土的直接剪切試驗(yàn)與影響因素分析

馬倩

【摘要】文章主要是分析了直接剪切試驗(yàn)的內(nèi)涵以及原理，同時(shí)在此基礎(chǔ)上分析了土的直剪試驗(yàn)的缺陷，最后探討了影響到直剪試驗(yàn)的主要因素，提出了可行性的解決方案，望能為有關(guān)人員提供到一定的參考和幫助。

【關(guān)鍵詞】直接剪切試驗(yàn);抗剪強(qiáng)度;影響因素

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.15.133

1、前言

土體的力學(xué)在絕大部分的情況下都是在模擬試驗(yàn)中所得到參數(shù)數(shù)據(jù)的。但由于不同類型的土體有著其自身的特征以及差異，為此在從模擬的過程中所得到的參數(shù)與實(shí)際的土體實(shí)際力學(xué)參數(shù)不完全相符，存在了一定的差異。為能有效提升到土體直剪試驗(yàn)的整體質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)注重到其的實(shí)驗(yàn)原理以及其的缺陷成因。

2、直接剪切試驗(yàn)的內(nèi)涵

直接剪切試驗(yàn)的方法是能夠有效確定到室內(nèi)土壤剪切強(qiáng)度的主要方法。它是指直接測(cè)量特定表面上的土壤樣品的剪切強(qiáng)度。主要目的是了解剪切面的剪切強(qiáng)度以及垂直應(yīng)力和剪切強(qiáng)度參數(shù)。內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系決定了土壤材料的性質(zhì)，從而為土壤材料的估算提供了依據(jù)。土的抗剪強(qiáng)度，地基的承載力，地基和邊坡的穩(wěn)定性評(píng)估以及擋土墻上的土壓力計(jì)算是必要的基礎(chǔ)，該方法具有操作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理簡(jiǎn)單、傳力清晰等優(yōu)點(diǎn)[1]。

3、土體直剪試驗(yàn)原理

對(duì)于粘性土來(lái)說(shuō)，一般來(lái)說(shuō)，它具有分散性高、親水性強(qiáng)、土顆粒間粘結(jié)力小、內(nèi)摩擦角小、抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)。粘土顆粒表面被水膜包圍，不能直接接觸。由此可知在顆粒的表面對(duì)土的抗剪強(qiáng)度沒有造成實(shí)質(zhì)的影響，增加粘性土的密度可以增加土顆粒之間的接觸，因此不同固結(jié)度的土的抗剪強(qiáng)度有明顯的差異，對(duì)于非粘性土，內(nèi)摩擦角不僅與分散程度有關(guān)，而且與顆粒形狀和表面有關(guān)特征。粗糙顆粒表面會(huì)增加土壤的內(nèi)摩擦角，而平滑度會(huì)降低是的[2]。抗剪強(qiáng)度主要受其結(jié)構(gòu)參數(shù)的控制特征。作為對(duì)于礦物組成而言，只有當(dāng)剪。在下面正常情況下，它通過粒子的形狀和表面特性來(lái)工作。土壤主要是由固相、液相和氣相三者所組成的塊狀物質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，土中的應(yīng)力在外力作用下會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)土體中的剪應(yīng)力超過土體本身的抗剪強(qiáng)度時(shí)，土體將失去穩(wěn)定性，沿其中一個(gè)滑動(dòng)面滑動(dòng)，導(dǎo)致土體的剪切破壞。目前，室內(nèi)土工試驗(yàn)室最常用的方法是直剪試驗(yàn)，即測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（即粘聚力）和內(nèi)摩擦角，并按GB/t50123-1999第3.1.4條的規(guī)定制備原始的土樣，即是用圓刀切一個(gè)20mm厚的圓形土樣放進(jìn)剪切箱[3]。杠桿系統(tǒng)將垂直壓力通過壓力活塞和滲透性石頭壓緊，并傳遞到土壤樣品中，水平剪切應(yīng)力通過箱體下方的推桿施加到土壤樣品上。然后依據(jù)庫(kù)侖定律可以得知水平剪應(yīng)力在不同的垂直壓力下會(huì)均勻的分布，然后通過計(jì)算可以得出土壤抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的內(nèi)聚力，最后通過內(nèi)摩擦角等的方式繪制了土壤的抗剪強(qiáng)度曲線。

4、試驗(yàn)的缺陷及成因

4.1儀器的局限性帶來(lái)的缺陷

首先，在直接剪切試驗(yàn)過程中，人為地假定剪切破壞表面僅出現(xiàn)在上下箱體之間的平面中。在實(shí)際工程中，土壤的破壞面通常發(fā)生在最弱的剪切帶上，也就是說(shuō)，土壤樣本的最弱的剪切破壞面并不一定是平面，這可能與實(shí)際工程不一致。二是因?yàn)閮x器的結(jié)構(gòu)上存在的一些缺陷，使得土壤中的抗剪強(qiáng)度與排水和固結(jié)等都密切的關(guān)聯(lián)在一起，為此應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格的控制好土壤中的排水條件，孔隙水壓力在測(cè)試的過程中無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。在實(shí)際試驗(yàn)過程中，疏松的不排水的快速剪切不能達(dá)到完全不排水的剪切，而排水的慢剪切不能使土壤樣品完全排水，因此存在較大的誤差是無(wú)法避免的[4]。

4.2試樣內(nèi)部的應(yīng)變既非均勻又難確定

此情況的存在主要是由于土顆粒通過粘結(jié)或咬合的方式連接在一起，這就導(dǎo)致了剪切面上的應(yīng)力應(yīng)變分布在一定的程度上出現(xiàn)不均勻的情況。在試驗(yàn)過程中，上下剪力箱會(huì)逐漸受到水平荷載的推動(dòng)作用，加上土樣邊緣的剪切作用，使得這部分顆粒被壓實(shí)，形成更明顯的應(yīng)力集中。剪切箱邊緣附近應(yīng)變?cè)谧畲蟮那闆r會(huì)使得試樣中部的應(yīng)變相對(duì)較小，這就導(dǎo)致了土壤兩側(cè)的應(yīng)變?cè)诓粩嗟臏p小[5]。

4.3參照面積與實(shí)際不符

這是因?yàn)殡S著剪切位移的發(fā)展，土壤樣品的原始橫截面積將逐漸減小?？梢钥闯觯行Ъ羟忻娣e與相對(duì)位移呈負(fù)相關(guān)，但直接剪切試驗(yàn)中仍使用標(biāo)準(zhǔn)剪切應(yīng)力公式。因此極限抗剪的強(qiáng)度顯然與實(shí)際情況不一致。

5、直剪試驗(yàn)的影響因素

5.1垂直壓力

對(duì)于軟土可以選擇50、100、150和200 kPa的垂直壓力;對(duì)于堅(jiān)硬的土壤可以選擇100、200、300和400 kPa的垂直壓力。總之有關(guān)人員能夠就實(shí)際工程的需求和技術(shù)要求從而確定到豎向的壓力。在不同垂直的壓力下發(fā)現(xiàn)普通土的抗剪強(qiáng)度差異不大。對(duì)于砂，礦物組成對(duì)內(nèi)摩擦角受礦物形態(tài)的影響。富含角狀或圓形礦物（如石英和長(zhǎng)石）的沙子通常比云母和長(zhǎng)石更有價(jià)值。綠泥石和滑石含量高的砂的內(nèi)摩擦角較大，但礦物成分對(duì)大顆粒間的內(nèi)摩擦角有顯著影響，且這種影響隨著顆粒的減少而逐漸減小，小于0.1mm顆粒，難以檢測(cè)。在粒徑分布方面，分布較好的砂粒比分布較差的砂粒大。

5.2試驗(yàn)中的應(yīng)力變化

根據(jù)直接剪切試驗(yàn)的剪切原理，樣品應(yīng)在水平剪切力的作用下剪切，而剪切過程中的主應(yīng)力保持不變，但是在特定的切割過程中，樣品將被切割。箱體不同，位移使軸向正壓成為軸向偏力，壓力變化產(chǎn)生傾斜剪切現(xiàn)象，也偏離了理想的剪切力。因此， 剪切試驗(yàn)偏差的主要原因是由于剪切試驗(yàn)中的應(yīng)力變化。

5.3摩擦力

在特定的測(cè)試過程中，土壤樣品的體積將隨剪切操作而變化，并且土壤樣品將與剪切箱的內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦?？梢哉f(shuō)，這種無(wú)法測(cè)量的摩擦力的形成等同于施加在土壤樣品上的附加應(yīng)力，這進(jìn)一步影響了土壤的抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。

6、試驗(yàn)缺陷的改善措施

在進(jìn)行土壤樣品采集，土壤樣品運(yùn)輸和測(cè)試操作的過程中，為能夠有效避免到土壤樣品的結(jié)構(gòu)被破壞，有關(guān)人員應(yīng)當(dāng)盡可能杜絕干擾土壤樣品。其次，由于試驗(yàn)前土壤的剪切強(qiáng)度受其密度和含水量的影響，因此通過測(cè)量其密度和含水量能夠基本了解樣品的均勻性和變異性，從而判斷試驗(yàn)的正確性。通過測(cè)量樣品的密度和水含量可以基本了解樣品的均勻性和可變性。

結(jié)語(yǔ)：

由上可知，直剪試驗(yàn)有著效率快、簡(jiǎn)單、操作方便等的優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際的土體直剪試驗(yàn)過程中還存在了許多的缺陷。為此為能進(jìn)一步提升到土體試驗(yàn)的整體質(zhì)量，有關(guān)人員可以采用到科學(xué)合理的解決措施來(lái)解決其中的缺陷。

參考文獻(xiàn)：

[1]慕煥東，鄧亞虹，張文棟.沙漠-黃土高原過渡區(qū)砂質(zhì)黃土強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020（8）.

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