直剪飽和固結(jié)快剪與三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)比較

宋效蘭

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 引言

土的抗剪強(qiáng)度是土的一個(gè)重要力學(xué)性質(zhì)。在試驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度的常用方法有直接剪切試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)任務(wù)是測(cè)定土的強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角和凝聚力。這些指標(biāo)在計(jì)算地基承載力、評(píng)價(jià)地基和邊坡穩(wěn)定性以及計(jì)算擋墻壓力和基坑支護(hù)中都是不可缺少的重要參數(shù)。在水利工程中，土壩修建完成后，壩身在自重壓力下完全固結(jié)，通常采用直剪試驗(yàn)的飽和固結(jié)快剪或三軸試驗(yàn)中固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。這兩種試驗(yàn)都是要對(duì)試件進(jìn)行飽和，然后施加外力，對(duì)土樣進(jìn)行固結(jié)后在不排水的情況下進(jìn)行的剪切。本文取4組土樣分別進(jìn)行直剪飽和固結(jié)快剪、三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，并對(duì)這兩種方法及測(cè)定的總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度進(jìn)行比較，為指標(biāo)的選用提供依據(jù)。

2 直剪飽和固結(jié)快剪試驗(yàn)

直剪飽和固結(jié)快剪試驗(yàn)是對(duì)飽和后的試件施加垂直荷重，讓孔隙水壓力消散，再施加水平剪力，在3~5min內(nèi)將土剪壞，不讓含水率發(fā)生變化。因孔隙水壓力不好測(cè)定，該試驗(yàn)測(cè)出的強(qiáng)度為總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度。

2.1 儀器設(shè)備

直剪飽和固結(jié)快剪試驗(yàn)采用ZJ—應(yīng)變控制四聯(lián)直剪儀。位移傳感器的量程為10mm，準(zhǔn)確度為全量程的0.2%，以等速水平推動(dòng)試樣產(chǎn)生位移并測(cè)定相應(yīng)的剪應(yīng)力。

2.2 樣品制備

采用直徑61.8mm×20mm環(huán)刀切取原狀土樣，每組3塊，密度差不小于0.03g/cm3。將制取的試樣裝入飽和架放入真空缸中抽氣飽和，當(dāng)真空度接近一個(gè)大氣壓后，繼續(xù)抽氣1h，然后緩慢注入清水，并使真空度保持穩(wěn)定。待飽和架完全淹沒后，停止抽氣，解除飽和罐內(nèi)真空，讓試件在飽和罐內(nèi)靜置10h以上。

2.3 試驗(yàn)方法

將剪切盒的上下盒對(duì)準(zhǔn)，插入固定銷釘，下盒底部放一塊透水石，透水石上安裝一張濾紙。將制備好的試樣環(huán)刀刃口向上，平口朝下，對(duì)準(zhǔn)剪切盒口，在試樣上依次放入一張濾紙與透水板，將試樣小心地推入剪切盒內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，剪切盒向前移動(dòng)，使剪切盒上盒前鋼珠與測(cè)力計(jì)接觸，在剪切盒頂部透水石上依次加上剛性傳壓板與加壓框架，安裝豎向位移量測(cè)裝置。施加豎向壓力（ 100kPa，200kPa，300kPa）使試樣固結(jié)穩(wěn)定，即1h豎向變形值不大于0.05mm。拔去固定銷釘，以0.8mm/min的剪切速率進(jìn)行剪切，出現(xiàn)峰值時(shí)，取峰值作為抗剪強(qiáng)度；無峰值時(shí)，以剪切位移4mm對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度值。

2.4 計(jì)算方法

剪切試驗(yàn)的結(jié)果按照庫(kù)侖定律S=C+δtanΦ計(jì)算抗剪強(qiáng)度。

式中：S——土的抗剪強(qiáng)度，kPa；

C——土的黏聚力，kPa；

δ——作用于剪切面上的法向應(yīng)力，kPa；

Φ——土的內(nèi)摩擦角，°。

用相同比例尺在坐標(biāo)紙上以抗剪強(qiáng)度S為縱軸，以垂直壓力P為橫軸，繪制相關(guān)直線，直線與縱軸相交的截距為土的黏聚力，直線傾斜角為土的內(nèi)摩擦角。

3 三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)

三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)是將飽和后的試樣先在某一周圍壓力作用下排水固結(jié)，然后在保持不排水的情況下，快速增大軸向壓力，使試樣中的剪應(yīng)力逐漸增大，直至達(dá)到極限平衡而剪切，由此求得土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。本試驗(yàn)不僅能測(cè)出土樣的總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度，而且可以測(cè)出固結(jié)穩(wěn)定后土樣中的孔隙水壓力，根據(jù)孔隙水壓力+有效應(yīng)力=總應(yīng)力，從而求出土樣的有效應(yīng)力強(qiáng)度。

3.1 儀器設(shè)備

采用TSZ-1型應(yīng)變控制式三軸儀，安裝孔隙水壓力傳感器和位移傳感器。

3.2 樣品制備

將土樣切成h=8.0cm，ф=3.91cm圓柱體試樣，每組4塊，裝入飽和器，放入抽氣缸進(jìn)行抽氣飽和，然而上述方法并不能使試樣達(dá)到完全飽和，尤其是低滲透性的細(xì)粒土試樣，因此，需要在儀器上對(duì)試樣施加反壓力，反壓力可使試樣達(dá)到完全飽和狀態(tài)。

3.3 試驗(yàn)方法

在進(jìn)行固結(jié)不排水試驗(yàn)中，為了加速試樣固結(jié)，一般在試樣外貼上下連續(xù)的濾紙條，覆蓋側(cè)面達(dá)50%以上，將貼好條的土樣套在橡皮膜內(nèi)，放在密閉的壓力室中施加周圍壓力。在施加周圍壓力時(shí)，將排水閥門打開，允許試樣充分排水，待固結(jié)穩(wěn)定后關(guān)閉排水閥門，然后再施加豎向壓力，使試樣在不排水的條件下剪切破壞。

3.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)摩爾—庫(kù)倫理論，將同一土樣分別在100kPa，200kPa，300kPa壓力條件下所得的三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果，分別繪制摩爾圓，根據(jù)這些摩爾圓的包線即可求出抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。根據(jù)孔隙水壓力和總壓力，可以同樣繪出有效應(yīng)力摩爾圓和有效應(yīng)力強(qiáng)度包線，求出有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

將4組土樣按照要求分別制取直剪與三軸的檢測(cè)樣品，并對(duì)制取的樣品分別放于儀器上檢測(cè)，結(jié)果見表1。

表1 飽和固結(jié)剪與固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)成果比較

4.2 測(cè)定結(jié)果對(duì)比

通過上述檢測(cè)結(jié)果可以看出，對(duì)同一組試件來說，直剪飽固快得出的抗剪強(qiáng)度值大于三軸飽和固結(jié)不排水得出的總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度。這是因?yàn)橹奔麸柟炭煸诩羟羞^程中不能嚴(yán)格控制排水，部分水份從剪切盒縫隙排出，含水量發(fā)生了變化，且剪切面積隨剪切位移的增加逐漸變小，剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻，剪切面限定在上下盒之間的平面，而不是沿土樣最薄弱的面剪切破壞。三軸剪切試驗(yàn)?zāi)芎芎玫乜刂婆潘⒖梢粤繙y(cè)土樣中孔隙水壓力的變化。此外，三軸試驗(yàn)中試樣的應(yīng)力狀態(tài)也比較明確，剪切破壞時(shí)的破裂面在試樣最弱處。

5 結(jié)語

在實(shí)際工作中，應(yīng)根據(jù)工程的地基條件、工程進(jìn)度、試驗(yàn)方法等進(jìn)行選擇。飽固快直剪試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，運(yùn)用方便，周期較短，但準(zhǔn)確率稍差。三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)準(zhǔn)確性好，而且能夠進(jìn)行有效應(yīng)力強(qiáng)度檢測(cè)，但周期較長(zhǎng)，操作復(fù)雜，對(duì)操作人員素質(zhì)要求也高。但這兩種試驗(yàn)都是在理想化的室內(nèi)條件下進(jìn)行的，與實(shí)際環(huán)境還有很大差異，因此，工作人員一定要具體分析工程的實(shí)際條件，提出切合實(shí)際的剪切方法。