直剪试验常见问题简析

(西安市地下铁道有限责任公司， 陕西 西安 710018)

直剪试验常见问题简析

陈韧鸣

(西安市地下铁道有限责任公司， 陕西 西安 710018)

直剪试验是目前土工试验方法中操作简单、使用方便的常规试验方法，被广泛应用于工程勘察实践中，无论是水工、建筑、堤坝、岸坡、挡土墙和高层建筑物能够承受一定的荷重，这都与土的抗剪强度有密切的关系。如何做到既经济合理，又能确保建筑物的安全稳定已成为工程技术人员普遍关注的课题。本文简要介绍了直剪试验的分类、试验过程的影响因素、存在问题，通过探讨旨在减少试验误差，提高试验成果的准确性，使试验结果更具有代表性。

抗剪强度 经济合理 准确性

0 前言

当前城市建设中高层、超高层建筑物日益增多，建筑物的安全稳定已显得尤为重要。水工、建筑、堤坝、岸坡、挡土墙和高层建筑物能够承受一定的荷重，都与土的抗剪强度有密切关系。土的抗剪强度是土的重要力学性质指标之一，指土体抵抗剪切破坏的极限能力，数值上等于土体发生剪切破坏时的切应力，土体的破坏，其本质是剪切破坏[1]。

通过试验测定土的抗剪强度偏高会对工程安全性造成严重的影响，甚至危害到建筑物的安全。抗剪强度测定偏低会造成地基处理的复杂化，并会造成整个工程造价的提高。

因此如何做到既经济合理、又保证建筑物的安全稳定性已成为工程技术人员普遍关注的课题。通过室内试验快速、准确地测定土的抗剪强度指标，用于评价建筑物的安全稳定性已成为土工试验人员的重要任务，而直剪试验是目前诸多土工试验方法中操作简单、使用方便的常规试验方法之一，广泛应用于工程勘察实践中。

1 直剪试验分类

按剪切前土的固结程度、剪切时排水条件以及剪切速率快慢，把直剪试验分为快剪、固结快剪、慢剪。

快剪（不排水剪）：试样在垂直压力施加后立即进行快速剪切，试验全过程都不允许有排水现象产生。这时垂直压力大部分由孔隙水来承担。适用于施工进度快、排水条件差的情况下，如厚度很大的饱和粘土地基。

固结快剪（固结不排水剪）：试验在垂直压力下，给予充分时间，使土样孔隙中的水全部排出而达到完全固结，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，再进行快速剪切。适用于一般建筑物的地基稳定性分析，施工期间有一定的固结作用。

慢剪（排水剪）：试样在垂直压力下，排水固结后慢慢地进行剪切，剪切过程中孔隙水可自由排出。一般工程的正常施工进度都不符合这样的条件，所以，工程试验中较少直接采用。

一般情况下，快剪时土的抗剪强度最低，慢剪时最高，固结快剪居中。

2 试验过程的影响因素

2.1 剪切试验中的应力变化

根据直剪试验的要求，剪切过程中主应力大小应保持不变，试样在水平推力下发生剪切破坏。实际上剪切过程中，由于上、下剪切盒发生了相对位移，使得试样也随之产生相对位移。原来轴向正压力变成偏压力，造成试样发生斜剪。在整个剪切过程中，剪应力分布不均匀的问题始终存在，所以剪切过程中的应力变化是造成剪切试验偏差的主要原因之一[2]。

2.2 剪切速率

从两个方面影响：一是影响试样的排水固结强度，二是对粘滞阻力的影响。应严格按照不同剪切试验要求的速率进行试验。

实践证明，剪切速率对砂土抗剪强度影响很小，但对粘性土抗剪强度的影响比较明显，粘性土的抗剪强度一般会随剪切速率提高而增加。剪切速率对内摩擦角影响不大。

2.3 土样密度与含水率

土样密度和含水率也是影响抗剪强度的重要因素之一，通常而言，土的天然密度大，其抗剪强度就高。对于粗粒土，密度越大则颗粒之间的咬合作用力越强，因而摩阻力就越大；对于细粒土，密度越大则说明颗粒间的距离越小，水膜越薄，因而原始粘聚力也越大。

而含水率增大使土的抗剪强度降低，原因在于：一是水分在粗颗粒之间起到润滑作用，使摩阻力降低；二是粘土颗粒表面结合水膜的增厚使原始粘聚力减小。含水量对砂土的摩擦角影响不大，对粘性土影响较大。

2.4 垂直荷重

一般而言，应当根据土的软硬性质和实际的工程需要选择合适的垂直荷重。对于非饱和粘性土一次施加与分级施加垂直压力对试验结果影响不大。对于饱和粘性土，一次施加荷重可能会引起试样被挤出，垂直压力宜分级施加，垂直压力序列可选择50kPa、100 kPa 、150 kPa、200 kPa，此条件得出的抗剪强度指标可能与垂直压力序列100kPa、200 kPa 、300 kPa、400 kPa得出的抗剪强度指标相对偏小，在提供的土工试验成果报告中应做出备注说明，以便设计人员在应用该指标时引起重视。

已有研究成果表明，对于一般性土体，不同垂直压力下土体抗剪强度差别往往不大，相比较而言，在相同条件下，较大垂直压力下测得的粘聚力会偏高，摩擦角会偏小。

另外，粘性土触变性、土的蠕变、土的渗透性、试验温度等因素也会对直剪试验结果产生影响。

3 直剪试验存在问题

⑴在试验过程中主应力的方向不断变化，当试样剪破时，靠近剪力盒边缘的应变最大，而试样中间部分的应变相对要小得多，剪切面附近的应变又大于试样顶部和底部的应变。所以，在剪切过程中，特别是在剪切破坏时，试样内部的应力和应变既非均匀又难搞定。

⑵由于直剪仪构造简单，试样在剪切时不能严格控制排水条件,不能量测试样中的孔隙水压力及其变化。直剪中的快剪试验定义为不固结不排水剪切，但是在真正试验过程中不可能实现完全意义上的不排水剪切。

⑶实际剪切面积对参数的影响

土往往是不均匀的，直接试验的剪切面限于上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的面剪切，不能真实反映实际中复杂情况。

开始剪切后，随着位移的增加，有效剪切面积相应减小，所对应的值也偏小，而且随应力的增加，破坏时的相对位移愈大，其有效剪切面积更加变小，所对应的值也比真值偏小的更多，¢值偏小，c值偏大。

⑷在剪切过程中，垂直荷载发生偏移，土样的剪切面逐渐减小，但在计算强度时，仍按土样的原截面积计算。

4 提高试验质量的方法

⑴避免土体结构的严重破坏

应在取土样方法和设备、土样运输以及室内试验操作方法等方面，尽量避免土样扰动。

⑵设置合适的剪切速率，以剪切变形达4～6mm时的剪应力值作为破坏值[3]。

⑶土是不均匀的，试样密度、含水率是影响抗剪强度的重要因素，制样时应尽可能保证试样均质，即4个试样的含水率和密度保持一致。通常含水率变化不会很大，密度差异宜控制在0.03g/cm3内，这样做出的试验结果比较合理。

⑷直剪试验受诸多因素影响，试验结果离散性较大，不同压力下其抗剪强度往往不能在一条直线上，因此计算试验结果时宜采用最小二乘法计算，对于离散度过大的点不应参与计算，每个试样不得少于3个点。

⑸由于直剪试验不能控制土的排水条件,国家标准明确规定：直剪试验适用的范围为渗透系数小于10-6cm/s的土层，对于渗透系数大于10-6cm/s的土类，应在三轴仪上进行。

⑹在进行剪切试验时，切记要将销钉拔掉，否则会严重损害仪器。

⑺应对直剪仪进行定期检修和校正工作，量力环率定，确保试验的精度，提高试验的质量，减少由仪器带来的误差。

5 结语

鉴于直剪仪存在的缺陷及影响土体抗剪强度因素较多，目前，通过直剪试验准确测定土的抗剪强度指标是较为困难的。因此，在使用由直剪试验得到的抗剪强度参数时，建议采用抗剪强度修正公式进行计算，并与其他三轴剪切试验相比较，以便获得较为合理的抗剪强度参数。另外，设计人员在使用抗剪强度指标时不要片面地认为某些指标异常就将其舍弃，而应与所取土样的工程地质条件相结合来使用该指标，这样更能反映土体的真实状况。

[1]赵树德.土力学[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]薛梅.岩土工程勘察中土工试验质量管理的探索[J].山西建筑，2016(21):87-88.

[3]GB/T50123-1999，土工试验方法标准 [S].

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1007-6344（2017）08-0307-01