浅谈土体直剪试验的缺陷

浅谈土体直剪试验的缺陷
刘奋军董琪
（河北水文工程地质勘察院，河北石家庄050021）
1 直剪试验的原理
直接剪切实验室测定土抗剪强度的一种方法。

试验原理根据库伦
（Cou l o m b）定律，公式表示为：τ=c+t a nυ（1）土的内摩擦角于
剪切面上的法相力成正比。

将土制备成几个土样，
分别在不同的法相应力下，沿固定的剪切面直接施加水平剪切力进行剪
切，得期间切破坏的剪应力，即抗剪强度τ，然后，根据公式（1）确
定土的抗剪强度指标c、υ值。

2 现行直剪试验的缺点
2.1 偏轴压应力对参数的影响在直剪试验中，一般将试样
受剪作用理想化为如图1所示：
图4 普通直剪仪剪切试验破坏接近度图
图5 中型直剪仪2d-sigma 模型图（100*100*100mm）3
图1 理想剪切面示意图
由受力平衡有：
图2 实际剪切面与理想剪切面对比
（2）
pt a nυ+c=τ
通过（2）式推倒就可以求出c 和υ值。

在试验开始，施加于试样的压力为轴向正压力p。

当剪切开始时，
上下盒发生相对位移，试样上下被剪两部分随之发生相对位移。

这样的
位移，使原来轴向的正压力变为偏轴压力，从而使试样发生斜剪（如图
2）。

由图2受力平衡得：
pc o sα×t a nυ+c=τ（3）
由式（2）可见，在试验中，
图6 中型土体剪切仪试验破坏接近度图
从破坏接近度图：图4、图6 可以看出，普通直剪仪剪切带受剪切
盒限制，应力明显集中，破坏严格按照两剪切盒交界处破坏；而中型直
剪仪应力分布相对均匀，破坏按土体软弱带分布。

因此剪切盒面积大小
对土体剪破坏有很大影响。

2.3 实际剪切面积对参数的影响
如图7 在开始直剪后，随着位移的增加，有效剪切面积相应减小，
所对应的值也偏小。

而且，随应力的增加，破坏时的相对位移愈大，其
有效剪切面积更加变小，所对应的值也比真值偏小得更多。

其结果如图
3 所示，υ值偏小，c值偏大。

测得：=t a nυ'=c os αt a nυ（4）
式中υ′表示试验中测得的摩擦角值；α表示理想剪切面与实际
剪切面的夹角；υ表示试样实际的摩擦角值。

由公式（4）得出：υ′
<υ，显然，这与实际所得的结果有很大的差距。

2.2 剪切试验土体剪切面积偏小
图3，图5 是普通直剪试验和中型直剪试验2d- s i g m a模拟效果
图，模拟试样土的参数取值如下：
1 层：γ=19kN/m，E=50000k Pa，μ=0.35，c=30kP a，
Φ= 25°；
2 层：( 剪切带)：γ=17k N/m，E=30000kP a，μ=0.40，
c=25kP a，Φ=26°；
3 层：γ=20kN/m，E=70000k Pa，μ=0.32，c=50kP a，
Φ= 28°。

图7 理想和实际剪切变形对比
2.4 不能严格控制排水条件直剪试验不能严格控制排水条件，以
土所受到的总应力为计算标
准，故所得到的强度为总应力强度。

施加某一垂直压应力σ后，逐渐
施加水平剪应力，同时测得相应的剪切位移L,直至图样被剪破坏为止。

通常剪切力的最大值（峰值）或者稳定值作为抗剪强度f，如无明显变
化，以剪切位移等于4m m的剪应力值作为土的抗剪强度。

3 试验缺陷产生的原因
1）剪切开始后的正应力的非均匀分布以及剪切面发生斜剪均是由
试样偏心受力引起的。

偏心受力越大，正应力的非均匀分布和剪切面的
斜剪现象就越严重。

因此，只要能解决试样的偏心受（下转第141 页）图3 普通直剪仪2d-sigma 模型图（剪切盒直径61.8mm）
115
TECHNOLOGY WIND
工程技术
3.2.3 结果分析 1） 地表最大沉降及开挖边界最大位移随埋深的增加而减小；2）
塑性区无明显变化，开挖边界一部分区域出现塑性区；3） 地表沉降值 均在 10 m m 以内，符合规范安全要求。

4 结语
1） 浅埋暗挖理论是以加固软弱地层为前提，以足够刚性的复合式 衬砌结构为保证，浅埋暗挖法具有广泛的应用前景。

2） 青岛属土岩结合的特殊地质类型，而在岩石地层条件下的浅埋 暗挖地铁站在国内很少见，因此对青岛地铁的研究能够丰富和完善我国 浅埋暗挖技术的理论体系。

3） 浅埋暗挖地铁站作为大跨度地下交通枢纽，其埋深的确定直接 影响到地铁施工和运营安全。

对于浅埋暗挖车站，要充分利用监控量测 信息反馈，及时修正设计模型及参数，保证安全，降低造价。

图 3 台阶法埋深 7m 时模拟结果
3.2.2 埋深 10 m 下的模拟计算
开挖上台阶，并进行应力释放，施加衬砌和锚杆
开挖下台阶并施加衬砌
开挖核心土并施加衬砌 施加仰拱封闭成环
图 4 台阶法埋深 10m 时模拟结果
（上接第 115 页）
力现象，便能从根本上解决这两个问题。

2） 剪切盒的形状的影响，受剪切盒侧限的影响，普通直剪试验剪 切面严格按照两个剪切盒交界面进行，使得试验结果与实际剪切状态有 很大差别。

因此，只要能选择合适形状的剪切盒，对缓解剪应力集中是 有可能的。

3） 直剪试验在剪切盒侧限条件下进行，在剪应力不变的情况下， 随着剪切变形的加大，剪切面面积随之变小，从而导致理论值与试验结 果的差异。

4） 直剪试验不能有效控制排水条件和测量空隙水压力是由仪器本 身引起的。

因为剪切盒的上下盒之间有空隙，对于不排水剪切和固结不 排水剪切试验,在剪切过程中没有办法使它绝对不排水。

因此，规范中 对该试验采用了快剪、固结快剪和慢剪等术语来表达，并用剪切速率的 快慢来模拟排水条件。

所有这些尽管是有误差的，但资料表明，所测数 据对实际工程还是具有重要的参考价值。

4 结论 为进一步推进该试验方法在实际工程中的广泛应用，笔者建议对
现有的试验仪器提出进一步改进的简单方案，采用滑轮组式加力系统， 加大剪切盒面积。

这样可尽可能最大限度地减少试验缺陷，并从理论上 完善和验证我们的技术措施，从而使试验成果更加接近实际。

作者简介：刘奋军，男，28 岁，本科，助理工程师。

141
TECHNOLOGY WIND。