直剪实验在工程中的应用

张云开 李咏琪

北京建筑大学，中国·北京 102616

1 引言

土体的强度是指一部分土体，相对于另一部分滑动土体产生的抵抗力，实际上是指土体和土体之间产生的摩擦力。对于土体的抗剪强度来说，是指土体在受到剪切破坏时，产生的一种极限能力。这一数值与发生剪切破坏时，产生的剪应力是相等的。剪切面是指土体在发生剪切破坏时，某一个面上产生的，与剪切方向完全相同的位移作用。土体的抗剪强度取决于本身的性质，也就是土体的组成部分。土体的状态和结构，既与形成环境某因素存在较大的联系，也与当前的应力状态存在一定的联系[1]。

2 直剪实验的开展特点

在进行直剪实验的过程中，可以对土体抗剪强度进行有效的测定，这是一种常用的实验方法。主要是根据库仑强度理论开展相关的实验。无论是非粘性土壤还是粘性土壤，抗剪强度和法向应力都存在线性的关系，可以通过公式的应用开展相关的实验，并且对其进行计算。

在对土壤抗剪强度进行测定的过程中，首先要从土层某个位置进行取样，将其制作成4 个环刀试样，可以采用不同的垂直压力进行试样的实验，然后对其施加剪切力，对剪应力和位移的关系进行测定。还可以制定一个曲线关系表，在这个曲线关系表中，可以得出试样的极限剪应力。将其作为垂直压力下的抗剪强度，然后设为纵向坐标，垂直压力设为横向坐标，根据坐标可以绘制一个抗剪强度和垂直压力的关系曲线图，然后明确根据库伦定律对粘聚力和内摩擦角。在进行实验和计算过程时，要将剪切实验理论基础作为主要的依据。结合工程的实际要求，对剪切实验的程序和应用模式进行具体的选择，这样才能保证直剪实验在开展时更加有效[2]。

3 直剪实验在工程中的具体应用

直剪试验是测定土抗剪强度的一种常用的、古老的、又最简单的方法。通常采用四个试样为一组，分别在不同的垂直压力σ 下，施加水平剪应力进行剪切，求得破坏时的剪应力τ，然后根据库仑定律确定土的抗剪强度参数内摩擦角φ和凝聚力C 。直剪试验分为快剪（Q）、固结快剪（CQ）和慢剪（S）三种试验方法。测定土不同压力下的抗剪强度，得出土的抗剪强度指标粘聚力c 和摩擦角，可以估算地基承载力，评价地基稳定性，计算挡土墙土压力等。而抗剪强度是土的重要力学性质指标之一，它为工程勘察设计提供地基评价和计算承载力的重要参数。直剪试验是测定土抗剪强度最常用的方法。

3.1 实验方法

在进行直剪实验的过程中，主要存在快剪和固结快剪以及慢检等实验方法。快剪实验是在试样上施加一个垂直的压力，然后立即施加水平的剪切；固结快剪实验方法在应用时，可以通过试样的垂直压力施加，等待排水固结稳定之后，施加一个水平的剪切力；慢剪实验的应用属于排水剪切实验方法，是在试样上施加一个垂直的压力和水平的剪切力，使试样能排水固结。因为采用的实验方法存在较大的差异，所以最终结果内容不同。直剪仪器设备在应用的过程中，无法对排水条件进行有效地控制。剪切面积和剪切位移存在一定的联系，会导致设备在使用时受到更多的限制。在应用这种实验方法时，要根据土体的特性和工作条件，对实验程序进行改善和优化。

例如，在施工现场地基很少排水或者不发生固结作用时，可以选用快剪实验方法。反之可以选择固结快剪实验方法或者慢剪实验方法[3]。

3.2 垂直荷重的影响

粘性土壤的抗剪强度和垂直压力的关系，并不完全符合库仑方程的线性关系。对于正常固结的土壤来说，在一般荷重的作用下，可以存在线性关系。但一些超固结土壤，先期固结的压力比较大，远远大于自重的压力。在对垂直压力进行选择的过程中，要对先期固结压力值进行综合考虑，要保证现有的压力小于先期固结的压力值。在施加最大垂直压力时，要根据实际情况。对压力值进行具体的选择。正常情况下要在室内开展直剪实验，实验中的垂直压力最大值不能超过400kPa。根据工程的建设要求开展直剪实验，尤其是在西北黄土区域进行实验的过程中，取样的深度最多高达40m。在这个深度范围内，自重压力在800kPa 左右，比垂直压力值大。在这种情况下，采用垂直压力得出的抗剪强度指标，与土体实际的抗剪强度存在较大的差异。因此，要在20m 深度下进行取样，然后开展直剪实验，要根据预估的最大压力进行高压直剪实验[4]。

3.3 剪切速率的确定

剪切速率会对土体的抗剪强度产生重要的影响。因为剪切速率对孔隙水压力的产生和传递以及消散存在较大的影响，所以会对试样的排水固结强度产生影响。剪切速率还会对粘滞阻力产生影响。如果剪切速率比较高，剪切时间比较短，粘滞阻力会不断增大，表现出来的抗剪强度比较高。如果粘滞阻力变小，表现出来的抗剪强度就会降低。在开展实验的过程中，需要对粘滞阻力进行全面的考虑。在进行快剪实验的过程中，需要尽量避免试样在剪切过程中产生排水固结。如果土体的含水率比较高，密度比较低，透水性能比较大。即使加快剪切的速率，也会出现排水固结的现象。因此，在实验的过程中，要用三轴仪器对抗剪强度进行有效的测定[5]。

3.4 试样的选择

在进行直剪实验的过程中，需要采用4 个环刀试样，要对结果进行线性回归，从而得出最终的抗剪强度。需要根据工程的实际要求开展直剪实验，因为土质不够均匀，经常会出现抗剪强度与垂直压力关联性比较差等现象。在进行取样的过程中，如果存在粉土，会出现粘聚力为负的现象。要按照密度将试样进行从大到小的比较，这种比较对于粘性土的影响比较小，但对于砂性土体和粉土存在较大的影响。在实验的过程中可以发现，试样的密度和含水率会对最终的抗剪强度产生重要的影响。在进行实验的过程中，要保证试样的均匀，确保试样的含水率和密度能保持一致。在这种情况下含水率变化不会很剧烈，要对密度差异值进行严格的控制，才能保证最终实验结果更加合理[6]。

3.5 不同状态下土壤抗剪强度指标比对

土体在天然状态和饱和状态下的实验结果差别比较大，大多数粘性土体在饱和状态下的粘聚力和内摩擦角，与天然状态下相比较存在较大的差异。所以在进行实验的过程中，要做好样品的选择。在开展实验时，还要对各项数值进行综合考虑，要选择最佳的样品开展这项实验。

4 结语

综上所述，在进行直剪实验的过程中，仪器设备的应用是非常重要的。需要对仪器设备进行专门的管理，不仅要做好仪器设备的校正，还需要做好后期的维修养护。需要保证仪器设备在应用时能发挥更大的作用，才能提高实验结果的准确性，为工程的建设提供有效的支持。尤其是在进行建筑工程建设的过程中，需要事先做好直剪实验，还要选派专业的优秀人员开展这项实验。要对实验的各程序进行全面地管理，确保实验过程更加规范有序，促进工程建设可持续的发展。