淺談土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

摘要：土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是通過(guò)土工試驗(yàn)測(cè)得的，目前室內(nèi)試驗(yàn)常用的方法是直接剪切試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)，野外試驗(yàn)常用的方法是十字板剪切試驗(yàn)和大型直剪試驗(yàn)。文章分析了目前在室內(nèi)測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法原理及它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了在野外測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法，并梳理了抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)的一般規(guī)律。

關(guān)鍵詞：土；抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；土工試驗(yàn)；室內(nèi)試驗(yàn)；野外試驗(yàn) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU459 文章編號(hào)：1009-2374（2015）08- DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.

巖土工程中土體的破壞主要是剪切破壞，研究土的強(qiáng)度主要就是研究土的抗剪強(qiáng)度，土的抗剪強(qiáng)度是指土抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度，它在很大程度上決定了土的承載力，在建筑物地基設(shè)計(jì)之前必須測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ），并據(jù)此計(jì)算地基的承載力和評(píng)價(jià)地基的穩(wěn)定性。土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是通過(guò)土工試驗(yàn)測(cè)得的，目前室內(nèi)試驗(yàn)常用的方法是直接剪切試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)，野外試驗(yàn)常用的方法是十字板剪切試驗(yàn)和大型直剪試驗(yàn)。下面就這幾種試驗(yàn)方法進(jìn)行較全面的分析和梳理。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 直接剪切試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)是最早最簡(jiǎn)單目前使用最多的測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法。直剪試驗(yàn)儀有應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種，一般用應(yīng)變控制式，因?yàn)樗茌^準(zhǔn)確地測(cè)定剪應(yīng)力峰值且操作簡(jiǎn)便。直剪試驗(yàn)一般用于測(cè)定細(xì)粒土的c和φ及粒徑小于2mm砂土的φ，通常每組取4個(gè)試樣，在4種不同垂直壓力（一般在100～400kPa）下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，測(cè)得剪應(yīng)力與位移關(guān)系曲線，取曲線上的峰值剪應(yīng)力（若無(wú)峰值取剪切位移達(dá)4mm時(shí)的強(qiáng)度值）作為該垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度，通過(guò)幾個(gè)試樣的抗剪強(qiáng)度確定強(qiáng)度包線求出c和φ。直剪試驗(yàn)具有儀器簡(jiǎn)單、試樣的制備和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)；但儀器構(gòu)造決定了試樣不是沿土樣中最薄弱的面破壞、剪切面上的剪應(yīng)力分布不均勻、排水條件不能有效控制等，這些缺點(diǎn)使測(cè)得的指標(biāo)不夠理想，所以直剪試驗(yàn)多用于二三類普通工程。直剪試驗(yàn)根據(jù)固結(jié)、排水和剪切速率等情況的不同又可分為以下5種不同的試驗(yàn)方法：

1.1.1 快剪試驗(yàn)：適用于滲透系數(shù)小于10-6cm/s的細(xì)粒土，是在試樣施加垂直壓力后立即快速剪切，一般用0.8mm/min的速度在3～5分鐘內(nèi)剪損，目的是在剪切過(guò)程中盡量避免排水，使試驗(yàn)前后的含水率接近。當(dāng)?shù)鼗镣杆暂^差排水不良時(shí)可用這種方法，但是測(cè)出的結(jié)果往往離散性較大。

1.1.2 固結(jié)快剪試驗(yàn)：是在試樣上施加垂直壓力待排水固結(jié)穩(wěn)定后，再快速施加水平剪切力進(jìn)行剪切，剪切過(guò)程跟快剪一樣避免排水。剪切速率的快和慢實(shí)際上是為了控制試樣的排水條件，但對(duì)滲透性大的土類在快剪中還是要排水，所以這種方法也只適用滲透系數(shù)小于10-6cm/s的土，固結(jié)快剪比快剪測(cè)得的結(jié)果

穩(wěn)定。

1.1.3 慢剪試驗(yàn)：是在試樣上施加垂直壓力待排水固結(jié)穩(wěn)定后，再以小于0.02mm/min的速度使試樣在充分排水的條件下進(jìn)行剪切。當(dāng)?shù)鼗僚潘畻l件較好，地基容易在短時(shí)間內(nèi)固結(jié)，且在施工期和工程使用期有充分時(shí)間允許排水固結(jié)時(shí)，可采用慢剪試驗(yàn)。

1.1.4 砂類土的直剪試驗(yàn)：由于砂土的透水性強(qiáng)，排水快，所以濕潤(rùn)狀態(tài)與干燥狀態(tài)的強(qiáng)度變化不大，可采用較快的剪切速率，它的受剪過(guò)程大多相當(dāng)于固結(jié)排水剪情況。

1.1.5 排水反復(fù)直剪試驗(yàn)：是在試樣上施加垂直壓力待排水固結(jié)穩(wěn)定后，再對(duì)試樣在最大剪切位移下充分排水反復(fù)慢剪至剪應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定值，以測(cè)定土的殘余抗剪強(qiáng)度。擾動(dòng)試樣和原狀試樣的殘余強(qiáng)度通常相接近，同一種土在同一有效壓力作用下，其殘余強(qiáng)度相同，所以當(dāng)無(wú)法取得原狀土?xí)r可取擾動(dòng)土進(jìn)行試驗(yàn)。此方法適用于超固結(jié)粘性土及軟弱巖石夾層的粘性土，反復(fù)直剪簡(jiǎn)單易行，對(duì)多數(shù)土均能測(cè)得較好的成果，因此應(yīng)用較廣。

1.2 三軸壓縮試驗(yàn)

三軸試驗(yàn)適用于測(cè)定粘性土和砂土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，應(yīng)變控制式三軸壓縮儀是目前測(cè)定抗剪強(qiáng)度較為完善的儀器，試驗(yàn)時(shí)通常每組制備3個(gè)高徑比為2～2.5的圓柱形試樣，分別在不同的恒定周圍壓力下施加軸向壓力進(jìn)行剪切直至破壞，取應(yīng)力應(yīng)變曲線上的峰值應(yīng)力（無(wú)峰值時(shí)取縱向應(yīng)變15%時(shí)的應(yīng)力）作為抗剪強(qiáng)度。三軸試驗(yàn)較直剪試驗(yàn)完善，其優(yōu)點(diǎn)是能嚴(yán)格控制排水條件，土的受力狀態(tài)和孔隙水的影響比直剪試驗(yàn)更能接近實(shí)際情況，破壞面是最弱面，試驗(yàn)結(jié)果更可靠。缺點(diǎn)是儀器構(gòu)造復(fù)雜、試樣制備和操作比較麻煩等，因此多用于甲級(jí)建筑物等重大工程。三軸試驗(yàn)根據(jù)固結(jié)和排水條件等情況的不同，又可分以下5種不同的試驗(yàn)方法：

1.2.1 不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)：是在施加周圍壓力和軸向壓力直至破壞過(guò)程中都不允許試樣排水固結(jié)，試驗(yàn)過(guò)程由始至終關(guān)閉排水閥門(mén)，土樣在剪切破壞過(guò)程中不能將孔隙水排出。

1.2.2 固結(jié)不排水剪試驗(yàn)：是先對(duì)土樣施加周圍壓力，然后打開(kāi)排水閥門(mén)，讓土樣中的水排入量水管中直到排水終止土樣完全固結(jié)，然后關(guān)閉排水閥門(mén)施加軸向壓力，使土樣在不排水條件下剪切破壞。

1.2.3 固結(jié)排水剪試驗(yàn)：是試樣先在周圍壓力作用下排水固結(jié)，然后在允許試樣充分排水的情況下增加軸向壓力直至破壞，這種試驗(yàn)方法的特點(diǎn)是，在全部試驗(yàn)過(guò)程中一直打開(kāi)排水閥門(mén)，讓土樣在固結(jié)和剪切過(guò)程中都充分排水，使土樣中不產(chǎn)生孔隙水壓力。

1.2.4 無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)：它是三軸壓縮試驗(yàn)的特例，是三軸壓縮試驗(yàn)中周圍壓力為0時(shí)測(cè)得的抗壓強(qiáng)度，本試驗(yàn)適用于測(cè)定飽和軟粘土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及靈敏度，也可用來(lái)推求飽和粘土的不固結(jié)不排水剪

強(qiáng)度。

2 野外試驗(yàn)

2.1 十字板剪切試驗(yàn)

十字板剪切試驗(yàn)是在工地現(xiàn)場(chǎng)用十字板剪切儀直接測(cè)試地基土抗剪強(qiáng)度的一種原位測(cè)試方法，它的優(yōu)點(diǎn)是不需鉆取原狀土樣，對(duì)土的結(jié)構(gòu)擾動(dòng)性較小，適用于在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定飽和粘性土的原位不排水強(qiáng)度，特別適用于均勻的飽和軟粘土。

2.2 大型直剪試驗(yàn)

對(duì)于無(wú)法取得原狀土樣的土類，可采用現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)，它適用于測(cè)定邊坡和滑坡的巖體軟弱結(jié)合面、巖石和土的接觸面、滑動(dòng)面和土的混合層及其他粗顆粒土層的抗剪強(qiáng)度，由于大型直剪試驗(yàn)土樣的剪切面面積較室內(nèi)大得多，又在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，因此它更符合實(shí)際

情況。

3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的一般規(guī)律

第一，同樣的土在不同方法的直剪試驗(yàn)中，測(cè)得的c值相差較?。旒袈源螅袈孕。?，而φ值相差較大（快剪﹤固結(jié)快剪﹤慢剪）。

第二，同樣的土在不同方法的三軸試驗(yàn)中，測(cè)得的c值的規(guī)律是：不固結(jié)不排水剪>固結(jié)不排水剪>固結(jié)排水剪=0；φ值的規(guī)律是：不固結(jié)不排水剪﹤固結(jié)不排水剪﹤固結(jié)排水剪。

第三，粗粒土的c值=0，抗剪強(qiáng)度由φ值決定，而φ值與組成土的礦物質(zhì)和土的密度有關(guān)；松散狀態(tài)砂土的φ值≈天然休止角，同種砂土在相同的e0下飽和時(shí)的φ比干燥時(shí)稍小（一般小2°左右）。

第四，細(xì)粒土的抗剪強(qiáng)度由c和φ組成，以c為主；細(xì)粒土粘性越強(qiáng)，c越大，φ越小；密度越大，c和φ越大；含水率越高，c和φ越小。

第五，飽和軟粘土φ=0，cu≈無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的1/2≈十字板剪切試驗(yàn)測(cè)出的強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，土的抗剪強(qiáng)度不僅與土本身的類型、密實(shí)度及含水率等內(nèi)在因素有關(guān)，還與土受剪切時(shí)的固結(jié)情況、排水條件等外界因素有關(guān)。在實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)各類建筑工程的具體情況，選擇相應(yīng)的儀器與方法進(jìn)行試驗(yàn)，才能保證為工程設(shè)計(jì)提供可靠的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

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作者簡(jiǎn)介：馬玉華（1969-），女，重慶人，供職于重慶一三六地質(zhì)隊(duì)，研究方向：巖土測(cè)試。

（責(zé)任編輯：蔣建華）