直剪試驗(yàn)常見問題簡(jiǎn)析

(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710018)

直剪試驗(yàn)常見問題簡(jiǎn)析

陳韌鳴

(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710018)

直剪試驗(yàn)是目前土工試驗(yàn)方法中操作簡(jiǎn)單、使用方便的常規(guī)試驗(yàn)方法，被廣泛應(yīng)用于工程勘察實(shí)踐中，無論是水工、建筑、堤壩、岸坡、擋土墻和高層建筑物能夠承受一定的荷重，這都與土的抗剪強(qiáng)度有密切的關(guān)系。如何做到既經(jīng)濟(jì)合理，又能確保建筑物的安全穩(wěn)定已成為工程技術(shù)人員普遍關(guān)注的課題。本文簡(jiǎn)要介紹了直剪試驗(yàn)的分類、試驗(yàn)過程的影響因素、存在問題，通過探討旨在減少試驗(yàn)誤差，提高試驗(yàn)成果的準(zhǔn)確性，使試驗(yàn)結(jié)果更具有代表性。

抗剪強(qiáng)度 經(jīng)濟(jì)合理 準(zhǔn)確性

0 前言

當(dāng)前城市建設(shè)中高層、超高層建筑物日益增多，建筑物的安全穩(wěn)定已顯得尤為重要。水工、建筑、堤壩、岸坡、擋土墻和高層建筑物能夠承受一定的荷重，都與土的抗剪強(qiáng)度有密切關(guān)系。土的抗剪強(qiáng)度是土的重要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)之一，指土體抵抗剪切破壞的極限能力，數(shù)值上等于土體發(fā)生剪切破壞時(shí)的切應(yīng)力，土體的破壞，其本質(zhì)是剪切破壞[1]。

通過試驗(yàn)測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度偏高會(huì)對(duì)工程安全性造成嚴(yán)重的影響，甚至危害到建筑物的安全?？辜魪?qiáng)度測(cè)定偏低會(huì)造成地基處理的復(fù)雜化，并會(huì)造成整個(gè)工程造價(jià)的提高。

因此如何做到既經(jīng)濟(jì)合理、又保證建筑物的安全穩(wěn)定性已成為工程技術(shù)人員普遍關(guān)注的課題。通過室內(nèi)試驗(yàn)快速、準(zhǔn)確地測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，用于評(píng)價(jià)建筑物的安全穩(wěn)定性已成為土工試驗(yàn)人員的重要任務(wù)，而直剪試驗(yàn)是目前諸多土工試驗(yàn)方法中操作簡(jiǎn)單、使用方便的常規(guī)試驗(yàn)方法之一，廣泛應(yīng)用于工程勘察實(shí)踐中。

1 直剪試驗(yàn)分類

按剪切前土的固結(jié)程度、剪切時(shí)排水條件以及剪切速率快慢，把直剪試驗(yàn)分為快剪、固結(jié)快剪、慢剪。

快剪（不排水剪）：試樣在垂直壓力施加后立即進(jìn)行快速剪切，試驗(yàn)全過程都不允許有排水現(xiàn)象產(chǎn)生。這時(shí)垂直壓力大部分由孔隙水來承擔(dān)。適用于施工進(jìn)度快、排水條件差的情況下，如厚度很大的飽和粘土地基。

固結(jié)快剪（固結(jié)不排水剪）：試驗(yàn)在垂直壓力下，給予充分時(shí)間，使土樣孔隙中的水全部排出而達(dá)到完全固結(jié)，之后，每加一級(jí)水平剪力后，均留足夠時(shí)間，使土樣充分排水，這時(shí)垂直壓力全部由土粒承擔(dān)，再進(jìn)行快速剪切。適用于一般建筑物的地基穩(wěn)定性分析，施工期間有一定的固結(jié)作用。

慢剪（排水剪）：試樣在垂直壓力下，排水固結(jié)后慢慢地進(jìn)行剪切，剪切過程中孔隙水可自由排出。一般工程的正常施工進(jìn)度都不符合這樣的條件，所以，工程試驗(yàn)中較少直接采用。

一般情況下，快剪時(shí)土的抗剪強(qiáng)度最低，慢剪時(shí)最高，固結(jié)快剪居中。

2 試驗(yàn)過程的影響因素

2.1 剪切試驗(yàn)中的應(yīng)力變化

根據(jù)直剪試驗(yàn)的要求，剪切過程中主應(yīng)力大小應(yīng)保持不變，試樣在水平推力下發(fā)生剪切破壞。實(shí)際上剪切過程中，由于上、下剪切盒發(fā)生了相對(duì)位移，使得試樣也隨之產(chǎn)生相對(duì)位移。原來軸向正壓力變成偏壓力，造成試樣發(fā)生斜剪。在整個(gè)剪切過程中，剪應(yīng)力分布不均勻的問題始終存在，所以剪切過程中的應(yīng)力變化是造成剪切試驗(yàn)偏差的主要原因之一[2]。

2.2 剪切速率

從兩個(gè)方面影響：一是影響試樣的排水固結(jié)強(qiáng)度，二是對(duì)粘滯阻力的影響。應(yīng)嚴(yán)格按照不同剪切試驗(yàn)要求的速率進(jìn)行試驗(yàn)。

實(shí)踐證明，剪切速率對(duì)砂土抗剪強(qiáng)度影響很小，但對(duì)粘性土抗剪強(qiáng)度的影響比較明顯，粘性土的抗剪強(qiáng)度一般會(huì)隨剪切速率提高而增加。剪切速率對(duì)內(nèi)摩擦角影響不大。

2.3 土樣密度與含水率

土樣密度和含水率也是影響抗剪強(qiáng)度的重要因素之一，通常而言，土的天然密度大，其抗剪強(qiáng)度就高。對(duì)于粗粒土，密度越大則顆粒之間的咬合作用力越強(qiáng)，因而摩阻力就越大；對(duì)于細(xì)粒土，密度越大則說明顆粒間的距離越小，水膜越薄，因而原始粘聚力也越大。

而含水率增大使土的抗剪強(qiáng)度降低，原因在于：一是水分在粗顆粒之間起到潤(rùn)滑作用，使摩阻力降低；二是粘土顆粒表面結(jié)合水膜的增厚使原始粘聚力減小。含水量對(duì)砂土的摩擦角影響不大，對(duì)粘性土影響較大。

2.4 垂直荷重

一般而言，應(yīng)當(dāng)根據(jù)土的軟硬性質(zhì)和實(shí)際的工程需要選擇合適的垂直荷重。對(duì)于非飽和粘性土一次施加與分級(jí)施加垂直壓力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不大。對(duì)于飽和粘性土，一次施加荷重可能會(huì)引起試樣被擠出，垂直壓力宜分級(jí)施加，垂直壓力序列可選擇50kPa、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100kPa、200 kPa 、300 kPa、400 kPa得出的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)相對(duì)偏小，在提供的土工試驗(yàn)成果報(bào)告中應(yīng)做出備注說明，以便設(shè)計(jì)人員在應(yīng)用該指標(biāo)時(shí)引起重視。

已有研究成果表明，對(duì)于一般性土體，不同垂直壓力下土體抗剪強(qiáng)度差別往往不大，相比較而言，在相同條件下，較大垂直壓力下測(cè)得的粘聚力會(huì)偏高，摩擦角會(huì)偏小。

另外，粘性土觸變性、土的蠕變、土的滲透性、試驗(yàn)溫度等因素也會(huì)對(duì)直剪試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

3 直剪試驗(yàn)存在問題

⑴在試驗(yàn)過程中主應(yīng)力的方向不斷變化，當(dāng)試樣剪破時(shí)，靠近剪力盒邊緣的應(yīng)變最大，而試樣中間部分的應(yīng)變相對(duì)要小得多，剪切面附近的應(yīng)變又大于試樣頂部和底部的應(yīng)變。所以，在剪切過程中，特別是在剪切破壞時(shí)，試樣內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變既非均勻又難搞定。

⑵由于直剪儀構(gòu)造簡(jiǎn)單，試樣在剪切時(shí)不能嚴(yán)格控制排水條件,不能量測(cè)試樣中的孔隙水壓力及其變化。直剪中的快剪試驗(yàn)定義為不固結(jié)不排水剪切，但是在真正試驗(yàn)過程中不可能實(shí)現(xiàn)完全意義上的不排水剪切。

⑶實(shí)際剪切面積對(duì)參數(shù)的影響

土往往是不均勻的，直接試驗(yàn)的剪切面限于上下盒之間的平面，而不是沿土樣最薄弱的面剪切，不能真實(shí)反映實(shí)際中復(fù)雜情況。

開始剪切后，隨著位移的增加，有效剪切面積相應(yīng)減小，所對(duì)應(yīng)的值也偏小，而且隨應(yīng)力的增加，破壞時(shí)的相對(duì)位移愈大，其有效剪切面積更加變小，所對(duì)應(yīng)的值也比真值偏小的更多，￠值偏小，c值偏大。

⑷在剪切過程中，垂直荷載發(fā)生偏移，土樣的剪切面逐漸減小，但在計(jì)算強(qiáng)度時(shí)，仍按土樣的原截面積計(jì)算。

4 提高試驗(yàn)質(zhì)量的方法

⑴避免土體結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞

應(yīng)在取土樣方法和設(shè)備、土樣運(yùn)輸以及室內(nèi)試驗(yàn)操作方法等方面，盡量避免土樣擾動(dòng)。

⑵設(shè)置合適的剪切速率，以剪切變形達(dá)4～6mm時(shí)的剪應(yīng)力值作為破壞值[3]。

⑶土是不均勻的，試樣密度、含水率是影響抗剪強(qiáng)度的重要因素，制樣時(shí)應(yīng)盡可能保證試樣均質(zhì)，即4個(gè)試樣的含水率和密度保持一致。通常含水率變化不會(huì)很大，密度差異宜控制在0.03g/cm3內(nèi)，這樣做出的試驗(yàn)結(jié)果比較合理。

⑷直剪試驗(yàn)受諸多因素影響，試驗(yàn)結(jié)果離散性較大，不同壓力下其抗剪強(qiáng)度往往不能在一條直線上，因此計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果時(shí)宜采用最小二乘法計(jì)算，對(duì)于離散度過大的點(diǎn)不應(yīng)參與計(jì)算，每個(gè)試樣不得少于3個(gè)點(diǎn)。

⑸由于直剪試驗(yàn)不能控制土的排水條件,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定：直剪試驗(yàn)適用的范圍為滲透系數(shù)小于10-6cm/s的土層，對(duì)于滲透系數(shù)大于10-6cm/s的土類，應(yīng)在三軸儀上進(jìn)行。

⑹在進(jìn)行剪切試驗(yàn)時(shí)，切記要將銷釘拔掉，否則會(huì)嚴(yán)重?fù)p害儀器。

⑺應(yīng)對(duì)直剪儀進(jìn)行定期檢修和校正工作，量力環(huán)率定，確保試驗(yàn)的精度，提高試驗(yàn)的質(zhì)量，減少由儀器帶來的誤差。

5 結(jié)語

鑒于直剪儀存在的缺陷及影響土體抗剪強(qiáng)度因素較多，目前，通過直剪試驗(yàn)準(zhǔn)確測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是較為困難的。因此，在使用由直剪試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度參數(shù)時(shí)，建議采用抗剪強(qiáng)度修正公式進(jìn)行計(jì)算，并與其他三軸剪切試驗(yàn)相比較，以便獲得較為合理的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。另外，設(shè)計(jì)人員在使用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)不要片面地認(rèn)為某些指標(biāo)異常就將其舍棄，而應(yīng)與所取土樣的工程地質(zhì)條件相結(jié)合來使用該指標(biāo)，這樣更能反映土體的真實(shí)狀況。

[1]趙樹德.土力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]薛梅.巖土工程勘察中土工試驗(yàn)質(zhì)量管理的探索[J].山西建筑，2016(21):87-88.

[3]GB/T50123-1999，土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn) [S].

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