直剪實(shí)驗(yàn)可靠性因素分析

胡健，王芳

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 湖州 313000）

直剪實(shí)驗(yàn)可靠性因素分析

胡健，王芳

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 湖州 313000）

從土體抗剪切強(qiáng)度的本質(zhì)著手，介紹了直接剪切實(shí)驗(yàn)的原理、操作方法以及實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題，詳細(xì)闡明了實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵要點(diǎn)，分別從內(nèi)在的系統(tǒng)誤差和外在的偶然誤差兩個(gè)方面分析了誤差的來(lái)源，并重點(diǎn)針對(duì)實(shí)驗(yàn)偶然誤差提出了改進(jìn)方法，以期對(duì)土工直剪實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)度有更好的提高。

抗剪強(qiáng)度；直剪實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)偶然誤差；精準(zhǔn)度

1 概述

土體區(qū)別于一般的建筑材料，它是一種碎散的三相堆積物，土體的性質(zhì)由于自然界風(fēng)化作用的不確定性造就了其性質(zhì)上的各向異性及沿深度的不均勻性。建筑物建造過(guò)程中，土體直接承受的建筑物基礎(chǔ)傳遞過(guò)來(lái)的基底壓力，理論及經(jīng)驗(yàn)均表明，土體的破壞是一種顆粒與顆粒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的滑移破壞，因此土體的強(qiáng)度實(shí)質(zhì)上它的抗剪強(qiáng)度。

目前工程上測(cè)定土體的抗剪強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)方法有室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)方法，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法包括三軸實(shí)驗(yàn)、直剪實(shí)驗(yàn)、無(wú)側(cè)限壓縮實(shí)驗(yàn)以及其他室內(nèi)試驗(yàn)方法。由于直剪實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)（圖1）設(shè)備簡(jiǎn)單、易于操作，目前在我國(guó)工程界應(yīng)用最廣。

圖1 應(yīng)變控制式直剪儀

土的抗剪強(qiáng)度是土在外力作用下，其一部分土體對(duì)于另一部分土體滑動(dòng)時(shí)所具有的抵抗剪切的極限強(qiáng)度。直接剪切實(shí)驗(yàn)是將同一種土制作的幾個(gè)試樣分別在不同的垂直壓力作用下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力，得到破壞時(shí)的剪應(yīng)力，然后根據(jù)庫(kù)侖定律，確定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：內(nèi)摩擦角和凝聚力，這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)計(jì)算地基承載力、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、邊坡穩(wěn)定性分析等應(yīng)用中都必不可少。

2 剪切實(shí)驗(yàn)原理及操作

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

土的破壞都是剪切破壞，土的抗剪強(qiáng)度是土在外力作用下，其一部分土體對(duì)于另一部分土體滑動(dòng)時(shí)所具有的抵抗剪切的極限強(qiáng)度。土體的一部分對(duì)于另一部分發(fā)生位移至極限平衡狀態(tài)時(shí)，便認(rèn)為該點(diǎn)發(fā)生了剪切破壞。無(wú)粘性土的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力成正比；粘性土的抗剪強(qiáng)度除和法向應(yīng)力有關(guān)外，還決定于土的粘聚力。土的摩擦角φ、粘聚力c是土壓力、地基承載力和土坡穩(wěn)定等強(qiáng)度計(jì)算必不可少的指標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)用到的儀器主要有應(yīng)變控制式直剪儀百分表、天平、環(huán)刀、秒表、飽和器、透水石、削土刀等。

2.2 實(shí)驗(yàn)操作

第一步是取樣。按要求的干密度，稱(chēng)出一個(gè)環(huán)刀體積所需的風(fēng)干試樣。實(shí)驗(yàn)采用的是擾動(dòng)土試樣。制備4份試樣，在4種不同豎向壓力下進(jìn)行剪切試驗(yàn)。

第二步是儀器調(diào)試及試樣安裝。

儀器調(diào)試目的主要是調(diào)整杠桿水平、使儀器各部分接觸良好、使百分表和量力環(huán)接觸良好。試樣安裝的操作如下。對(duì)準(zhǔn)上、下剪切盒并插入固定銷(xiāo)釘。在下盒內(nèi)放入透水石一塊，其上放不透水蠟紙一張。將切取土樣的環(huán)刀刀口向上對(duì)準(zhǔn)上剪切盒口，在土樣上面放上蠟紙一張，用推土器堆入剪切盒中，移去環(huán)刀，并在蠟紙上放塊透水石，然后依次加上傳壓蓋板，鋼珠及加壓框架。

第三步是施加荷載。每組試驗(yàn)不少于4個(gè)試樣，分別在不同的垂直壓力下剪切。施加完每一級(jí)垂直壓力后，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行水平剪切荷載的施加，根據(jù)工程實(shí)際條件可選用快剪、固結(jié)快剪和慢剪這三種實(shí)驗(yàn)方法。水平剪切操作的關(guān)鍵如下：首先轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使上盒前端鋼鉸與量力環(huán)接觸，調(diào)整百分表計(jì)數(shù)為零；其次撥出固定銷(xiāo)釘、開(kāi)動(dòng)秒表，按照規(guī)范按照不用的實(shí)驗(yàn)方法選用不同的剪切速度，使試樣在一定的時(shí)間內(nèi)剪切破壞，或者沒(méi)有發(fā)生剪切破壞剪切位移達(dá)到4mm也可以認(rèn)為破壞，剪切過(guò)程中手輪應(yīng)當(dāng)勻速度轉(zhuǎn)動(dòng)并使杠桿水平。

第四步是數(shù)據(jù)后處理。首先根據(jù)百分表讀數(shù)計(jì)算剪切位移和剪應(yīng)力，從而繪制出剪切應(yīng)力和剪切位移的關(guān)系曲線（圖2），并經(jīng)曲線得出土體在一定垂直壓力下的抗剪切強(qiáng)度，最后可以得出抗剪強(qiáng)度和垂直壓力的關(guān)系曲線（圖3），并由曲線可以計(jì)算出土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

由表3～4可知：垂向動(dòng)態(tài)相對(duì)位移隨著車(chē)輛運(yùn)行速度的增加而增大；曲線軌道工況下，線路扭曲引起電機(jī)與車(chē)軸間存在側(cè)滾偏角，此角度在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與車(chē)軸間附加了一定的垂向位移，故相同速度等級(jí)下，曲線軌道工況的動(dòng)態(tài)相對(duì)位移值較大。上述各工況下3 σ最大值為11.7 mm。

圖2 剪應(yīng)力和剪切位移關(guān)系曲線

圖3 抗剪強(qiáng)度和垂直壓力關(guān)系曲線

3 實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題

土體的直接剪切實(shí)驗(yàn)由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，已經(jīng)在建筑工程中廣泛應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)有其本身的客觀不足導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差，也有外界主觀導(dǎo)致的偶然誤差。其中系統(tǒng)誤差是無(wú)法避免的，除非對(duì)儀器的原理進(jìn)行改進(jìn)；而偶然誤差采取一定的方法是可以得到控制的，以下分別從這兩個(gè)方面進(jìn)行探討。

3.1 系統(tǒng)誤差

3.1.1 人為固定破壞面

由土體的剪切實(shí)驗(yàn)可知，土體的剪切其實(shí)是剪切土體試樣中的水平面，但是土體的剪切破壞面或者說(shuō)最薄弱面不一定是水平的，實(shí)驗(yàn)人為的限制剪切面得到的剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)可能不一定能反應(yīng)土體的準(zhǔn)確情況，但是由于固定剪切面會(huì)使得實(shí)驗(yàn)操作起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)便，且所得的數(shù)據(jù)的誤差也在允許的范圍以?xún)?nèi)，因此目前仍然為工程界普遍接受。

3.1.2 排水條件不明確

直剪實(shí)驗(yàn)方法不能?chē)?yán)格控制試樣的排水，不能量測(cè)剪切過(guò)程中試樣內(nèi)孔隙水壓力的變化，只能根據(jù)剪切速率大致實(shí)際工程中土體的排水條件。

3.1.3 應(yīng)力和應(yīng)變分布不均

在剪切實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，隨著剪切位移的不斷增加剪切面積逐漸減小。在實(shí)驗(yàn)資料的分析中，假定試樣中的剪應(yīng)力分布均勻，而這與實(shí)際情況并不吻合。當(dāng)試樣被剪壞時(shí)，靠近剪切盒邊緣的應(yīng)變最大，而試樣豎向中軸部分的應(yīng)變相對(duì)要小很多，剪切面附近的應(yīng)變大于試樣頂部和底部的應(yīng)變。因此，在剪切過(guò)程中，特別是剪切破壞時(shí)，試樣內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變，既不均勻又難確定。

偶然誤差的來(lái)源主要有土體結(jié)構(gòu)的失真性，試樣密度、含水率的代表性，直剪儀操作的規(guī)范性以及認(rèn)為讀數(shù)的偶然性，下面分別對(duì)其進(jìn)行探討。

3.2.1 土體結(jié)構(gòu)的影響

土體的結(jié)構(gòu)直接影響著土體的受力狀態(tài)，原味的土體受力狀態(tài)是位于地層以下時(shí)的狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)，不可避免的會(huì)對(duì)土體進(jìn)行擾動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)勘探人員取土不規(guī)范、土樣的放置、運(yùn)輸?shù)炔坏卯?dāng)均會(huì)對(duì)土體的結(jié)構(gòu)擾動(dòng)很大，因此，進(jìn)行直剪實(shí)驗(yàn)的土體在取樣、運(yùn)輸、放置過(guò)程中如果采取一定的保護(hù)措施，那么土體的擾動(dòng)會(huì)更加接近土體的原始狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)會(huì)更加可靠。

3.2.2 密度、含水量的影響

試樣的密度和含水量會(huì)直接影響土體的抗剪強(qiáng)度，因此，實(shí)驗(yàn)要求所采取的四個(gè)試樣的密度和含水量數(shù)值不能有太大差距，超出范圍的試樣不宜采用，因?yàn)榈贸龅臄?shù)據(jù)不準(zhǔn)確也不能應(yīng)用。

直剪儀是測(cè)定土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的核心部件，因此，操作人員在操作時(shí)必須有一套規(guī)范，否則做出的數(shù)據(jù)可能差別較大，比如剪切前沒(méi)有施加一定剪切力沒(méi)有使儀器各部分緊密接觸，剪切的時(shí)候剛開(kāi)始發(fā)生的讀數(shù)就不是剪切土體；再比如剪切前百分表讀數(shù)沒(méi)有歸零，讀出的數(shù)據(jù)也不能如實(shí)反映土體剪切的全部過(guò)程。還有其他一些要求是操作中一定要做到的，比如轉(zhuǎn)動(dòng)手輪的時(shí)候一定要?jiǎng)蛩俣鹊募虞d，杠桿一定要調(diào)平等等。由此可知，實(shí)驗(yàn)操作人員水平的不同，會(huì)直接影響數(shù)據(jù)的可靠性。

3.2.4 讀數(shù)的影響

直剪實(shí)驗(yàn)是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，不同于密度、含水率實(shí)驗(yàn)的是剪切實(shí)驗(yàn)的讀數(shù)有很大的不確定性，不同的操作人員可能把握的標(biāo)準(zhǔn)也不一定完全一樣，規(guī)范的要求是剪切至土體破壞，或者土體沒(méi)有發(fā)生破壞的情況下需要剪切到6mm并取剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線上位移為4mm時(shí)的強(qiáng)度為土體的抗剪強(qiáng)度。關(guān)鍵在于土體是否破壞的判定，不同的實(shí)驗(yàn)操作人員可能把握的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有區(qū)別。

4 小結(jié)

直剪實(shí)驗(yàn)用來(lái)測(cè)定土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，具有一定的工程價(jià)值。實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差只能通過(guò)改進(jìn)儀器來(lái)達(dá)到，而實(shí)驗(yàn)的偶然誤差可以采取一定措施進(jìn)行有效控制，歸納起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)。

①為確保土體結(jié)構(gòu)的完整性不被破壞，土樣的選取、運(yùn)輸、放置以及操作工程中應(yīng)當(dāng)盡量保證試樣的完整性，減小對(duì)試樣的擾動(dòng)。

②剪切前需要轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使儀器各部分接觸良好，保證杠桿水平同時(shí)使百分表初始讀數(shù)歸零。

③剪切試樣過(guò)程中，拔掉銷(xiāo)釘?shù)臉O易疏忽，而這可能導(dǎo)致儀器嚴(yán)重?fù)p壞。

④轉(zhuǎn)動(dòng)手輪的過(guò)程中需要控制加載速率的均勻性，避免時(shí)快時(shí)慢或者停頓的時(shí)間，以避免剪切程度的不同而引起的實(shí)驗(yàn)誤差。

⑤為減小讀數(shù)誤差，應(yīng)采用多次測(cè)量求平均值的方法并逐步積累經(jīng)驗(yàn)。

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TU432

A

1007-7359（2016）06-0173-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.067

胡?。?986-），男，江西九江人，畢業(yè)于東南大學(xué)土木工程學(xué)院，碩士；助教，主要從事地基基礎(chǔ)的教學(xué)與研究工作。