàn)方法。直剪試驗(yàn)中快剪試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度最小,用這種方法測(cè)得的c，φ值在計(jì)算地基穩(wěn)定性上相對(duì)安全，被普遍采用。雖然直剪試驗(yàn)在測(cè)定抗剪強(qiáng)度上有明顯缺點(diǎn)，受力復(fù)雜、排水情況不容易控制等，但是所用儀器和操作都比較簡(jiǎn)單，測(cè)得的c，φ值評(píng)定穩(wěn)定性上又比較安全，且有長(zhǎng)期以來(lái)試驗(yàn)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，所以現(xiàn)在一般的實(shí)驗(yàn)室仍在廣泛使用。

對(duì)飽和的軟粘性土，φ≈0，規(guī)范規(guī)定應(yīng)采用三軸試驗(yàn)儀做無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，但對(duì)取土試樣的質(zhì)量有嚴(yán)格規(guī)定，應(yīng)為一級(jí)土試樣。然而在實(shí)際工作中，送樣單位并不十分了解土樣的狀態(tài)，應(yīng)該采用何種試驗(yàn)方法較為合適，多數(shù)都要求對(duì)試樣做簡(jiǎn)單快捷的直接剪切試驗(yàn)，并為了實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏于安全，要求采用快剪試驗(yàn)。這時(shí)候?qū)@種土樣如何測(cè)得既符合理論又符合實(shí)際的數(shù)值，就需要試驗(yàn)人員不但具備豐富的理論知識(shí)，對(duì)土樣的土質(zhì)有很高的分析能力，并且要有深厚的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的功底，而且須具備較高的職業(yè)操守，把一個(gè)并不十分合乎試驗(yàn)要求、但在實(shí)際工作中常碰到的狀況，運(yùn)用不十分準(zhǔn)確的試驗(yàn)方法，提交一個(gè)切合理論切合實(shí)際的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這是一個(gè)高標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)人員都應(yīng)具備的能力。

下文以這種滲透系數(shù)小于10-6cm/s的飽和粘性土為例較詳細(xì)的闡述采用快剪的試驗(yàn)方法及其注意事項(xiàng)。

3.1試驗(yàn)步驟

1)試樣制備采用內(nèi)徑61.8 mm、高20 mm的不銹鋼環(huán)刀，在內(nèi)壁涂一層薄凡士林，刃口向下放在土樣上，將環(huán)刀垂直下壓，壓至土樣高出環(huán)刀，因土樣較軟，采用鋼絲鋸整平環(huán)刀兩端，制備一組試樣，選取質(zhì)量最為接近的四個(gè)試樣放于玻璃板上，上部再覆蓋一玻璃板，防止土樣水分流失，保持原有含水率，且防止試樣之間相互粘連。

2)對(duì)準(zhǔn)剪切儀器的上下盒，插入固定銷，在下盒內(nèi)放置接近土樣濕度的透水板和硬塑料薄膜，將帶有試樣的環(huán)刀刃口向上，對(duì)準(zhǔn)剪切盒口，在試樣上放置塑料薄膜和透水板,將試樣小心地推入剪切盒內(nèi)。四個(gè)試樣分別放置于將施加不同壓力的剪切盒內(nèi)。

3)常規(guī)剪切試驗(yàn)中，普遍采用100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa的施壓荷序，但因本樣品含水率大，滲透系數(shù)小于 10-6cm/s的細(xì)粒土，土粒之間咬合力小，水分在土粒表面形成潤(rùn)滑劑，施加垂直壓力后，未等施加水平剪力，樣品極有可能從剪切盒的縫隙中擠出，試驗(yàn)失敗，所以根據(jù)含水率情況可以把荷序設(shè)置為50 kPa，100 kPa，150 kPa，200 kPa，甚或更小的荷序25 kPa，50 kPa，75 kPa，100 kPa。然后拔出固定銷，立即以0.8 mm/min的剪切速度測(cè)記位移讀數(shù)，直至測(cè)力計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)峰值，再繼續(xù)剪切至剪切位移為4 mm時(shí)停機(jī)，記下破壞值。當(dāng)剪切過(guò)程中測(cè)力計(jì)讀數(shù)無(wú)峰值時(shí)，應(yīng)剪切位移至6 mm時(shí)停機(jī)。試樣應(yīng)在3 min～5 min內(nèi)剪損。

4)以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，垂直壓力為橫坐標(biāo)，繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線，直線的傾角為內(nèi)摩擦角φ，直線在縱坐標(biāo)上的截距為粘聚力c。

3.2試驗(yàn)應(yīng)注意的事項(xiàng)

1)本試驗(yàn)中，試樣制備時(shí)，選取質(zhì)量最為接近的試樣必須不得少于四個(gè)，并且盡可能選取土質(zhì)變化不大土質(zhì)均勻的樣品，所剪切的數(shù)值才能相對(duì)準(zhǔn)確。送檢的雙樣有時(shí)土質(zhì)性質(zhì)相差較遠(yuǎn)，在選擇直剪試驗(yàn)的試樣時(shí)，盡可能與做常規(guī)試驗(yàn)的試樣一致，以達(dá)到試驗(yàn)數(shù)據(jù)與常規(guī)試驗(yàn)數(shù)值相匹配。

2)由于本文介紹的是含水率大的粘性土的剪切試驗(yàn)，在荷序選擇上盡可能采用小的荷序組合，才不至于把土樣擠出。荷序不同但剪切數(shù)值不受影響。

3)特別值得注意的是，在施加垂直壓力時(shí)，砝碼要分級(jí)施加，并且在施加砝碼時(shí)切記輕放，不得對(duì)樣品產(chǎn)生沖擊力，減少?gòu)膲毫ι袭a(chǎn)生的誤差。

4)直剪試驗(yàn)必須控制以0.8 mm/min的剪切速度測(cè)記位移讀數(shù)，在3 min～5 min內(nèi)把試樣剪損，剪切速率影響孔隙水壓力。

5)認(rèn)真查看抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線，分析坐標(biāo)點(diǎn)的真實(shí)性，可刪除一個(gè)異常點(diǎn)，得到一條滿意的關(guān)系曲線，從而查得更為準(zhǔn)確的c，φ值。

必須要強(qiáng)調(diào)的是直剪試驗(yàn)不可避免的缺點(diǎn)：試驗(yàn)中不能嚴(yán)格控制排水條件，無(wú)法量測(cè)孔隙水壓力；剪切面固定在上下盒之間，這個(gè)面不一定就是土的薄弱面；試驗(yàn)中應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜。因此，重大工程和科學(xué)研究必須進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，得到更為合理的數(shù)據(jù)，以確保工程質(zhì)量和研究成果。

4 結(jié)語(yǔ)

選擇合理的試驗(yàn)方法，對(duì)試驗(yàn)每一步驟的掌控，試驗(yàn)人員都有自己的不同理解。實(shí)際工作中長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐積累，加之對(duì)理論知識(shí)的深入研究，對(duì)每一工程項(xiàng)目提交一份合格的土工試驗(yàn)成果報(bào)告，必將是一個(gè)高標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)人員應(yīng)具備的必要素質(zhì)。

[1] 《工程地質(zhì)手冊(cè)》編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[M].第4版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[2] 陳希哲.土力學(xué)地基基礎(chǔ)[M].第2版.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[3] 張 力，孟春玲，張 媛.工程力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

Theapplicationofdirectsheartestinpracticalwork

HeLihong

(ShanxiMetallurgicalGeotechnicalEngineeringInvestigationHeadOffice,Taiyuan030002,China)

With the development of science and technology, high-rise buildings, and some large engineering construction at home and abroad and the strong earthquake occurred many times in recent years, theory of soil mechanics and foundation technology is becoming more and more attention. In this paper, the direct shear test of geotechnical engineering survey is discussed in this paper.

foundation, direct shear， the shear strength

1009-6825(2017)30-0070-02

2017-08-15

何麗紅(1968- )，女，工程師

TU470

A