土的直接剪切實(shí)驗(yàn)探討

張 鑫

(寶雞市勘察測(cè)繪院，陜西寶雞 721000)

土不是理想的彈性材料或塑性材料，它的組成和性質(zhì)都比較復(fù)雜。土的抗剪強(qiáng)度是指土對(duì)外力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極限抵抗能力，而發(fā)生剪切破壞時(shí)土受到的剪切力超過(guò)了極限，其一部分會(huì)相對(duì)于另一部分移動(dòng)，這也是強(qiáng)度破壞的重要特點(diǎn)。直接剪切實(shí)驗(yàn)有一定的步驟可循，然后按照庫(kù)侖定律計(jì)算出土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，是研究土的性質(zhì)方面的一類(lèi)重要實(shí)驗(yàn)。尋找實(shí)驗(yàn)相關(guān)過(guò)程的新的改進(jìn)方法來(lái)完善直接剪切實(shí)驗(yàn)對(duì)相關(guān)的研究具有深刻的意義。

1 土的直接剪切實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)儀器

土的直接剪切實(shí)驗(yàn)，就是指在提前特定的表面對(duì)土進(jìn)行剪切，并直接測(cè)量這個(gè)表面上的剪應(yīng)力和土的抗剪強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)?zāi)康木褪抢靡阎募羟忻嫔洗怪睉?yīng)力σ與抗剪強(qiáng)度T之間的關(guān)系，求解強(qiáng)度參數(shù)c和φ，從而確定土體材料的性能特點(diǎn)。直接剪切試驗(yàn)方法根據(jù)剪切時(shí)排水條件的差異，可以分為快剪、固結(jié)快剪和慢剪三種方式。這三種方法所要求使用的土的顆粒大小也存在一定的差異。經(jīng)過(guò)具體操作我們發(fā)現(xiàn)，即使運(yùn)用同一臺(tái)儀器對(duì)某一種特定的土進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，若選取的方法不同那么結(jié)果也會(huì)存在很大差別，甚至出現(xiàn)相差懸殊的情況。因此，我們?cè)谶M(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，要首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況作一定的考察分析工作，然后選取最合理的、最接近實(shí)際情況的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行，這樣才能得出比較準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單地說(shuō)就是將厚度為20 mm的圓形土餅放入剪切盒中，然后置于不同的垂直壓力作用下，再沿固定的剪切面直接施加水平剪切力進(jìn)行剪切操作，使得試樣在上下兩盒之間的水平面上發(fā)生剪切活動(dòng)直至破壞。通過(guò)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以求出破壞時(shí)的剪切應(yīng)力，然后就能根據(jù)庫(kù)侖定律來(lái)確定土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，即內(nèi)摩擦角和凝聚力。

實(shí)驗(yàn)運(yùn)用到的儀器有:應(yīng)變式直剪儀、剪切盒、傳動(dòng)裝置、測(cè)力計(jì)、位移計(jì)、環(huán)刀、削土刀、濾紙、潤(rùn)滑油等。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟

第一步是取樣操作。先用環(huán)刀法在實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選取大約5個(gè)試樣，然后對(duì)環(huán)刀的表面進(jìn)行清潔處理之后，將其與試樣一起放入塑料袋來(lái)防止含水量的降低。實(shí)驗(yàn)時(shí)取出試樣，觀(guān)察外觀(guān)特點(diǎn)，并測(cè)量試樣的兩個(gè)預(yù)定破壞面的高度以及寬度，注意測(cè)量的精確度和取值標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)格符合相關(guān)要求或規(guī)定。

第二步對(duì)試樣進(jìn)行放置工作。對(duì)準(zhǔn)剪切盒的上盒和下盒，用手把銷(xiāo)釘固定好，保持穩(wěn)定性。然后在下盒里放入一塊干凈的透水石和一張濕潤(rùn)過(guò)的濾紙。環(huán)刀托著試樣并保持平口向下、刀口向上的狀態(tài)，將其對(duì)準(zhǔn)剪切盒的上盒，同樣在試樣面放置一塊透水石和一張濕潤(rùn)的濾紙。放置工作完成后，把試樣通過(guò)透水石緩慢而均勻地壓入剪切盒底部，并把環(huán)刀移走。

第三步就是施加荷載過(guò)程。把傳壓活塞和加壓框架依次加在試樣上，再取4個(gè)或更多個(gè)試樣分別施加不同大小的垂直壓力(這里的壓力值應(yīng)該是通過(guò)對(duì)土的軟硬度等實(shí)際情況分析之后而設(shè)定的。而且，對(duì)于較為松軟的土，應(yīng)該采用分級(jí)加壓的方法，以避免試樣被擠出)。然后順時(shí)針?lè)较蚓徛剞D(zhuǎn)動(dòng)手輪一直到位于上盒前端的鋼珠與量力環(huán)恰好接觸了為止，這時(shí)將測(cè)力計(jì)示數(shù)調(diào)為零，拔掉銷(xiāo)釘，同時(shí)用秒表計(jì)時(shí)，再次轉(zhuǎn)動(dòng)手輪并盡量保持4 r/min～12 r/min的均勻速率，這樣就保證了試樣剪損時(shí)間在3 min～5 min內(nèi)。這次的操作要同時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具體的實(shí)施過(guò)程就是:轉(zhuǎn)動(dòng)手輪時(shí)，每轉(zhuǎn)一圈記錄一次測(cè)力計(jì)的讀數(shù)，重復(fù)進(jìn)行直到測(cè)力計(jì)的示數(shù)不再變化時(shí)停止。這時(shí)候的試樣已經(jīng)完成了剪損。數(shù)據(jù)的記錄由于是在一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程中完成，所以操作時(shí)可以多人配合一起進(jìn)行，多測(cè)量幾組數(shù)據(jù)也有利于增加數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

最后一步就是統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并分析。將試樣取出，測(cè)定其含水量。然后按照上面的步驟再進(jìn)行其他垂直荷載下的剪應(yīng)力實(shí)驗(yàn)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照公式可以計(jì)算出剪應(yīng)力、正應(yīng)力等量的值。最后可以通過(guò)作圖法進(jìn)一步明確兩個(gè)量之間的關(guān)系。通常我們以剪應(yīng)力為橫坐標(biāo)、以垂直壓應(yīng)力為縱坐標(biāo)作圖，理論上來(lái)說(shuō)，圖像為斜率大于零、位于坐標(biāo)上半平面的一條直線(xiàn)，而且直線(xiàn)的傾角表示的就是土的內(nèi)摩擦角，而直線(xiàn)在縱坐標(biāo)上的截距表示的是土的凝聚力。

2 試驗(yàn)中存在的問(wèn)題與改善方法

2.1 土體結(jié)構(gòu)的破壞問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，施加荷載操作和垂直應(yīng)力操作等都有可能破壞土體的結(jié)構(gòu)，這會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)后面的步驟無(wú)法得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，從而整個(gè)實(shí)驗(yàn)以失敗告終。為了避免這種情況的發(fā)生，應(yīng)該盡可能地保證土體結(jié)構(gòu)的完整性不被破壞。這就需要我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中的每個(gè)環(huán)節(jié)落實(shí)這一理念，例如土樣的選取過(guò)程、土樣運(yùn)輸過(guò)程和實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，我們都要盡量保持土樣完整，避免試樣擾動(dòng)。

2.2 試樣密度、含水量的問(wèn)題

土的密度和含水量是影響其抗剪強(qiáng)度的重要因素，出現(xiàn)較大偏差的試樣完成的實(shí)驗(yàn)自然是不具說(shuō)服力和普遍性的。實(shí)驗(yàn)中要求四個(gè)試樣的密度不能有太大差距，超出誤差范圍的試樣是不能采用的，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確也不能應(yīng)用。一般要求，第一個(gè)和第四個(gè)試樣密度要接近平均值，第二個(gè)偏小，第三個(gè)偏大。當(dāng)出現(xiàn)誤差較大的情況時(shí)，只能按照要求重新選取試樣。同樣，試樣的含水量問(wèn)題也有其相應(yīng)的要求需要嚴(yán)格遵守。為了更好地應(yīng)用符合要求的試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)而避免不必要的重復(fù)操作，我們可以在實(shí)驗(yàn)之前測(cè)定出試樣的密度和含水量，從而了解和掌握其均勻性，然后按照相應(yīng)的變化規(guī)律判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3 直剪儀相關(guān)操作和自身精確問(wèn)題

通過(guò)上面對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的介紹，我們可以發(fā)現(xiàn)，直剪儀是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中非常重要的儀器設(shè)備，其相關(guān)情況當(dāng)然與實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行和結(jié)果的準(zhǔn)確息息相關(guān)。剪切過(guò)程中，轉(zhuǎn)動(dòng)直剪儀手輪時(shí)必須保證操作的連續(xù)性和均勻速率，這樣才能進(jìn)一步保證試樣受力的均勻性。如果出現(xiàn)偶爾的停頓間斷現(xiàn)象，那么測(cè)得的剪應(yīng)力與準(zhǔn)確值之間就會(huì)產(chǎn)生較大差異，尤其在最后接近土的破壞的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生更加嚴(yán)重的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差也很大，只能重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此，保持直剪儀手輪連續(xù)勻速的轉(zhuǎn)動(dòng)十分重要，不能有任何紕漏。另外，還有直剪儀自身的問(wèn)題。時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的或新的直剪儀，可能因?yàn)榘徇\(yùn)、使用等原因而出現(xiàn)磨損、松動(dòng)的現(xiàn)象，直接降低了儀器的精確性和穩(wěn)定性，因此在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)造成一定的實(shí)驗(yàn)誤差。應(yīng)對(duì)儀器上的誤差，我們可以定期對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行檢查和校正工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)儀器設(shè)備上的不足和隱患，并作出相應(yīng)的調(diào)整措施，保證實(shí)驗(yàn)所用器具的穩(wěn)固牢靠和精準(zhǔn)無(wú)誤，從而促進(jìn)試驗(yàn)?zāi)軌蝽樌煽康剡M(jìn)行。

2.4 人為原因的誤差問(wèn)題

土的直接剪切試驗(yàn)中有很多操作是靠實(shí)驗(yàn)人員手動(dòng)控制進(jìn)行的，最終數(shù)據(jù)的記錄也是人為的讀數(shù)，因此，實(shí)驗(yàn)中很有可能因?yàn)槿吮旧淼囊曈X(jué)和感覺(jué)上的偏差而產(chǎn)生較大的誤差，給實(shí)驗(yàn)結(jié)果也帶來(lái)了一定影響。對(duì)此，可以請(qǐng)實(shí)驗(yàn)的專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行指導(dǎo)工作，介紹講解其相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)就能點(diǎn)明一些需要特別注意的地方，對(duì)實(shí)驗(yàn)的操作和實(shí)施有很大幫助。另外還可以通過(guò)多次測(cè)量求取平均值的做法來(lái)減小實(shí)驗(yàn)誤差。

人為方面的誤差基本上在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中都存在，但其主要原因還是在實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)上。當(dāng)今世界，科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，科技水平日益進(jìn)步，設(shè)計(jì)出更加完善精確的實(shí)驗(yàn)儀器和更加合理實(shí)際的實(shí)驗(yàn)方法是改善實(shí)驗(yàn)整體質(zhì)量的關(guān)鍵。這樣，我們就能突破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)現(xiàn)儀器的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新，促進(jìn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展。

3 直接剪切實(shí)驗(yàn)的影響因素和注意事項(xiàng)

3.1 影響直接剪切實(shí)驗(yàn)的因素

對(duì)于土的直接剪切實(shí)驗(yàn)，影響因素主要有以下兩個(gè)方面:

1)直接剪切儀的局限性。進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們利用直接剪切儀來(lái)完成一系列的操作，而且把上下盒之間的平面當(dāng)成是假定的破壞面。這與實(shí)際工程其實(shí)是不符合的，因?yàn)樵趯?shí)際的工程中，通常土體破壞都是沿著土體在薄弱的剪切面進(jìn)行破壞的。這樣來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行與現(xiàn)實(shí)情況還是有一定的出入的，不能實(shí)現(xiàn)完全、徹底的還原。而且，實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能是起到一個(gè)重要的參考作用，并不能直接生搬硬套在實(shí)際環(huán)境中。

2)直剪中的一類(lèi)快剪實(shí)驗(yàn)如果按照其嚴(yán)格定義來(lái)要求的話(huà)，應(yīng)該要滿(mǎn)足不排水剪切的條件，但是在我們進(jìn)行的具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，是不可能實(shí)現(xiàn)不排水剪切的環(huán)境條件的。所以，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與研究工作中，我們也要充分考慮到這個(gè)因素。這種情況同樣又是理論意義與實(shí)際操作的差別，其實(shí)很多實(shí)驗(yàn)也都會(huì)有這樣的問(wèn)題出現(xiàn)。因?yàn)槿藗兘?jīng)過(guò)一系列數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)推理出來(lái)的理想中的狀態(tài)，是一個(gè)從有形到無(wú)形的過(guò)程，現(xiàn)實(shí)條件下，我們并無(wú)法達(dá)到那種條件，也就是說(shuō)不能通過(guò)真實(shí)具體的實(shí)驗(yàn)完完全全地進(jìn)行驗(yàn)證。但這絕不是說(shuō)任何的推理和猜想都不具有可信性，理論上成立也是真理的一種講述，而且，隨著當(dāng)今世界科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的發(fā)展肯定也會(huì)有更大的進(jìn)步，屆時(shí)實(shí)驗(yàn)條件也會(huì)得到相應(yīng)的豐富和發(fā)展。

3.2 直接剪切實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

實(shí)驗(yàn)時(shí)有很多細(xì)節(jié)之處是需要特別注意和小心的，而且，操作的細(xì)節(jié)往往關(guān)系著整個(gè)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，其影響不容小覷。這里介紹幾個(gè)重要的需要注意的細(xì)節(jié):

1)剪切實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，拔掉銷(xiāo)釘?shù)沫h(huán)節(jié)必不可少，否則會(huì)對(duì)儀器造成相應(yīng)影響的。如果疏忽了銷(xiāo)釘?shù)倪@一過(guò)程，則可能導(dǎo)致儀器嚴(yán)重?fù)p壞的后果。

2)在進(jìn)行施加荷載操作時(shí)，要注意放置力度的把握，輕輕放上有利于避免引起大幅度的沖擊和振動(dòng)，保持土體結(jié)構(gòu)不被破壞。

3)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪時(shí)注意速率的掌控，中途停頓或時(shí)快時(shí)慢都會(huì)導(dǎo)致剪損時(shí)間的改變，進(jìn)而引起剪切程度的不同，造成一定實(shí)驗(yàn)誤差。

4 結(jié)語(yǔ)

土的直接剪切實(shí)驗(yàn)可用來(lái)測(cè)量土的抗剪強(qiáng)度，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和價(jià)值。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程并不復(fù)雜，而且所用到的儀器、設(shè)備也比較簡(jiǎn)單，所以雖然試驗(yàn)中存在諸多問(wèn)題，但仍然在如今的大量工程中被廣泛應(yīng)用，也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，比較實(shí)用。實(shí)驗(yàn)中的影響因素和注意事項(xiàng)不能忽視，可能會(huì)直接影響著實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度等等。針對(duì)我們發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)中存在的一些問(wèn)題和缺點(diǎn)，也有了相應(yīng)的改善措施，相信以后也會(huì)提出更加完善的實(shí)驗(yàn)方案，讓土的直接剪切實(shí)驗(yàn)更加準(zhǔn)確規(guī)范，起到更大的實(shí)用價(jià)值。

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