土工試驗抗剪強度的分析

羅研

摘要：本文分析介紹了土工試驗中常采用的直接剪切試驗與三軸壓縮試驗方法，通過對比兩種試驗所測得的數據，我們認為三軸壓縮試驗結果更加合理準確，但是在實際工程中還要根據實際情況選擇最合適的試驗方法。

關鍵詞：抗剪強度;三軸壓縮試驗;直接剪切;土工試驗;分析

為了了解土體抗破壞的能力，我們通常會進行土的抗剪強度試驗。良好的土的抗剪強度試驗能夠幫助我們對地基的穩定性進行更準確的判斷，對擋土墻土的壓力以及承載力進行更準確的計算。常用的土的抗剪強度試驗有許多方法，例如直接剪切試驗、三軸壓縮試驗，等等，這些試驗都主要在試驗室內進行。除此之外，還有十字板剪切試驗、大型直接剪切試驗等方法，這些試驗都主要在現場原位進行。

1.土工試驗抗剪強度的分析

1.1直接剪切試驗

該試驗對于土樣中將會發生的破壞面的位置與方向進行事先的規定，進而可以在計算剪切位移和剪應力能夠控制作用于破壞面上的法向壓力。剪切時所承受的水平剪切應力就是我們所要求的的土的抗剪強度值。受力條件的不同直接剪切還可以細分為以下幾種類型：

第一種慢剪試驗，給予土體充足的時間，使其在承受法向壓力后，能夠將土體孔隙中的水排干，等到完全固結后在施加水平剪力，再同樣給予土樣充足的時間排水。

第二種固結快剪試驗，即加法向壓力之后，等待土樣完全固結，然后迅速施加水平剪力，不排出土樣中的水。

第三種快剪試驗，即以非常快的速度施加水平剪力和法向壓力，讓土樣孔隙中的水承擔大部分的垂直壓力，不進行排水。

我們針對這三種試驗方法進行分別測驗得出，試驗結果中三種方法的ψ值存在著比較明顯的差異，慢剪試驗ψ值最大，快剪試驗最小。對于粘性土，我們一般采用快剪法，固結快剪適用于砂性土，而慢剪法沒有對滲透系數的要求。

1.2三軸壓縮試驗

該試驗方法對于土的抗剪強度參數的確定主要是采取在不同的恒定周圍壓力下向三到四個試樣施加軸向壓力的方法。三軸壓縮試驗不規定剪切面的位置與方向，只規定作用于土樣上的最大與最小主應力。用三軸壓縮試驗測得的參數精度是最高的，因為該試驗對于破壞圓及包絡線的繪制是利用破壞面和最大主應力面之間的夾角。

同樣，三軸壓縮試驗也包括三種試驗方法，這三種方法在排水條件上所有區分。

第一種，固結排水剪試驗，即在某一周圍壓力下排水固結，給予充分的排水時間，等土樣孔隙中的水排放的差不多時施加軸向壓力直到剪壞結束。固結排水剪試驗過程中允許土樣充分排水，能夠有效測定抗剪強度指標和變形參數。

第二種，固結不排水剪試驗，該方法與固結排水剪試驗類似，但是不允許試樣充分排水，即先讓土樣在某一周圍壓力下固結排水，之后便不再給排水的機會，通過試驗可以測得孔隙水壓力系數與總抗剪強度參數。

第三種，不固結不排水剪試驗，該試驗整個過程都不允許試樣排水，可測得數據與固結不排水剪試驗相同。

1.3兩種試驗方法比較

與直接剪切試樣相比，三軸壓縮試驗有更加顯著的優勢，首先三軸壓縮試驗所測得的參數精度比較高，能夠對土樣的孔隙水壓力與體積的變化進行更加準確的測定，而且三軸壓縮試驗剪切面不固定，能夠讓土樣沿著最弱面進行破壞，提高試驗效率，同時可以良好的控制最大與最小主應力，另外三軸壓縮試驗能夠有效控制試樣排水條件，雖然采用快剪試驗方法能夠較好的控制土樣的排水條件但是速度上很難進行準確的把握，而采用三軸壓縮試驗則更能滿足試驗的要求。

2.工程對試驗方法的要求

一、對于非液化性土和粘性土，我們一般利用三軸壓縮試驗中固結不排水剪試驗，將所測得的抗剪強度參數中的最小值作為標準值。

二、對于粘性土類基地，在利用有效應力進行穩定分析時，為了準確獲得有效應力強度，需要精確估算或測定土樣中孔隙水壓力。

三、采用總應力進行穩定分析，例如當地基土層不易產生孔隙壓力，有良好的透水性能，可以自由排水的情況，一般選擇三軸壓縮試驗中的固結排水剪強度或者慢剪強度;針對地基粘性土層薄已經采取了排水措施或者上下土層有較好的透水性的情況，可以選擇三軸壓縮試驗固結不排水剪強度或者飽和固結快剪強度;地基為粘性土且沒有良好的排水條件等情況，應該選擇三軸壓縮試驗不固結不排水剪強度。

3.綜合分析

三軸壓縮試驗和直接剪切試驗的剪切方法之間存在一些比較類似的地方，為了更好的判別這兩種試驗方法的優劣，我們以某地巖土工程項目成果為例，進行兩種試驗方法的對比。根據試驗數據我們看到，同樣是作為總應力強度參數，但兩個數值卻是不同的。以平均值相比較，三軸試驗的Ccu值要大于直剪試驗的Ccq值，但是三軸試驗的ψcu值卻小于ψcq值將近10度。這是由于直剪試驗在剪切過程中不能對土樣的排水進行嚴格的控制，而且剪切面的面積會隨著剪切位移的增加而減少。因此對于有較大滲透性的土，我們還是要盡量避免使用直剪試驗，即便我們提高剪切速度也是很難把握總應力，導致最終的試驗結果出現偏差。但是如果土的滲透性較小，我們又能夠良好的把握剪切速率，那么兩種試驗所得的數據就沒有太大的差異，所以綜合考慮兩種試驗的測得結果，我們認為三軸試驗是最佳的選擇。

結論：

通過試驗我們認為三軸試驗比直接剪切試驗測得的結果更加準確，但是直接剪切同樣有其更經濟、簡單的優勢。但是我們需要認清的是，這兩種試驗都是在試驗室內進行，許多因素是我們可控的，然而在實際現場卻存在許多其他影響因素，因此地質人員還是需要根據實際情況選擇最恰當的方法。

參考文獻：

[1]楊志豪. 論如何有效控制土工試驗室測試質量[J]. 建材與裝飾（中旬刊）. 2007（11）

[2]程蕓. 土工試驗室發展現狀及試驗中常見問題探討[J]. 工程建設與設計. 2017（08）