直剪试验和三轴剪切试验对比分析

直剪试验和三轴剪切试验对比分析

【摘要】土的抗剪强度是指地基土抵抗外荷载破坏的能力。抗剪强度指标是确定地基土承载力的关键指标，在地基与基础设计及办坡工程设计中至关重要。

土的抗剪强度指标主要是通过室内试验获得。试验方法主要有直接快剪、固结快剪和固结不排水剪。本文通过在室内对同一土体进行固结快剪和固结不排水剪试验，探研两种试验方法所得结果的差异。

【关键词】抗剪强度；固结快剪；固结不排水剪

为了确定建筑物地基承载力、预测边坡的稳定性、确定渠道和基抗的坡角等，都需要研究土的抗剪强度。抗剪强度指标是工程计算中需要的直接计算指标。

土在外力作用下在剪切面单位面积上所能承受的最大剪应力称为土的抗剪强度。土的抗剪强度是由颗粒间的内摩擦力以及胶结物和水膜的分子引力所产生的粘聚力共同组成。

1. 土的抗剪强度的基本理论

1773年，库仑根据砂土的摩擦试验，砂土的抗剪强度决定于砂土的内摩擦角，即决定于砂土颗粒之间的内摩擦力。它与压应力成正比。砂土的抗剪强度曲线为一过原点的直线，可用τf=σtgφ表示。

后来又提出粘性土的抗剪强度表达式为：

τf=c+σtgφ

式中：τ f ——土的抗剪强度，kpa；

σ——作用于剪切面上的法向应力，kpa；

φ——土的内摩擦角，（°）

c——土的粘聚力，kpa。

据库伦定律求土的抗剪强度指标是很简单。但由于土的抗剪强度受许多因素影响，如试验时的排水条件、试样的受压历史、剪切的速度、仪器的类型和操作方法等，所以c、φ值随着影响因素的不同而异，实际上，它是表示在一定条件下的抗剪强度。

2. 试验方法对比

2.1 固结快剪。

试验仪器采用直接剪刀切仪。首先将制备好的3～4个高2cm面积30cm2的圆柱形土体分别置于剪切盒内，使其承受一定的竖向压力σ下排水，待固结稳定后快速施加水平剪应力使其剪破，在剪应力施加过程中记录下剪应力的峰值强度，若未出现峰值取剪位移为4mm相对应的剪应力作为它的抗剪强度（一般最大位移为试样直径的1/15～1/10。对于直径61.8mm的试样，其最大剪切位移为4～6mm，所以规定取剪切位移为4mm对应的剪应力为抗剪强度值。同时要求试验的剪切位移达6mm）。

2.2 固结不排水剪。

试验仪器采用三轴压缩仪。首先将3～4个制备好的高8cm面积12cm2的圆柱形土体在周围压力σ3下排水，待固结稳定后，开始剪切，过程中按一定变形量测记测力计、轴向变形和孔隙水压

力，剪切至轴向变形量达15%～20%停止试验。然后根据三轴压缩试验结果绘制某一σ3下的主应力差(σ 1 ～σ3)与轴向应变的关系曲线，以曲线峰值(σ 1 ～σ3)作为该给定σ3下的极限应力圆的直径。如果曲线未出现峰值则取轴向应变为15%对应的主应力差为极限应力圆的直径。根据不同的围压σ 3 下的试验结果确定抗剪强度。

3. 试验结果对比

本次对比试验的土样选自武汉某工程，分别对不同的土性做了对比试验，每种土性选取具代表性土样6个。

粉土试验结果列于表1。内聚力最小差值1.4，最大差值10.7；内摩擦角最小差值9.4，最大差值11.6。

粉质粘土的试验结果列于表2。粉质粘土内聚力最小差值1.5，最大差值4.2；内摩擦角最小差值2.1，最大差值11.3。

粘土试验结果列于表3。粘土内聚力最小差值2.4，最大差值7.4；内摩擦角最小差值3.7，最大差值12.3。

由表3中数据可以看出直前剪固结快剪试验比三轴固结不排水剪试验所得的内聚力偏小1.4～10.7 kn/m 2 （个别数据偏大），其中粉质粘土差异最小，粉土差异最大。内摩擦角偏小2.1°～

12.3°，其中粉质粘土和粘土差异较小，粉土差异最大。表4按土类分别列出了两种试验方法所得的抗剪强度参数平均值。

4. 试验结果分析

直接剪切试验的优点：仪器构造简单，操作方便。

直接剪切试验的缺点：剪切过程中，试样内应力分布不均，试样的密度与含水率不易控制，有效剪切面在试验过程中逐渐变小。而且由于剪切面是预先指定的，在客观上往往与土样的软弱面不合，不是实际的剪切面。

三轴压缩试验与直接剪切试验相比具有以下优点：能控制试样排水条件，受力状态明确，可以控制大小主应力，剪切面不固定，能准确地测定土的孔隙压力及体积变化。

三轴压缩试验缺点：主应力方向固定不变，试验在轴对称情况下进行，这些与工程实际情况有所不同。

不同试验方法所测的试验数据存在一定的差异，这是不争的事实，产生的差异的主要原因是直剪试验排水程度是靠“快”，“慢”来控制的。所以严格的不排水是难以做到的，特别是对透水性强的土。同时在试验过程中不能进行孔隙水压力测量，而且试验是在小主应力σ3假定为零的条件下，测定的预定剪切面的抗剪强度与土体的实际应力状态差别较大。而且直剪试验还存在着试验过程中的试样有效面积逐渐减小，主应力方向变化，剪切面上应力分布不均以及预定剪切面未必是试样最弱面等特点。而三轴剪切试验正是克服了直接剪切试验的缺点而进行的试验。所以三轴压缩试验能更好的模拟土体受力情况，其所提供的数据更为准确可靠。

5. 结语

三轴压剪切试验数据准确可靠但周期较长，操作复杂，所需试样较多，而且主应力方向固定不变，是在σ2=σ3的轴对称情况

下进行的，与实际情况尚不能完全符合。直接剪切试验由于其设备简单，操作方便，掌握试验历时短仍被广泛应用。所以对于有经验地区的乙、丙级建筑地基中的粘性土可采用固结快剪试验替代固结不排水剪试验，以缩短试验周期，降低成本。对于新地区或重要建筑应采用三轴试验。

由于影响土的抗剪强度的因素（如剪切应变速率、橡皮膜对试验的影响等）很多，本文未对两种试验方法的具体相关性做出准确的结论，以后还需继续进行分析总结。

参考文献

［1］南京大学水文地质工程地质教研室编：《工程地质学》，地质出版社，1982.

［2］《工程地质手册》编委会：《工程地质手册》（第四版），中国建筑工业出版社，2007.

［3］南京水利科学研究院土工研究所编著：《土工试验技术手册》，人民交通出版社，2003.

［4］铁道部第一勘测设计院编：《工程地质试验手册》（修订版），中国铁道出版社，1995.