直接剪切試驗在實際工作中的應(yīng)用

何 麗 紅

(山西冶金巖土工程勘察總公司，山西 太原 030002)

直接剪切試驗在實際工作中的應(yīng)用

何 麗 紅

(山西冶金巖土工程勘察總公司，山西 太原 030002)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外高層建筑以及一些大型工程的興建和近幾年來多次強烈地震的發(fā)生，土力學(xué)理論和地基基礎(chǔ)技術(shù)日益得到重視。主要就巖土工程勘察土工試驗中的直接剪切試驗從選擇方法和試驗中應(yīng)注意的事項上做一闡述。

地基基礎(chǔ)，直接剪切，抗剪強度

1 地基基礎(chǔ)中抗剪強度的重要性

各類建筑的基礎(chǔ)設(shè)計中，為保證建筑物的安全，必須同時滿足兩個技術(shù)條件:地基變形條件和地基強度條件。地基沉降量、沉降差、傾斜、局部傾斜等都不超過地基條件變形值；保證地基穩(wěn)定性，不發(fā)生剪切或滑動破壞。對土的強度問題不注意，可能產(chǎn)生地基失穩(wěn)的事故，其后果嚴(yán)重，往往是災(zāi)難性的破壞，很難挽救。土的強度問題用于地基承載力與地基穩(wěn)定性、土坡的穩(wěn)定性以及擋土墻及地下結(jié)構(gòu)上的土壓力。當(dāng)?shù)鼗艿酵獠亢奢d的作用后，土中各點產(chǎn)生法向應(yīng)力和剪應(yīng)力。若剪應(yīng)力達(dá)到該點的抗剪強度，則土沿著剪應(yīng)力的作用方向產(chǎn)生相對滑動，如果到達(dá)強度破壞的點隨著外荷增大而越來越多，最后形成一個連續(xù)的滑動面，整個地基失去穩(wěn)定而發(fā)生破壞，這就是土的抗剪強度問題。所以在巖土工程中，土的抗剪強度問題是必須加以考慮的重中之重。

2 實驗室中土的抗剪強度的測定方法

在實驗室中，測定土的抗剪強度一般常見的儀器有直接剪切儀、無側(cè)限壓縮儀、三軸剪切儀等。實驗室直接剪切試驗，根據(jù)實際地質(zhì)情況和土孔隙水壓力消散程度常采用三種不同方法：在施加垂直荷重后，讓孔隙水壓力消散，再施加水平剪力，每級剪力施加后，都充分排水，使土樣在應(yīng)力變化過程中始終處于孔隙水壓力為零的完全固結(jié)狀態(tài)，一直到土樣剪損，這種方法稱作排水剪也叫慢剪，所測得的抗剪強度最大；與排水剪相反，當(dāng)施加垂直荷重后立即施加水平剪力，在3 min～5 min內(nèi)把土樣剪壞。在整個試驗過程中，不讓土中孔隙水排出，保持土的含水量不變，試樣中存在孔隙水壓力，有效應(yīng)力減小，這種試驗方法稱作不排水剪即為快剪，所測得的抗剪強度最小；以上兩種方法的組合，在施加垂直荷重后，讓孔隙水壓力完全消散，也就是固結(jié)穩(wěn)定后再施加水平剪力，在3 min～5 min內(nèi)把土樣剪損，這種試驗方法稱為固結(jié)不排水剪也叫作固結(jié)快剪，所測得的抗剪數(shù)值介于快剪和慢剪試驗方法之間。

3 抗剪強度試驗方法在實際工作中的應(yīng)用

不同的排水狀態(tài)所測得的c，φ值差別很大，為了使試驗時的排水狀態(tài)盡量與工程實際一致，故應(yīng)對不同的土質(zhì)采用不同的試驗方法。直剪試驗中快剪試驗得到的抗剪強度最小,用這種方法測得的c，φ值在計算地基穩(wěn)定性上相對安全，被普遍采用。雖然直剪試驗在測定抗剪強度上有明顯缺點，受力復(fù)雜、排水情況不容易控制等，但是所用儀器和操作都比較簡單，測得的c，φ值評定穩(wěn)定性上又比較安全，且有長期以來試驗的實踐經(jīng)驗，所以現(xiàn)在一般的實驗室仍在廣泛使用。

對飽和的軟粘性土，φ≈0，規(guī)范規(guī)定應(yīng)采用三軸試驗儀做無側(cè)限抗壓強度試驗，但對取土試樣的質(zhì)量有嚴(yán)格規(guī)定，應(yīng)為一級土試樣。然而在實際工作中，送樣單位并不十分了解土樣的狀態(tài)，應(yīng)該采用何種試驗方法較為合適，多數(shù)都要求對試樣做簡單快捷的直接剪切試驗，并為了實驗結(jié)果偏于安全，要求采用快剪試驗。這時候?qū)@種土樣如何測得既符合理論又符合實際的數(shù)值，就需要試驗人員不但具備豐富的理論知識，對土樣的土質(zhì)有很高的分析能力，并且要有深厚的實踐經(jīng)驗的功底，而且須具備較高的職業(yè)操守，把一個并不十分合乎試驗要求、但在實際工作中常碰到的狀況，運用不十分準(zhǔn)確的試驗方法，提交一個切合理論切合實際的試驗數(shù)據(jù)，這是一個高標(biāo)準(zhǔn)的試驗人員都應(yīng)具備的能力。

下文以這種滲透系數(shù)小于10-6cm/s的飽和粘性土為例較詳細(xì)的闡述采用快剪的試驗方法及其注意事項。

3.1試驗步驟

1)試樣制備采用內(nèi)徑61.8 mm、高20 mm的不銹鋼環(huán)刀，在內(nèi)壁涂一層薄凡士林，刃口向下放在土樣上，將環(huán)刀垂直下壓，壓至土樣高出環(huán)刀，因土樣較軟，采用鋼絲鋸整平環(huán)刀兩端，制備一組試樣，選取質(zhì)量最為接近的四個試樣放于玻璃板上，上部再覆蓋一玻璃板，防止土樣水分流失，保持原有含水率，且防止試樣之間相互粘連。

2)對準(zhǔn)剪切儀器的上下盒，插入固定銷，在下盒內(nèi)放置接近土樣濕度的透水板和硬塑料薄膜，將帶有試樣的環(huán)刀刃口向上，對準(zhǔn)剪切盒口，在試樣上放置塑料薄膜和透水板,將試樣小心地推入剪切盒內(nèi)。四個試樣分別放置于將施加不同壓力的剪切盒內(nèi)。

3)常規(guī)剪切試驗中，普遍采用100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa的施壓荷序，但因本樣品含水率大，滲透系數(shù)小于 10-6cm/s的細(xì)粒土，土粒之間咬合力小，水分在土粒表面形成潤滑劑，施加垂直壓力后，未等施加水平剪力，樣品極有可能從剪切盒的縫隙中擠出，試驗失敗，所以根據(jù)含水率情況可以把荷序設(shè)置為50 kPa，100 kPa，150 kPa，200 kPa，甚或更小的荷序25 kPa，50 kPa，75 kPa，100 kPa。然后拔出固定銷，立即以0.8 mm/min的剪切速度測記位移讀數(shù)，直至測力計讀數(shù)出現(xiàn)峰值，再繼續(xù)剪切至剪切位移為4 mm時停機，記下破壞值。當(dāng)剪切過程中測力計讀數(shù)無峰值時，應(yīng)剪切位移至6 mm時停機。試樣應(yīng)在3 min～5 min內(nèi)剪損。

4)以抗剪強度為縱坐標(biāo)，垂直壓力為橫坐標(biāo)，繪制抗剪強度與垂直壓力關(guān)系曲線，直線的傾角為內(nèi)摩擦角φ，直線在縱坐標(biāo)上的截距為粘聚力c。

3.2試驗應(yīng)注意的事項

1)本試驗中，試樣制備時，選取質(zhì)量最為接近的試樣必須不得少于四個，并且盡可能選取土質(zhì)變化不大土質(zhì)均勻的樣品，所剪切的數(shù)值才能相對準(zhǔn)確。送檢的雙樣有時土質(zhì)性質(zhì)相差較遠(yuǎn)，在選擇直剪試驗的試樣時，盡可能與做常規(guī)試驗的試樣一致，以達(dá)到試驗數(shù)據(jù)與常規(guī)試驗數(shù)值相匹配。

2)由于本文介紹的是含水率大的粘性土的剪切試驗，在荷序選擇上盡可能采用小的荷序組合，才不至于把土樣擠出。荷序不同但剪切數(shù)值不受影響。

3)特別值得注意的是，在施加垂直壓力時，砝碼要分級施加，并且在施加砝碼時切記輕放，不得對樣品產(chǎn)生沖擊力，減少從壓力上產(chǎn)生的誤差。

4)直剪試驗必須控制以0.8 mm/min的剪切速度測記位移讀數(shù)，在3 min～5 min內(nèi)把試樣剪損，剪切速率影響孔隙水壓力。

5)認(rèn)真查看抗剪強度與垂直壓力關(guān)系曲線，分析坐標(biāo)點的真實性，可刪除一個異常點，得到一條滿意的關(guān)系曲線，從而查得更為準(zhǔn)確的c，φ值。

必須要強調(diào)的是直剪試驗不可避免的缺點：試驗中不能嚴(yán)格控制排水條件，無法量測孔隙水壓力；剪切面固定在上下盒之間，這個面不一定就是土的薄弱面；試驗中應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜。因此，重大工程和科學(xué)研究必須進(jìn)行三軸剪切試驗，得到更為合理的數(shù)據(jù)，以確保工程質(zhì)量和研究成果。

4 結(jié)語

選擇合理的試驗方法，對試驗每一步驟的掌控，試驗人員都有自己的不同理解。實際工作中長時間的實踐積累，加之對理論知識的深入研究，對每一工程項目提交一份合格的土工試驗成果報告，必將是一個高標(biāo)準(zhǔn)的試驗人員應(yīng)具備的必要素質(zhì)。

[1] 《工程地質(zhì)手冊》編委會.工程地質(zhì)手冊[M].第4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2] 陳希哲.土力學(xué)地基基礎(chǔ)[M].第2版.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[3] 張 力，孟春玲，張 媛.工程力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

Theapplicationofdirectsheartestinpracticalwork

HeLihong

(ShanxiMetallurgicalGeotechnicalEngineeringInvestigationHeadOffice,Taiyuan030002,China)

With the development of science and technology, high-rise buildings, and some large engineering construction at home and abroad and the strong earthquake occurred many times in recent years, theory of soil mechanics and foundation technology is becoming more and more attention. In this paper, the direct shear test of geotechnical engineering survey is discussed in this paper.

foundation, direct shear， the shear strength

1009-6825(2017)30-0070-02

2017-08-15

何麗紅(1968- )，女，工程師

TU470

A