直接剪切試驗(yàn)及應(yīng)用

寇曉嵐，齊芳云

(西北電力設(shè)計院， 陜西 西安 710032)

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直接剪切試驗(yàn)及應(yīng)用

寇曉嵐，齊芳云

(西北電力設(shè)計院， 陜西 西安 710032)

摘要：依據(jù)直接剪切試驗(yàn)理論，結(jié)合室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，從直接剪切試驗(yàn)方法、影響直接剪切試驗(yàn)的因素、試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)的解析等方面，探討不同土質(zhì)直接剪切試驗(yàn)方法的選擇及成果應(yīng)用。提出試驗(yàn)方法的選取應(yīng)結(jié)合土質(zhì)、施工時間長短、排水等因素綜合考慮。建議20m深度以下的土層及粉土和粉砂不適宜做常規(guī)直接剪切試驗(yàn)；設(shè)計者在使用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)時不要片面的認(rèn)為某些指標(biāo)異常將其舍棄，而應(yīng)與所取土樣的地貌單元及地層結(jié)構(gòu)對應(yīng)起來使用該指標(biāo)，這樣更能反映土體的真實(shí)狀況。

關(guān)鍵詞：直接剪切試驗(yàn)；粘聚力；內(nèi)摩擦角；荷重序列；剪切速率 。

1 概述

直接剪切試驗(yàn)是測定土體抗剪強(qiáng)度的一種常用方法，它的理論依據(jù)是庫倫強(qiáng)度理論。不論非粘性土或粘性土，抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力為線性關(guān)系，見公式(1)。

式中：τ為土的抗剪強(qiáng)度(kPa)；c為土的粘聚力(kPa)；σ為作用于剪切面上的法向應(yīng)力(kPa)； θ為土的內(nèi)摩擦角(°)。

測定土的抗剪強(qiáng)度具體操作方法為：從土層某個位置取出土樣，制成4個環(huán)刀試樣，用不同的垂直壓力作用于試樣上，然后施加剪切力，測得剪應(yīng)力與位移的關(guān)系曲線，見圖1(a)；從曲線上找出試樣的極限剪應(yīng)力作為該垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度。再以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，垂直壓力為橫坐標(biāo)，繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線，見圖1(b)；然后根據(jù)庫倫定律確定粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ。

圖1　關(guān)系曲線圖

以下以直接剪切試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)為依據(jù)，結(jié)合工程實(shí)踐談?wù)勚苯蛹羟性囼?yàn)及應(yīng)用。

2 試驗(yàn)方法的選擇

直接剪切試驗(yàn)分為快剪(Q)、固結(jié)快剪(CQ)和慢剪(S)三種試驗(yàn)方法。

快剪試驗(yàn)(Q)是在試樣上施加垂直壓力后立即施加水平剪切力。固結(jié)快剪(CQ)是在試樣上施加垂直壓力，待排水固結(jié)穩(wěn)定后施加水平剪切力。慢剪試驗(yàn)又叫排水剪切試驗(yàn)(S)，是在試樣上施加垂直壓力和水平剪切力的過程中，均使試樣排水固結(jié)。

試驗(yàn)方法的不同，其結(jié)果也不一樣。直接剪切儀的最大缺點(diǎn)是不能有效地控制排水條件，剪切面積隨剪切位移的增加而減小，因而它的使用受到一定的限制。在選用方法時，應(yīng)使試驗(yàn)方法盡可能反映土體的特性和工作條件，如預(yù)測施工期地基很少排水或來不及發(fā)生固結(jié)作用時，可選擇快剪試驗(yàn)，相反可選擇固結(jié)快剪或慢剪試驗(yàn)。

3 垂直荷重的影響

3.1 垂直荷重的選擇

粘性土的抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系并不完全符合庫侖方程的線性關(guān)系。對于正常固結(jié)土，在一般荷重(100～400 kPa)作用下可認(rèn)為是線性關(guān)系。但對于超固結(jié)土，由于先期固結(jié)壓力大于現(xiàn)有自重壓力，在選擇垂直壓力時，應(yīng)考慮先期固結(jié)壓力Pc值，設(shè)計壓力小于先期固結(jié)壓力，施加的最大垂直壓力不大于Pc；設(shè)計壓力大于先期固結(jié)壓力，施加的最大垂直壓力應(yīng)大于設(shè)計壓力Pc。通常室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)垂直壓力最大為400 kPa，而工程實(shí)際中，尤其是西北黃土地區(qū)，取土試樣深度多達(dá)30～40 m，在這個深度范圍內(nèi)，僅自重壓力都在600 ～800 kPa，顯然比通常的垂直壓力400 kPa大很多，采用最大400 kPa垂直壓力得出的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與土體實(shí)際的抗剪強(qiáng)度可能相差較大。所以20 m深度以下土樣的直接剪切試驗(yàn)，可根據(jù)預(yù)估的最大壓力做高壓直接剪切試驗(yàn)。

3.2 分級施加荷重與一次施加荷重的影響

對于非飽和粘性土一次施加與分級施加垂直壓力對試驗(yàn)結(jié)果影響不大。對于飽和粘性土，一次施加荷重可能會引起試樣被擠出，垂直壓力宜分級施加，垂直壓力序列可選擇50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa，此條件得出的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)可能與垂直壓力序列100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa得出的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)相對偏小，所以在提供的土工試驗(yàn)成果報告中應(yīng)做出備注說明，以便設(shè)計人在應(yīng)用該指標(biāo)時引起重視。

4 剪切速率的確定

剪切速率是影響土的抗剪強(qiáng)度的一個重要因素，它從兩方面影響土的抗剪強(qiáng)度：

一方面是剪切速率對孔隙水壓力的產(chǎn)生、傳遞與消散的影響，即影響試樣的排水固結(jié)強(qiáng)度。

另一方面是對粘滯阻力的影響，當(dāng)剪切速率較高、剪切歷時較短時，粘滯阻力增大，表現(xiàn)出較高的抗剪強(qiáng)度。反之，粘滯阻力減小，所得的抗剪強(qiáng)度降低。在常規(guī)試驗(yàn)中，粘滯阻力的影響通?？紤]較少。

快剪試驗(yàn)應(yīng)在剪切過程中盡量避免試樣的排水固結(jié)。對于高含水率、低密度的土或透水性大的土，即使再加快剪切速率也難免排水固結(jié)，所以對這類土宜用三軸儀測定其抗剪強(qiáng)度。

5 剪切試驗(yàn)破壞值的選定

土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線一般具有3種類型，見圖2。

圖2　剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

曲線1具有明顯峰值，則取峰值點(diǎn)a作為抗剪強(qiáng)度破壞值；曲線2有趨于穩(wěn)定值的b點(diǎn)；曲線3剪應(yīng)力隨剪切位移不斷增加，無峰值或無穩(wěn)定值。對于曲線2、曲線3取剪切位移為4 mm對應(yīng)的剪應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度值。對于曲線2取不取峰值影響不大，對于曲線3應(yīng)該會有一定的影響。對于曲線2、曲線3可根據(jù)曲線的回歸情況在剪切位移4～6 mm之內(nèi)取合適的值。另外曲線4是曲線1的一個特例，其有峰值點(diǎn)，但峰值點(diǎn)出現(xiàn)較晚而不是在剪切位移4 mm之前出現(xiàn)，宜取剪切位移 4～6 mm間的峰值作為抗剪強(qiáng)度值。

6 試樣的要求

一組直剪試驗(yàn)一般需要4個環(huán)刀試樣，對其結(jié)果進(jìn)行線性回歸取得抗剪強(qiáng)度。4個環(huán)刀試樣應(yīng)勻質(zhì)，線性回歸的相關(guān)性才緊密。

在工程實(shí)踐中，由于土質(zhì)不均，經(jīng)常會出現(xiàn)抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線上4個點(diǎn)的相關(guān)性不好，尤其是粉土常出現(xiàn)粘聚力為負(fù)的現(xiàn)象。若把試樣按照密度從大到小或從小到大順序排列進(jìn)行比較，對粘性土影響不大，但對砂性土和粉土有較大的差異。如陜北定邊某工程，試樣直剪試驗(yàn)結(jié)果見表1及圖3。

圖3　密度排列試驗(yàn)曲線

表1　不同密度序列下粉土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

從圖3及表1中可以看出粉土按密度排序不同，其試驗(yàn)結(jié)果存在一定的差異。按密度從大到小排列進(jìn)行剪切試驗(yàn)，可解決粘聚力為負(fù)的現(xiàn)象，但內(nèi)摩擦角相對小些。密度從小到大排列進(jìn)行剪切試驗(yàn)內(nèi)摩擦角相對大些，但粘聚力可能會出現(xiàn)負(fù)值。一個土樣受力相同，內(nèi)摩擦角和粘聚力應(yīng)是一個固定值。剪切試驗(yàn)關(guān)鍵的還是要控制密度、含水率。只要一組試樣四個環(huán)刀的密度、含水率控制在合理的范圍，做出的結(jié)果應(yīng)該是一致的。直剪試驗(yàn)適用的范圍為滲透系數(shù)小于10-6cm/s的土層，而粉土的滲透系數(shù)通常都大于10-6cm/s，因此粉土做直剪試驗(yàn)應(yīng)考慮這些因素。

試樣密度、含水率是影響抗剪強(qiáng)度的重要因素，制樣時應(yīng)盡可能保證試樣均質(zhì)，即4個試樣的含水率和密度保持一致。通常含水率變化不會很大，密度差異宜控制在0.03 g/cm3內(nèi)，這樣做出的試驗(yàn)結(jié)果比較合理。

7 不同狀態(tài)下土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對比

土在天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的直剪試驗(yàn)結(jié)果差別比較大。對于大多數(shù)粘性土，飽和狀態(tài)下的粘聚力和內(nèi)摩擦角與天然狀態(tài)下相比都會有所降低。詳見表2。

表2　粉質(zhì)粘土在天然狀態(tài)下與飽和狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度(快剪)指標(biāo)對比

對于粉土飽和狀態(tài)下粘聚力顯著降低，尤其是黃土狀粉土，飽和時粘聚力基本為零或?yàn)樨?fù)，粘聚力普遍減少10%～90%，而內(nèi)摩擦角有的降低有的增加，大部分內(nèi)摩擦角減少3%～30%，個別略有增加，見表3。有的黃土試樣甚至無法進(jìn)行試驗(yàn)，這也是黃土地區(qū)易出現(xiàn)滑坡的主要原因。所以黃土狀粉土進(jìn)行浸水剪切試驗(yàn)應(yīng)慎重考慮。

表3　粉土在天然狀態(tài)下與飽和狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度(快剪)指標(biāo)對比

8 成果數(shù)據(jù)解析與建議

抗剪強(qiáng)度不但與土體的顆粒組成、礦物成分、粘粒和可溶鹽含量等有關(guān)，還與含水率和密實(shí)程度相關(guān)。含水率越低，密實(shí)程度越高，則抗剪強(qiáng)度越大，主要體現(xiàn)在內(nèi)摩擦角上。例如山西河津某地區(qū)強(qiáng)夯土，內(nèi)摩擦角可高達(dá)400以上；陜北某地區(qū)粉土壓實(shí)系數(shù)0.93～0.95，含水率小于10%，干密度1.60 g/cm3左右，內(nèi)摩擦角基本在340左右。

抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是一個綜合指標(biāo)，不能片面的去套用某類土質(zhì)的指標(biāo)范圍，特別對堅硬或強(qiáng)夯土質(zhì)，更不能套用原先的經(jīng)驗(yàn)值來判斷指標(biāo)的正確與否。設(shè)計者在使用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)時不要片面的認(rèn)為某些指標(biāo)異常將其舍棄，而是應(yīng)與所取土樣的地貌單元以及地層結(jié)構(gòu)對應(yīng)起來使用該指標(biāo)，這樣更能反映土體的真實(shí)狀況。

參考文獻(xiàn)：

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Viewpoint of Direct Shear Test and its Applications

KOU Xiao-lan, QI Fang-yun
(Northwest Electric Power Design Institute, Xi'an 710032, China)

Abstract:This article discusses the selections of direct shear test methods to different soil qualities based on the theory of direct shear test, combining the experience of indoor direct shear test, from the methods of direct shear test to the influence factors on direct shear test and to the resolutions of experimental results data. It proposes that the selections of experiment methods should comprehensively take the factors, such as soil quality time length of construction and dewatering into consideration. It suggests that the soil layers under depth of 20 meters , powder soil and powder sand are unfit for regular direct shear test. Also suggests that the designers should not unilaterally consider some indexes abnormal and abandon them while using the shearing strength indexes, but should use the indexes together with geography unit and geologic strata structures of the sampled soil，it can better reflect the true condition of soil in thus way.

Key words:direct shear test; cohesive force; friction angle; loading sequence; shearing rate.

作者簡介：寇曉嵐(1972- )，女，陜西蒲城人，高級工程師，從事土工試驗(yàn)、水質(zhì)分析工作。

* 收稿日期：2015-04-22

中圖分類號：TU4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-9913(2015)06-0017-05