探析当前的土工直接剪切试验技术

许小敏 杨平

摘  要：文章主要对现阶段土工项目中的直接剪切试验技术进行分析，首先介绍了基于该项技术之上的仿真建模，并结合图例对该建模的具体应用进行分析和研究，然后以直剪试验技术常用直剪仪为例，分析影响该项试验技术相关参数的影响因素。

关键词：直剪试验技术;仿真建模;土样;应用;参数

中图分类号：TU411.7     文献标识码：A      文章编号：1006-8937（2015）06-0166-01

在土工项目中，土力学试验主要用于对土壤性能的测试，其目的在于掌握其物理力学指标，从而为施工设计提供土体参数。目前，土力学试验种类较多，直接剪切试验是目前应用较为广泛的室内土工技术之一，它凭借操作简便、成本低廉等一系列优点广受业界重视。

1  直剪实验技术的仿真建模与应用

1.1  FLAC3D及相关假定

这是一种在20世纪80年代有美国研发的三位程序，它是从拉格朗日差分之中发展而来的，目前这一程序在各个国家的土工项目中有所应用，除了涉及到岩土工程，还涉及到地质、成矿等多个领域。基于该项程序之上的求解也采用了多种计算方法，如离散模型法、动态松弛法等，在计算土体非线性等方面十分优越，是直接剪切试验技术下仿真建模的一样必要程序。

土体强度的差异性常是由多种因素所导致，因此在借助直接剪切试验技术对此进行计算时，无论是采用理论方法还是采用试验或是仿真等方法，从现阶段的技术应用看来都无法将全部因素考虑周全。因此在进行模擬设定时需要从整体上把握这些影响因素，然后，有主有次的进行处理，这也是目前科研领域在处理复杂问题时普遍采用的办法。这也就决定了建模的基本假定会因为影响土体强度的因素不同而有所变化，本文以其中一种假定为例进行介绍：

①忽略土壤自重;②根据市内试验要求来施加荷载，荷载分4等级，从100 kPa为基本点，每一等级增加100 kPa;③土体强度影响因素中，不考虑含水率，即排水固结问题;④将剪切面的位置假定在交接处，即上下盒平面处;⑤剪速恒定，当位移达到0.5 cm时，中断试验;⑥建模圆柱形土体。

1.2  生成模型图

直接剪切试验技术下的仿真模型图如图1所示。从图中可以看出，仿真建模中的土建模型为圆柱体，其尺寸同室内试验相同，高和半径分别为2 cm和3.09 cm。该模型不仅设有256个单元，同时也设有多个节点，数量可达325个。在模拟过程中，设备所用直剪仪为控制式，这也同室内试验应用设备相同，只是在建模过程中进行了简化。这样一来，垂直加载设备和剪切转动装置就被两个条件所替代，一是应力边界，二是位移边界。其中应力边界即为前文中所提及的四个竖向应力，位移边界则为上下盒，如图所示，x、y、z表示方向，在固定完上盒之后将它们的位移固定，随后是约束它们在下盒上的方向，再借助FLAC3D开始水平移位。

1.3  具体应用操作

①先生成圆柱形土体建模，具体的应用操作可借助Cylinder来实现，建模完成后进行网格划分，划分完成以后，借用Shell模拟上下盒，随后设置界面，具体位置选择在土体、剪切盒间。

②对剪切土体材料的粘聚力、内摩擦角和泊松比分别进行设定，以Mohr-Coulomb为例，则上述几项材料特性分别为20 kPa、10 ？觷和0.35，设定完成后，选材上下盒。

③设置边界条件，在位移约束方面，上盒施加3个方向，而下盒则只从x、y方向着手，操作完成后在土体表面施压，其压力值为前文提及4等级，压力施加完成后，水平移位5 cm。

1.4  剪切实验分析

从竖直施加压力方面来看，无论是应力值还是位移值土体都有所改变，并呈现出与压力呈正相关的状态。

当压力=100 kPa时，变化在土体中上部位置体现明显，但当压力逐渐增加时，应力区与位移区开始扩散。以位移为例，从压力盒的整体情况来看，靠近环形土体部分变化程度要比中间处小，这主要是由于固有摩擦力存在所导致的。在外部压力作用下，土壤有下移趋势，摩擦力向上就会同部分压力相抵消，从而导致压力盒位置处的变形要比其它位置小。除上述变化之外，试验后土体应力应变状态等也会发生改变，限于文章篇幅有限本文不以图文结合的方式进行说明，只是通过实验得出结论，该次模拟的假定符合直接剪切试验实际情况。

2  直剪试验技术中对参数的影响分析

2.1  压应力偏心

实验操作初期技术人员需要对土样顶部施加压力，这一作用力属轴正向压力。剪切过程中，受剪切作用影响，土样上下部分会随着上下盒相对位移的出现而产生相对位移现象。这种情况下，原本属轴正向的压力会有所偏移，成为偏轴压力，这种偏心现象的产生会导致土样斜剪，这样一来，摩擦角的实验结果将会同土样实际情况产生偏差。

2.2  剪切速率的影响分析

剪切速率对直剪试验技术的影响主要来自转动停顿或不均匀转动，这些情况的产生会让土样受力不均，从而导致实验误差。尽管如此，剪切速率在不同的土样之中所产生的影响也不同，例如在砂土检测中，它给抗剪强度带来的影响小，实际计算中可不做考虑，但是对粘性土影响则明显一些。本文通过对大量已有实验数据资料的分析研究发现，粘土抗剪强度情况同剪切速率之间呈正相关，这一现象在硬土中都有所体现，特别是比较灵敏的土体，当对它们进行直剪试验时，如果速度降低10倍，则检测结果可能比实际情况低出8%，而对于一般的土壤而言，则一般会控制在5%以内。

2.3  应力变化状态问题分析

同其它实验不同，直剪试验技术是基于设计理想化之上所开展的，实验条件也为简化，这是它在应用和操作中所具备的最大特点。尽管如此，受设备仪器限制，土样试验中存在一些因素是土样应力条件发生变化。

以剪切面应力为例：剪切盒移动过程中会产生水平压力，从而于上下盒间形成两个滑动面，我们将其成为次剪切面，移动过程中剪切面形成剪切区，这会增加剪应力的实际测量值。不同的土壤类别下剪切力相关性状有所不同，理想化的形式则是均匀状态。

再以剪切面影响为例：在位移过程中，如果垂直荷载偏移会导致有效剪切面积变小，这样相对应的τf也会变小，在这一过程中如果加大应力，则变小情况将会更加明显。该项技术在应用过程中，剪切面位置由人为设定，并不取土体薄弱面，这样一来，当剪切面变小时，如果强度计算还是按照原截面计算的话，则会造成强度计算值偏小，在实际操作中应当注意。

3  结  语

综上所述，土木工程建设中，土体抗剪强度情况是其进行工程设计时参考的重要参数之一，关系着设计成败及日后工程的使用质量。直接剪切试验技术的应用在这一方面贡献颇多，但是由于影响土体性能的因素众多，因此在实际试验操作过程中要遵循科学性、合理性原则，为保障工程安全奠定基础。

参考文献：

[1] 王胜杰，袁登才，韩文喜.荆州城区黏性土三轴与直接剪切试验强度对比分析[J].长江大学学报（自科版），2014，（3）.

[2] 渠风英.土的直接剪切试验与影响因素分析[J].科技情报开发与经济，2010，（24）.