浅析土工试验中的抗剪强度
时间：2022-06-12 17:49:01 浏览次数：次
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，指出三轴压缩试验结果更接近土的实际理论值，为地质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：直接剪切试验；三轴压缩试验；抗剪强度
中图分类号：TU41文献标识码：A
1 概述
土的抗剪强度是土的重要力学性质指标之一，是指土体在外力作用下抵抗剪切滑动的极限强度。是由土颗粒之间的内摩擦角φ及由胶结物和束缚水膜的分子引力所产生的内聚力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。抗剪强度的试验方法有多种，在实验室常见的有直接剪切试验、三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验；在现场原位测试的有十字板剪切试验、大型直接剪切试验等。选择不同的试验方法所测的抗剪强度各不相同。本文主要针对室内土的剪切试验测得的抗剪强度指标进行分析。
2 土的抗剪强度
室内土的抗剪强度通过剪切试验来确定。一般剪切试验可分为直接剪切试验和三轴压缩试验两大类。
2.1 直接剪切试验
目前，直接剪切试验国内多采用应变控制式直剪仪。该仪器构造简单，操作方便，易于掌握。
直接剪切试验是将试样置于一定的垂直应力下，在水平方向上陆续向试样施加剪应力进行剪切（如图1）。起始由于所加剪应力较小，试样发生较小的变形而处于弹性平衡状态，当剪应力达到某一限度时，土样由于变形过大而不能抵抗更大的剪切，这时土样开始破坏而达到塑性平衡状态，此破坏时的强度即为土的抗剪强度。以同样的方法求得不同垂直应力下的抗剪强度。以剪应力τ为纵坐标，垂直应力σ为横坐标，绘制τ-σ关系曲线（如图2）。
粘性土的抗剪强度直线在纵坐标上的截距即为土的粘聚力C，此直线的倾角为土的内摩擦角φ；而松散砂土为一通过坐标原点的直线。可用库伦公式来表达，即：τ= C+σ×tgφ
直接剪切试验方法主要有三种，即：快剪试验、固结快剪试验和慢剪试验。
（1）快剪试验（不排水剪）：无论加法向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。
（2）固结快剪试验（固结不排水剪）：在法向压力下土样完全固结，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。
（3）慢剪试验（排水剪）：加法向压力后给予充分的时间，使土样孔隙中的水全部排除而达到完全固结，之后，每加一级水平剪力后均留足够时间，使土样充分排水，这时垂直压力全部由土粒承担。
以上3种试验方法其测得结果各异，尤其以φ值差别较大。快剪法φ值最小，慢剪法φ值最大，固结快剪φ值介于二者之间。具体采用哪一种方法要根据实际情况而定。室内快剪试验一般用于渗透系数小于10-6cm/s的粘性土。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抗剪强度的一种方法。它通常用3-4个圆柱形试样，分别在不同的恒定周围压力下，施加轴向压力，进行剪切直至破坏，然后根据摩尔--库伦理论求得抗剪强度参数。由图3可知：它事先规定作用于试样上的最大主应力σ1和最小主应力σ3的方向，但不能确定剪切面的方向和位置。绘制摩尔破损应力圆包线即该试样的抗剪强度曲线是利用各试样破坏时最大主应力σ1和最小主应力σ3，在直角坐标上以τ为纵坐标，在横坐标上以（σ1+σ3）/2为圆心，（σ1-σ3）/2为半径绘制摩尔破损应力圆。各个不同周围压力下的破损应力圆的公切线即为摩尔破损应力圆包线（如图4）。在图4中，摩尔破损应力圆包线与纵坐标的截距C即为试样的粘聚力，此摩尔破损应力圆包线与水平线的夹角φ即为试样的内摩擦角。
根据排水条件不同，三轴压缩试验有三种试验方法。 同一种试样，采用三种不同的试验方法，试验结果所得到的抗剪强度指标C与φ值都不相同，下面分别进行阐述。
（1）不固结不排水剪试验（UU）是在整个试验过程中从施加周围压力和增加轴向压力直到剪坏为止过程中均不允许试样排水。本试验可以测得总抗剪强度参数Cu、φu。
（2）固结不排水剪试验（CU）是使试样先在某一周围压力作用下排水固结，然后在保持不排水的情况下，增加轴向压力直至破坏。本试验可测得总抗剪强度参数Ccu、φcu或有效抗剪强度参数C/、φ/、、初始孔隙水压力系数B和破坏时孔隙水压力系数Af 。
（3）固结排水剪试验（CD）是使试样先在某一周围压力作用下排水固结，然后在允许试样充分排水的情况下增加轴向压力直至破坏。本试验可测得抗剪强度参数Cd、φd。
3 实例分析
3.1 两种试验方法测定结果的比较
岩土工程勘察中通常要求采用直接快剪或指标。这两种试验方法虽然都是不固结不排水剪切，但是试验结果却存在较大的差异。下面通过大理河畔人家二期的成果对比（见表1）对两种试验方法及试验结果进行了对比探讨，为地质人员使用抗剪强度指标提供了一定的依据。表1列出了具有代表性的各类土样的测定结果，土样的物理性指标及剪切试验结果见表1。由表1可见，对于各类土样，用直接剪切试验较用三轴（uu）试验测得的粘聚力C，内摩擦角φ值普遍偏大。
3.2 两种试验方法的比较
通过对大量试验结果的对比可知，直接快剪试验较用三轴（uu）试验测得的抗剪强度普遍偏大。这是由于直接快剪试验剪切面是固定的，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φ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，试验结果更接近土的实际理论值，地质人员使用此数据更安全。但是三轴（uu）试验操作复杂，所需试样较多，而直剪试验仪器构造简单，操作方便，且有大量的实践经验，所以这两种试验方法目前都在被广泛使用。
4 工程对试验方法的要求
4.1 采用总应力进行稳定分析。当地基为粘性土层且排水条件差时，宜采用饱和快剪试验或三轴不固结不排水（UU）试验测定土的抗剪强度；当地基为粘性土层薄而其上下土层透水性较好或采取了排水措施时，宜采用饱和固结快剪试验或三轴固结不排水（CU）试验测定土的抗剪强度；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，宜采用慢剪试验或三轴固结排水（DU）试验测定土的抗剪强度。
4.2 采用有效应力进行稳定分析时，对于粘性土地基，应测定或估算孔隙水压力，以取得有效应力强度。
4.3 对于无动力试验的粘性土和紧密砾砂等非液化性土的强度，宜采用三轴饱和固结不排水（CU）试验测定土的总抗剪强度和有效应力强度中的最小值作为标准值。
5 结语
在实际工作中，地基条件和加荷情况不一定十分明确，而常规的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，地质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。
国标中对直剪试验做了一定的限制，即只适用于渗透系数小、施工速度快的高塑性粘土。但由于直剪试验简单、经济，目前对一些二级建筑，或有经验的地区还在广泛使用。而从试验结果表明三轴试验更能合理地反映土体的抗剪强度。所以，对比较重要的工程应尽可能做三轴试验。
参考文献
[1]陈希哲.土力学地基基础（第三版）[M].北京：清华大学出版社，1997
[2]土工试验规程（SL-237-1999）[S].北京：水利水电出版社
[3]工程岩土学（第二版）唐大雄等修订[M].北京：地质出版社，1999.8.