直剪饱和固结快剪与三轴固结不排水剪切试验比较

宋效兰

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 引言

土的抗剪强度是土的一个重要力学性质。在试验室内测定土的抗剪强度的常用方法有直接剪切试验和三轴压缩试验。试验任务是测定土的强度指标内摩擦角和凝聚力。这些指标在计算地基承载力、评价地基和边坡稳定性以及计算挡墙压力和基坑支护中都是不可缺少的重要参数。在水利工程中，土坝修建完成后，坝身在自重压力下完全固结，通常采用直剪试验的饱和固结快剪或三轴试验中固结不排水剪切试验测定土的抗剪强度指标。这两种试验都是要对试件进行饱和，然后施加外力，对土样进行固结后在不排水的情况下进行的剪切。本文取4组土样分别进行直剪饱和固结快剪、三轴固结不排水剪切试验，并对这两种方法及测定的总应力抗剪强度进行比较，为指标的选用提供依据。

2 直剪饱和固结快剪试验

直剪饱和固结快剪试验是对饱和后的试件施加垂直荷重，让孔隙水压力消散，再施加水平剪力，在3~5min内将土剪坏，不让含水率发生变化。因孔隙水压力不好测定，该试验测出的强度为总应力抗剪强度。

2.1 仪器设备

直剪饱和固结快剪试验采用ZJ—应变控制四联直剪仪。位移传感器的量程为10mm，准确度为全量程的0.2%，以等速水平推动试样产生位移并测定相应的剪应力。

2.2 样品制备

采用直径61.8mm×20mm环刀切取原状土样，每组3块，密度差不小于0.03g/cm3。将制取的试样装入饱和架放入真空缸中抽气饱和，当真空度接近一个大气压后，继续抽气1h，然后缓慢注入清水，并使真空度保持稳定。待饱和架完全淹没后，停止抽气，解除饱和罐内真空，让试件在饱和罐内静置10h以上。

2.3 试验方法

将剪切盒的上下盒对准，插入固定销钉，下盒底部放一块透水石，透水石上安装一张滤纸。将制备好的试样环刀刃口向上，平口朝下，对准剪切盒口，在试样上依次放入一张滤纸与透水板，将试样小心地推入剪切盒内，转动手轮，剪切盒向前移动，使剪切盒上盒前钢珠与测力计接触，在剪切盒顶部透水石上依次加上刚性传压板与加压框架，安装竖向位移量测装置。施加竖向压力（ 100kPa，200kPa，300kPa）使试样固结稳定，即1h竖向变形值不大于0.05mm。拔去固定销钉，以0.8mm/min的剪切速率进行剪切，出现峰值时，取峰值作为抗剪强度；无峰值时，以剪切位移4mm对应的剪应力作为抗剪强度值。

2.4 计算方法

剪切试验的结果按照库仑定律S=C+δtanΦ计算抗剪强度。

式中：S——土的抗剪强度，kPa；

C——土的黏聚力，kPa；

δ——作用于剪切面上的法向应力，kPa；

Φ——土的内摩擦角，°。

用相同比例尺在坐标纸上以抗剪强度S为纵轴，以垂直压力P为横轴，绘制相关直线，直线与纵轴相交的截距为土的黏聚力，直线倾斜角为土的内摩擦角。

3 三轴固结不排水剪切试验

三轴固结不排水剪切试验是将饱和后的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，快速增大轴向压力，使试样中的剪应力逐渐增大，直至达到极限平衡而剪切，由此求得土的抗剪强度参数。本试验不仅能测出土样的总应力抗剪强度，而且可以测出固结稳定后土样中的孔隙水压力，根据孔隙水压力+有效应力=总应力，从而求出土样的有效应力强度。

3.1 仪器设备

采用TSZ-1型应变控制式三轴仪，安装孔隙水压力传感器和位移传感器。

3.2 样品制备

将土样切成h=8.0cm，ф=3.91cm圆柱体试样，每组4块，装入饱和器，放入抽气缸进行抽气饱和，然而上述方法并不能使试样达到完全饱和，尤其是低渗透性的细粒土试样，因此，需要在仪器上对试样施加反压力，反压力可使试样达到完全饱和状态。

3.3 试验方法

在进行固结不排水试验中，为了加速试样固结，一般在试样外贴上下连续的滤纸条，覆盖侧面达50%以上，将贴好条的土样套在橡皮膜内，放在密闭的压力室中施加周围压力。在施加周围压力时，将排水阀门打开，允许试样充分排水，待固结稳定后关闭排水阀门，然后再施加竖向压力，使试样在不排水的条件下剪切破坏。

3.4 计算结果

根据摩尔—库伦理论，将同一土样分别在100kPa，200kPa，300kPa压力条件下所得的三轴剪切试验结果，分别绘制摩尔圆，根据这些摩尔圆的包线即可求出抗剪强度指标。根据孔隙水压力和总压力，可以同样绘出有效应力摩尔圆和有效应力强度包线，求出有效应力抗剪强度指标。

4 试验结果分析

4.1 试验结果

将4组土样按照要求分别制取直剪与三轴的检测样品，并对制取的样品分别放于仪器上检测，结果见表1。

表1 饱和固结剪与固结不排水三轴试验成果比较

4.2 测定结果对比

通过上述检测结果可以看出，对同一组试件来说，直剪饱固快得出的抗剪强度值大于三轴饱和固结不排水得出的总应力抗剪强度。这是因为直剪饱固快在剪切过程中不能严格控制排水，部分水份从剪切盒缝隙排出，含水量发生了变化，且剪切面积随剪切位移的增加逐渐变小，剪切面上剪应力分布不均匀，剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的面剪切破坏。三轴剪切试验能很好地控制排水并可以量测土样中孔隙水压力的变化。此外，三轴试验中试样的应力状态也比较明确，剪切破坏时的破裂面在试样最弱处。

5 结语

在实际工作中，应根据工程的地基条件、工程进度、试验方法等进行选择。饱固快直剪试验操作简单，运用方便，周期较短，但准确率稍差。三轴固结不排水试验准确性好，而且能够进行有效应力强度检测，但周期较长，操作复杂，对操作人员素质要求也高。但这两种试验都是在理想化的室内条件下进行的，与实际环境还有很大差异，因此，工作人员一定要具体分析工程的实际条件，提出切合实际的剪切方法。