土的直接剪切实验探讨

张 鑫

(宝鸡市勘察测绘院，陕西宝鸡 721000)

土不是理想的弹性材料或塑性材料，它的组成和性质都比较复杂。土的抗剪强度是指土对外力所产生的剪应力的极限抵抗能力，而发生剪切破坏时土受到的剪切力超过了极限，其一部分会相对于另一部分移动，这也是强度破坏的重要特点。直接剪切实验有一定的步骤可循，然后按照库仑定律计算出土的抗剪强度指标，是研究土的性质方面的一类重要实验。寻找实验相关过程的新的改进方法来完善直接剪切实验对相关的研究具有深刻的意义。

1 土的直接剪切实验介绍

1.1 实验原理和实验仪器

土的直接剪切实验，就是指在提前特定的表面对土进行剪切，并直接测量这个表面上的剪应力和土的抗剪强度。实验目的就是利用已知的剪切面上垂直应力σ与抗剪强度T之间的关系，求解强度参数c和φ，从而确定土体材料的性能特点。直接剪切试验方法根据剪切时排水条件的差异，可以分为快剪、固结快剪和慢剪三种方式。这三种方法所要求使用的土的颗粒大小也存在一定的差异。经过具体操作我们发现，即使运用同一台仪器对某一种特定的土进行试验时，若选取的方法不同那么结果也会存在很大差别，甚至出现相差悬殊的情况。因此，我们在进行实验之前，要首先对现场情况作一定的考察分析工作，然后选取最合理的、最接近实际情况的实验方法进行，这样才能得出比较准确的实验结果。

实验过程简单地说就是将厚度为20 mm的圆形土饼放入剪切盒中，然后置于不同的垂直压力作用下，再沿固定的剪切面直接施加水平剪切力进行剪切操作，使得试样在上下两盒之间的水平面上发生剪切活动直至破坏。通过整个实验过程可以求出破坏时的剪切应力，然后就能根据库仑定律来确定土的抗剪强度参数，即内摩擦角和凝聚力。

实验运用到的仪器有:应变式直剪仪、剪切盒、传动装置、测力计、位移计、环刀、削土刀、滤纸、润滑油等。

1.2 实验内容和步骤

第一步是取样操作。先用环刀法在实验地点选取大约5个试样，然后对环刀的表面进行清洁处理之后，将其与试样一起放入塑料袋来防止含水量的降低。实验时取出试样，观察外观特点，并测量试样的两个预定破坏面的高度以及宽度，注意测量的精确度和取值标准要严格符合相关要求或规定。

第二步对试样进行放置工作。对准剪切盒的上盒和下盒，用手把销钉固定好，保持稳定性。然后在下盒里放入一块干净的透水石和一张湿润过的滤纸。环刀托着试样并保持平口向下、刀口向上的状态，将其对准剪切盒的上盒，同样在试样面放置一块透水石和一张湿润的滤纸。放置工作完成后，把试样通过透水石缓慢而均匀地压入剪切盒底部，并把环刀移走。

第三步就是施加荷载过程。把传压活塞和加压框架依次加在试样上，再取4个或更多个试样分别施加不同大小的垂直压力(这里的压力值应该是通过对土的软硬度等实际情况分析之后而设定的。而且，对于较为松软的土，应该采用分级加压的方法，以避免试样被挤出)。然后顺时针方向缓慢地转动手轮一直到位于上盒前端的钢珠与量力环恰好接触了为止，这时将测力计示数调为零，拔掉销钉，同时用秒表计时，再次转动手轮并尽量保持4 r/min～12 r/min的均匀速率，这样就保证了试样剪损时间在3 min～5 min内。这次的操作要同时记录实验数据，具体的实施过程就是:转动手轮时，每转一圈记录一次测力计的读数，重复进行直到测力计的示数不再变化时停止。这时候的试样已经完成了剪损。数据的记录由于是在一个动态的过程中完成，所以操作时可以多人配合一起进行，多测量几组数据也有利于增加数据的准确性。

最后一步就是统计实验结果并分析。将试样取出，测定其含水量。然后按照上面的步骤再进行其他垂直荷载下的剪应力实验。对于实验数据，按照公式可以计算出剪应力、正应力等量的值。最后可以通过作图法进一步明确两个量之间的关系。通常我们以剪应力为横坐标、以垂直压应力为纵坐标作图，理论上来说，图像为斜率大于零、位于坐标上半平面的一条直线，而且直线的倾角表示的就是土的内摩擦角，而直线在纵坐标上的截距表示的是土的凝聚力。

2 试验中存在的问题与改善方法

2.1 土体结构的破坏问题

实验过程中，施加荷载操作和垂直应力操作等都有可能破坏土体的结构，这会导致实验后面的步骤无法得到准确数据，从而整个实验以失败告终。为了避免这种情况的发生，应该尽可能地保证土体结构的完整性不被破坏。这就需要我们在实验中的每个环节落实这一理念，例如土样的选取过程、土样运输过程和实验操作过程，我们都要尽量保持土样完整，避免试样扰动。

2.2 试样密度、含水量的问题

土的密度和含水量是影响其抗剪强度的重要因素，出现较大偏差的试样完成的实验自然是不具说服力和普遍性的。实验中要求四个试样的密度不能有太大差距，超出误差范围的试样是不能采用的，得到的实验结果不准确也不能应用。一般要求，第一个和第四个试样密度要接近平均值，第二个偏小，第三个偏大。当出现误差较大的情况时，只能按照要求重新选取试样。同样，试样的含水量问题也有其相应的要求需要严格遵守。为了更好地应用符合要求的试样进行实验而避免不必要的重复操作，我们可以在实验之前测定出试样的密度和含水量，从而了解和掌握其均匀性，然后按照相应的变化规律判断实验结果的准确性。

2.3 直剪仪相关操作和自身精确问题

通过上面对实验过程的介绍，我们可以发现，直剪仪是实验过程中非常重要的仪器设备，其相关情况当然与实验的进行和结果的准确息息相关。剪切过程中，转动直剪仪手轮时必须保证操作的连续性和均匀速率，这样才能进一步保证试样受力的均匀性。如果出现偶尔的停顿间断现象，那么测得的剪应力与准确值之间就会产生较大差异，尤其在最后接近土的破坏的时候会产生更加严重的影响，实验结果的偏差也很大，只能重新进行实验。因此，保持直剪仪手轮连续匀速的转动十分重要，不能有任何纰漏。另外，还有直剪仪自身的问题。时间过长的或新的直剪仪，可能因为搬运、使用等原因而出现磨损、松动的现象，直接降低了仪器的精确性和稳定性，因此在进行实验时会造成一定的实验误差。应对仪器上的误差，我们可以定期对实验设备进行检查和校正工作，及时发现仪器设备上的不足和隐患，并作出相应的调整措施，保证实验所用器具的稳固牢靠和精准无误，从而促进试验能够顺利可靠地进行。

2.4 人为原因的误差问题

土的直接剪切试验中有很多操作是靠实验人员手动控制进行的，最终数据的记录也是人为的读数，因此，实验中很有可能因为人本身的视觉和感觉上的偏差而产生较大的误差，给实验结果也带来了一定影响。对此，可以请实验的专业人员进行指导工作，介绍讲解其相关经验，同时就能点明一些需要特别注意的地方，对实验的操作和实施有很大帮助。另外还可以通过多次测量求取平均值的做法来减小实验误差。

人为方面的误差基本上在每个实验中都存在，但其主要原因还是在实验仪器和实验方法的设计上。当今世界，科学技术不断发展，科技水平日益进步，设计出更加完善精确的实验仪器和更加合理实际的实验方法是改善实验整体质量的关键。这样，我们就能突破传统的实验操作，实现仪器的创新和设计理念的创新，促进科学实验的发展。

3 直接剪切实验的影响因素和注意事项

3.1 影响直接剪切实验的因素

对于土的直接剪切实验，影响因素主要有以下两个方面:

1)直接剪切仪的局限性。进行室内实验过程中，我们利用直接剪切仪来完成一系列的操作，而且把上下盒之间的平面当成是假定的破坏面。这与实际工程其实是不符合的，因为在实际的工程中，通常土体破坏都是沿着土体在薄弱的剪切面进行破坏的。这样来说，实验的进行与现实情况还是有一定的出入的，不能实现完全、彻底的还原。而且，实验结果只能是起到一个重要的参考作用，并不能直接生搬硬套在实际环境中。

2)直剪中的一类快剪实验如果按照其严格定义来要求的话，应该要满足不排水剪切的条件，但是在我们进行的具体实验过程中，是不可能实现不排水剪切的环境条件的。所以，对实验结果的分析与研究工作中，我们也要充分考虑到这个因素。这种情况同样又是理论意义与实际操作的差别，其实很多实验也都会有这样的问题出现。因为人们经过一系列数据、实验推理出来的理想中的状态，是一个从有形到无形的过程，现实条件下，我们并无法达到那种条件，也就是说不能通过真实具体的实验完完全全地进行验证。但这绝不是说任何的推理和猜想都不具有可信性，理论上成立也是真理的一种讲述，而且，随着当今世界科学技术的突飞猛进，实验领域的发展肯定也会有更大的进步，届时实验条件也会得到相应的丰富和发展。

3.2 直接剪切实验注意事项

实验时有很多细节之处是需要特别注意和小心的，而且，操作的细节往往关系着整个实验的进行，其影响不容小觑。这里介绍几个重要的需要注意的细节:

1)剪切实验过程中，拔掉销钉的环节必不可少，否则会对仪器造成相应影响的。如果疏忽了销钉的这一过程，则可能导致仪器严重损坏的后果。

2)在进行施加荷载操作时，要注意放置力度的把握，轻轻放上有利于避免引起大幅度的冲击和振动，保持土体结构不被破坏。

3)转动手轮时注意速率的掌控，中途停顿或时快时慢都会导致剪损时间的改变，进而引起剪切程度的不同，造成一定实验误差。

4 结语

土的直接剪切实验可用来测量土的抗剪强度，具有一定的现实意义和价值。整个实验过程并不复杂，而且所用到的仪器、设备也比较简单，所以虽然试验中存在诸多问题，但仍然在如今的大量工程中被广泛应用，也积累了丰富的经验，比较实用。实验中的影响因素和注意事项不能忽视，可能会直接影响着实验结果的精确度等等。针对我们发现的实验中存在的一些问题和缺点，也有了相应的改善措施，相信以后也会提出更加完善的实验方案，让土的直接剪切实验更加准确规范，起到更大的实用价值。

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