剪切速率對直剪固結(jié)快剪試驗指標(biāo)的影響淺析

程 平

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引 言

所謂直剪試驗，是指在原狀土試件上某一特定面上進行剪切破壞，直接測定該面上的剪應(yīng)力和抗剪強度的試驗。直剪試驗是室內(nèi)測定土體抗剪強度的一種常用方法，可方便地為巖土工程穩(wěn)定性與強度分析提供所需的土體抗剪強度參數(shù)——黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。其試驗原理如圖1所示。

圖1 土的受力剪切圖

直剪試驗與三軸剪切試驗相比，由于直剪試驗設(shè)備簡單、制備試樣操作方便、試驗方法快捷、結(jié)果處理簡單，因而被工程實踐廣泛采用，是測定土的抗剪強度最簡單和最原始的試驗方法。在國家、行業(yè)及地方相關(guān)的地基基礎(chǔ)規(guī)范、基坑及邊坡規(guī)范中，其試驗指標(biāo)被廣泛應(yīng)用于強度及穩(wěn)定分析，為目前巖土工程勘察報告中最基礎(chǔ)的試驗數(shù)據(jù)。

1 直剪試驗原理與分類

1.1 試驗原理

直剪儀分應(yīng)變式直剪儀、應(yīng)力式直剪儀兩種。應(yīng)變式直剪儀能夠較準(zhǔn)確地測定剪切變形曲線的峰值和最后值，故室內(nèi)土工試驗較多采用應(yīng)變式四聯(lián)剪切儀。試驗時用環(huán)刀制備出厚度為20 mm的相對均質(zhì)的圓形試樣，按試驗標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求施加一定荷載的壓力進行固結(jié)預(yù)壓，然后將試樣分別推入剪切盒內(nèi)，分別在不同的垂直壓力下施加水平剪切力進行剪切試驗，使試樣在上下盒之間的水平面上發(fā)生剪切破壞，求得破壞時的剪切應(yīng)力τ，然后根據(jù)庫侖定律計算確定土的抗剪強度參數(shù)，如圖2所示。

圖2 直剪試驗強度與壓力關(guān)系曲線

1.2 直剪試驗分類

按剪切前土的固結(jié)程度、剪切時排水條件以及剪切速率快慢，可把剪切試驗分為快剪、固結(jié)快剪、慢剪。

1.2.1 快剪（不排水剪）

制備好的試樣在施加垂直壓力后不進行固結(jié)預(yù)壓立即進行快速剪切，試驗全過程排水時間不充分，這時垂直壓力大部分由孔隙水來承擔(dān)。該試驗得到的天然剪切強度指標(biāo)黏聚力c較固結(jié)快剪小，適用于施工進度快、排水條件差的工程類別中，如用于驗算黏性土地基驟然加荷時的穩(wěn)定性。

1.2.2 固結(jié)快剪（固結(jié)不排水剪）

將制備好的試樣在垂直壓力下，按標(biāo)準(zhǔn)要求進行充分固結(jié)預(yù)壓，使土樣孔隙中的水全部排出，完全固結(jié)后再進行快速剪切。這時的垂直壓力全部由土粒承擔(dān)，故此試驗得到的剪切強度指標(biāo)黏聚力較大，適用于一般建筑物地基穩(wěn)定性分析、天然地基承載力及邊坡穩(wěn)定性驗算。

1.2.3 慢剪（排水剪）

制備好的試樣在垂直壓力下，充分排水固結(jié)后以速率0.02 mm/min緩慢地進行剪切，整個試驗過程中孔隙水可自由排出。由于該類試驗在實際工程中應(yīng)用極少，故試驗時較少采用。一般用于工程的邊坡長期穩(wěn)定性驗算。

2 影響直剪試驗結(jié)果因素

影響直剪試驗結(jié)果的主要因素有土體自身性狀以及試驗操作因素。

2.1土的礦物成分、顆粒形狀和級配

根據(jù)試驗結(jié)果來說，黏性土的抗剪強度隨著黏粒和黏土礦物含量的增加而增大；在土的顆粒級配中，粗顆粒越多，形狀越不規(guī)則，其內(nèi)部摩擦角φ越大，黏聚力c越小。

2.2 密度與含水量

密度與含水量是影響抗剪強度指標(biāo)的重要因素。一般而言，土的原始密度越大，其試驗所得抗剪強度就越高。對于粗粒土來說，密度越大則顆粒之間的咬合作用越強，因而摩阻力就越大；對于細(xì)粒土來說，密度越大則意味著顆粒間的距離越小，水膜越薄，因而原始黏聚力也就越大。

而含水量的增高會使土的抗剪強度降低，會減少黏土的原始黏聚力，降低摩阻力，因而亦是影響固結(jié)快剪強度指標(biāo)的因素之一。

2.3 剪切速率

剪切速率是影響土的抗剪強度指標(biāo)的一個非常重要的因素。根據(jù)具體情況分析而言，可以從兩個方面影響：一是對土體黏滯阻力的影響，當(dāng)試驗時采用了較快的速率，由于剪切時間短，黏滯阻力隨之增大，表現(xiàn)出較高的抗剪強度；反之，黏滯阻力小，所得抗剪強度會降低。這在黏性土的剪切試驗中尤為明顯。不過在常規(guī)試驗中，對于黏滯阻力的影響通常不考慮。二是剪切速率的快慢會對試樣中的孔隙水壓力發(fā)生傳遞與消散的影響，從而影響試樣的排水固結(jié)強度，進而影響抗剪強度指標(biāo)。

3 不同剪切速率下直剪試驗分析

本文選取上海市浦江鎮(zhèn)地區(qū)第②層中呈可塑至軟塑狀的褐黃至灰黃色黏性土、第④層呈流塑狀的淤泥質(zhì)黏土以及上海市長興島地區(qū)的②3層粉砂（夾片層黏土），分別以0.8 mm/min和2.4 mm/min的剪切速率進行固結(jié)快剪試驗，用作對比試驗以分析剪切速率對強度指標(biāo)的影響。

3.1 試驗過程

直剪對比試驗過程如下：

（1）實驗室用四塊性質(zhì)相同的試樣，密度差不宜大于0.05 g/cm3。

（2）四級垂直壓力。第一級垂直壓力宜接近土的自重壓力，第四級壓力宜接近土的自重壓力和附加應(yīng)力之和。

（3）直剪固結(jié)快剪的固結(jié)時間。施加垂直壓力后，每1 h測讀垂直變形一次，直至試樣固結(jié)變形穩(wěn)定。對于黏性土不宜少于4.5 h，對于粉性土或砂性土不宜少于2 h。

（4）采用預(yù)壓裝置時，經(jīng)預(yù)壓固結(jié)的試樣自預(yù)壓儀取出推入直剪儀剪力盒后，宜有足夠時間進行再固結(jié)以消除回彈影響后實施剪切，試驗荷重序列為 50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。

3.2 成果整理和分析

對于剪切試驗中四個試樣的剪應(yīng)力的采用，在理論和實際試驗中具有較多的影響因素，既有人為操作因素的存在，亦有土質(zhì)差異存在的影響，存在著離散性較大的可能，加上各種如土的滲透性、試驗溫度及施加的垂直荷重不同等因素的影響，實際試驗所得往往不具理論上的線性關(guān)系，試驗點在抗剪強度與垂直壓力關(guān)系曲線圖上比較分散。因此對于試驗成果中那些明顯不合理的數(shù)據(jù)，應(yīng)仔細(xì)甄別、分析原因，進行取舍和有據(jù)可查的修正，或可根據(jù)同一地區(qū)、同一土層或同一土樣之間的物理力學(xué)指標(biāo)及相互關(guān)系進行修正，使得數(shù)據(jù)更為合理，數(shù)值更為符合土性。

3.3 土直剪試驗的破壞值選定

土的破壞值的選擇直接決定著抗剪強度的大小。破壞數(shù)值的選定常有兩種情況：一是剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線中具有明顯的峰值或穩(wěn)定值，則取其為抗剪強度值；二若剪應(yīng)力隨著剪切位移不斷增加，無明顯峰值或穩(wěn)定值，則以相應(yīng)選定的剪切位移所對應(yīng)的剪切應(yīng)力值作為抗剪強度值。

最后抗剪強度參數(shù)c、φ值宜用繪制試驗強度與壓力關(guān)系曲線（見圖2）進行確定。本文直剪試驗對比結(jié)果整理后見表1～表3。

表1 不同剪切速率第②層土直剪試驗結(jié)果

表2不同剪切速率第④層土直剪試驗結(jié)果

表3 不同剪切速率第②3層土直剪試驗結(jié)果

根據(jù)試驗匯總得出以下結(jié)論：

（1）黏性土的抗剪強度指標(biāo)受剪切速率影響較大，一般隨著剪切速率的提高而呈增加趨勢，而剪切速率的快慢對內(nèi)摩擦角影響不大。

（2）砂性土的抗剪強度指標(biāo)基本不受剪切速率快慢的影響。

4 結(jié) 語

剪切速率對淤泥質(zhì)黏性土這類滲透性差的土體的固結(jié)快剪強度指標(biāo)影響較大，應(yīng)根據(jù)工程實際情況合理選擇試驗時的剪切速率，以獲得較為準(zhǔn)確的強度指標(biāo)；而對粉砂粉土等這類滲透性相對較好的土體，抗剪強度指標(biāo)受剪切速率影響相對較小。

本文研究成果可對生產(chǎn)實踐中土工試驗操作細(xì)則提供借鑒與參考，有利于提高實驗室管理水平。