土的直接剪切试验与影响因素分析

马倩

【摘要】文章主要是分析了直接剪切试验的内涵以及原理，同时在此基础上分析了土的直剪试验的缺陷，最后探讨了影响到直剪试验的主要因素，提出了可行性的解决方案，望能为有关人员提供到一定的参考和帮助。

【关键词】直接剪切试验;抗剪强度;影响因素

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.15.133

1、前言

土体的力学在绝大部分的情况下都是在模拟试验中所得到参数数据的。但由于不同类型的土体有着其自身的特征以及差异，为此在从模拟的过程中所得到的参数与实际的土体实际力学参数不完全相符，存在了一定的差异。为能有效提升到土体直剪试验的整体质量，应当注重到其的实验原理以及其的缺陷成因。

2、直接剪切试验的内涵

直接剪切试验的方法是能够有效确定到室内土壤剪切强度的主要方法。它是指直接测量特定表面上的土壤样品的剪切强度。主要目的是了解剪切面的剪切强度以及垂直应力和剪切强度参数。内聚力和内摩擦角之间的关系决定了土壤材料的性质，从而为土壤材料的估算提供了依据。土的抗剪强度，地基的承载力，地基和边坡的稳定性评估以及挡土墙上的土压力计算是必要的基础，该方法具有操作方便、结构简单、处理简单、传力清晰等优点[1]。

3、土体直剪试验原理

对于粘性土来说，一般来说，它具有分散性高、亲水性强、土颗粒间粘结力小、内摩擦角小、抗剪强度低等特点。粘土颗粒表面被水膜包围，不能直接接触。由此可知在颗粒的表面对土的抗剪强度没有造成实质的影响，增加粘性土的密度可以增加土颗粒之间的接触，因此不同固结度的土的抗剪强度有明显的差异，对于非粘性土，内摩擦角不仅与分散程度有关，而且与颗粒形状和表面有关特征。粗糙颗粒表面会增加土壤的内摩擦角，而平滑度会降低是的[2]。抗剪强度主要受其结构参数的控制特征。作为对于矿物组成而言，只有当剪。在下面正常情况下，它通过粒子的形状和表面特性来工作。土壤主要是由固相、液相和气相三者所组成的块状物质。一般来说，土中的应力在外力作用下会发生变化。当土体中的剪应力超过土体本身的抗剪强度时，土体将失去稳定性，沿其中一个滑动面滑动，导致土体的剪切破坏。目前，室内土工试验室最常用的方法是直剪试验，即测定土的抗剪强度指标（即粘聚力）和内摩擦角，并按GB/t50123-1999第3.1.4条的规定制备原始的土样，即是用圆刀切一个20mm厚的圆形土样放进剪切箱[3]。杠杆系统将垂直压力通过压力活塞和渗透性石头压紧，并传递到土壤样品中，水平剪切应力通过箱体下方的推杆施加到土壤样品上。然后依据库仑定律可以得知水平剪应力在不同的垂直压力下会均匀的分布，然后通过计算可以得出土壤抗剪强度指标的内聚力，最后通过内摩擦角等的方式绘制了土壤的抗剪强度曲线。

4、试验的缺陷及成因

4.1仪器的局限性带来的缺陷

首先，在直接剪切试验过程中，人为地假定剪切破坏表面仅出现在上下箱体之间的平面中。在实际工程中，土壤的破坏面通常发生在最弱的剪切带上，也就是说，土壤样本的最弱的剪切破坏面并不一定是平面，这可能与实际工程不一致。二是因为仪器的结构上存在的一些缺陷，使得土壤中的抗剪强度与排水和固结等都密切的关联在一起，为此应当严格的控制好土壤中的排水条件，孔隙水压力在测试的过程中无法进行测量。在实际试验过程中，疏松的不排水的快速剪切不能达到完全不排水的剪切，而排水的慢剪切不能使土壤样品完全排水，因此存在较大的误差是无法避免的[4]。

4.2试样内部的应变既非均匀又难确定

此情况的存在主要是由于土颗粒通过粘结或咬合的方式连接在一起，这就导致了剪切面上的应力应变分布在一定的程度上出现不均匀的情况。在试验过程中，上下剪力箱会逐渐受到水平荷载的推动作用，加上土样边缘的剪切作用，使得这部分颗粒被压实，形成更明显的应力集中。剪切箱边缘附近应变在最大的情况会使得试样中部的应变相对较小，这就导致了土壤两侧的应变在不断的减小[5]。

4.3参照面积与实际不符

这是因为随着剪切位移的发展，土壤样品的原始横截面积将逐渐减小。可以看出，有效剪切面积与相对位移呈负相关，但直接剪切试验中仍使用标准剪切应力公式。因此极限抗剪的强度显然与实际情况不一致。

5、直剪试验的影响因素

5.1垂直压力

对于软土可以选择50、100、150和200 kPa的垂直压力;对于坚硬的土壤可以选择100、200、300和400 kPa的垂直压力。总之有关人员能够就实际工程的需求和技术要求从而确定到竖向的压力。在不同垂直的压力下发现普通土的抗剪强度差异不大。对于砂，矿物组成对内摩擦角受矿物形态的影响。富含角状或圆形矿物（如石英和长石）的沙子通常比云母和长石更有价值。绿泥石和滑石含量高的砂的内摩擦角较大，但矿物成分对大颗粒间的内摩擦角有显著影响，且这种影响随着颗粒的减少而逐渐减小，小于0.1mm颗粒，难以检测。在粒径分布方面，分布较好的砂粒比分布较差的砂粒大。

5.2试验中的应力变化

根据直接剪切试验的剪切原理，样品应在水平剪切力的作用下剪切，而剪切过程中的主应力保持不变，但是在特定的切割过程中，样品将被切割。箱体不同，位移使轴向正压成为轴向偏力，压力变化产生倾斜剪切现象，也偏离了理想的剪切力。因此， 剪切试验偏差的主要原因是由于剪切试验中的应力变化。

5.3摩擦力

在特定的测试过程中，土壤样品的体积将随剪切操作而变化，并且土壤样品将与剪切箱的内壁产生摩擦。可以说，这种无法测量的摩擦力的形成等同于施加在土壤样品上的附加应力，这进一步影响了土壤的抗剪强度测试结果。

6、试验缺陷的改善措施

在进行土壤样品采集，土壤样品运输和测试操作的过程中，为能够有效避免到土壤样品的结构被破坏，有关人员应当尽可能杜绝干扰土壤样品。其次，由于试验前土壤的剪切强度受其密度和含水量的影响，因此通过测量其密度和含水量能够基本了解样品的均匀性和变异性，从而判断试验的正确性。通过测量样品的密度和水含量可以基本了解样品的均匀性和可变性。

结语：

由上可知，直剪试验有着效率快、简单、操作方便等的优点，但在实际的土体直剪试验过程中还存在了许多的缺陷。为此为能进一步提升到土体试验的整体质量，有关人员可以采用到科学合理的解决措施来解决其中的缺陷。

參考文献：

[1]慕焕东，邓亚虹，张文栋.沙漠-黄土高原过渡区砂质黄土强度试验研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2020（8）.

[2]刘超，刘波，丁伟，等.夯土类古建筑现场直接剪切试验研究[J].工程勘察，2020，v.48;No.367（02）：24-27+33.

[3]赵晓彦，万宇豪，张肖兵.汶马高速公路千枚岩堆积体岩块定向性试验研究[J].岩土力学，2020（1）：175-184.