室内土抗剪强度试验的分析

■陈立君

（广东省工程勘察院 广东 广州510000）

室内土抗剪强度试验的分析

■陈立君

（广东省工程勘察院 广东 广州510000）

土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要力学性质之一。在计算承载力、评价地基稳定性以及计算挡土墙的压力时，都要用到土的抗剪强度指标。因此，正确地测定土的抗剪强度在工程上具有重要意义。抗剪强度的试验方法有多种，在试验室常见的有直接剪切试验、三轴剪切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、大型直剪试验等。选择不同的试验方法所测的抗剪强度各不相同。现对室内几种土的剪切试验过程中应注意的问题以及测得的抗剪强度指标进行分析。

1 直接剪切实验

直接剪切实验是将试样置于一定的垂直应力下，在水平方向陆续向试样施加剪应力进行剪切。根据受力条件不同，直接剪切实验方法可分为三种：

（1）快剪试验：试样在施加垂直压力后，立即施加水平剪切，控制在3~5分钟内将试样剪损。对于淤泥或淤泥质土，若按《土工试验规程》（GB/T50123-1999）对剪切速率的规定进行试验，常会出现样品被挤出而无法试验的现象。像这种情况则最好采取比试验规程规定的速率快的方法，在30秒钟左右结束试验才会得出较准确的试验结果。遇到样品不均匀时，一般将样品按软、硬、软、硬的顺序排列做试验，若按软、软、硬、硬的顺序排列试验，会出现凝聚力C值为负数或内摩擦角φ值偏大的现象。

（2）固结快剪试验：试样在垂直压力下，使其充分排水固结后，控制在3~5分钟内加水平剪切将试样剪损。固结快剪适用于建筑物的地基土层在自重压力作用下已充分固结，施工进度快，欲验算地基的强度与稳定性时采用。

（3）慢剪试验：试样在垂直压力作用下充分排水固结后，在直剪仪上以很慢的速率逐渐施加水平剪应力，使试样剪损。

以上三种试验方法其测得的结果各异，尤其以φ值差别较大。在某工程中，对6组不同状态的土样进行了比对试验，如表1可以看出，快剪法φ值最小，慢剪法φ值最大，固结快剪法φ值介于二者之间。

表1

在实验过程中，具体采用何种试验方法要根据实际情况或按委托方的要求而定。快剪试验一般用于渗透系数小于10-6cm/s的粘性土；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 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度试验是将试样置于不受侧向限制条件下，沿轴向逐渐施加压力，直至试样破坏为止。它只适用于粘性土，特别是饱和软粘性土，不适用于砂性土。在试验过程中，确定无侧限抗压强度qu值一般有两种情况：

（1）呈脆性破坏（多见于坚硬粘性土），有明显的破裂面，这时应取测微表刚后退时的读数。

（2）呈塑性破坏（多见于软土），破坏时无明显的破裂面，而是向四面鼓出，若是无出现峰值时，应取总应变达20%时的读数。

3 三轴剪切试验

三轴剪切试验是在固定土的侧向压力条件下,不断增加轴向压力使土发生破坏的一种剪切试验。它具有能控制大小主应力及排水条件，受力状态明确，剪切面不固定，又能准确地测定土的孔隙压力及体积变化等优点。

根据排水条件不同，三轴剪切试验方法可分为三种：

（1）不固结不排水剪（UU）：它是指试样在不排水条件下施加周围压力σ3，然后快速施加轴向压力σ1，使试样剪破。

（2）固结不排水剪（CU）：它是指试样在周围压力σ3作用下排水固结，再在不允许排水的条件下逐级施加压轴向压力σ1，直至试样剪破。

（3）固结排水剪（CD）：它是指试样在周围压力σ3作用下排水固结，待固结稳定后，再在允许有水排出的条件下以极慢的速率对试样逐级施加压轴向压力σ1，直至试样剪破。

4 直剪和三轴试验结果的比较：

4.1 快剪

在某工程中，对12组深度为3~8m的可塑状粉质粘土进行比较试验，以平均值相比较如表2所示：

表2

产生这一结果的主要是因为试验要求在剪切过程中不排水，由于直剪试验无法严格控制排水，也即试样在剪切过程中实际产生了排水（尤其以粉土、砂性土更为严重），抗剪强度偏大。而三轴试验由于有很好的阻水装置，严格控制排水，因而所产生的φ值小于直剪试验的φ值，而凝聚力C值则比直剪试验的大。

4.2 固结快剪

在某工程中，对三组试样进行了平行试验，如表3所示，从试验结果可以得到这样的关系式：C 固快 ﹥CCU﹥CCU′;φ 固快﹤ φ-CU﹤φCU′。

产生上述结果的主要原因是直剪在剪切时不能严格控制排水所至。

4.3 慢剪

对于各向均匀性较好的土样，慢剪中的直剪和三轴剪的C值和φ值相差较小，这是由于在直剪和三轴试验中，均允许固结、剪切全过程排水，即试样中孔隙水不受力，孔隙水压力为零。所以与快剪、固结快剪相比它们的差异不大。而对于各向异性的土样，由于直剪固定了剪破面为1/2试样高度处它不一定是真正的软弱面，因此两者仍有较大的差异。

表3

5 结语

直接剪切试验，优点在于设备简单，试样的制备和安装方便，易于操作，对试样扰动少，尤其适合现场采样；其缺点在于不严格控制排水，剪切过程中试样有效面积逐渐减少，主应力方向发生变化，剪破面上的剪应力分布不均，预定剪破面不一定就是试样的最软弱面。

三轴剪切试验最大的优点在于试样能严格控制排水，通过孔隙水压力量测系统可以测定试验过程中试样内的孔隙水压力变化，并且剪破面为试样的实际软弱面；其缺点在于试验历时长，操作不方便，试样易扰动，不易进行现场试验。在实验过程中具体采用何种试验方法要根据实际情况或按委托方的要求来选择相适应的剪切方法，为工程建设与施工提供合理、准确可靠的数据。

[1]（GB/T50123-1999）土工试验方法标准，1999

[2]张孟喜，土力学，武汉：华中科技大学出版社，2007

[3]陈希哲，土力学与地基基础，北京：清华大学出版社，2004