直剪试验存在的问题及其改进

直剪试验存在的问题及其改进

臧德记

河海大学水利水电工程学院，南京（210098）

E-mail：zangdeji@https://www.360docs.net/doc/128786367.html,

摘要：在测试岩土体强度的试验中，直剪试验以其操作简单、原理明确而得以在工程上广泛应用。但是其试样特定的受力状态，使得直剪试验测得的抗剪强度也受到不少学者的质疑。基于此，本文对常规直剪试验存在的一些缺陷进行详细介绍，并针对这些缺陷，介绍了一些学者所做的改进研究，最后介绍了近年来部分学者所研制的新型直剪仪或直剪试验法。

关键词：直剪试验；抗剪强度；摩擦力；缺陷

中图分类号：TU223

1. 引言

岩土工程的失稳绝大多数是由于剪切破坏引起的，准确测定岩土体的抗剪强度参数在岩土工程建设中具有重要意义。目前，常用的抗剪强度参数测定方法有三轴试验与直剪试验，其中，直剪试验由于其操作简便、适用范围广而应用最为普遍[1]。图1为土坡圆弧滑动中三轴试验及直剪试验所对应的应力状态[2]。由于最大主应σ1的方向与滑动面的方向呈45o-φ/2，图中左上部分的σ1几乎是垂直方向，应力状态与三轴压缩试验相对应；而右下部分的σ1几乎是水平方向，应力状态与三轴伸长试验相对应；在滑弧中部，滑动面几乎水平，应力状态与直剪试验相对应。因此，直剪试验所测得的抗剪强度参数基本代表了整个滑动面上的平均值。

图1滑动面上各种剪切试验的再现

2. 直剪试验存在的问题

直剪试验最早在一百多年前被Alexandre Collin用于边坡稳定研究所使用。早期的直剪试验仪均为应力控制式，第一台现代的直剪仪是在1932年Casagrande在哈佛大学设计的，Gilboy于1936年在麻省理工学院将位移控制引入到直剪仪中，从而可以得到土体材料较为准确的应力-位移关系和峰值以后的强度特性[3]。目前常规的室内直剪仪一般都是应变控制式，试验时用环刀切出厚为20mm的圆形土饼，将土饼推入剪切盒内,分别在不同的垂直压力P下，施加水平剪切力进行剪切，使试样在上下剪切盒之间的水平面上发生剪切至破坏，求得破坏时的剪切应力τ，根据库伦定律确定土的抗剪强度参数：内摩擦角　和凝聚力c。直剪试验所测试的岩土体的抗剪强度，在工程应用中都具有重要的参考价值，前人做

了不少的研究，也积累了不少经验。但直剪仪本身还是存在诸多的缺陷，不少学者也做了分析并做过改进研究，笔者在前人研究的基础上，结合自己的实践和分析，总结了常规直剪试验存在的一些缺陷。

2.1 试验过程中应力应变的不一致性

试验过程中应力与应变的不一致性是直剪试验遭遇学者们质疑最多的一点[4]—[6]。由于岩土材料大都是弹塑性材料，颗粒之间或咬合或粘结在一起，试验时推动杆推动下剪切盒使得上、下剪切盒相互错开的过程，即是颗粒之间相互滑移或滚动的过程。剪切是从试样边缘开始的，因而靠近推动剪切盒壁区域的颗粒被挤密，如图2(1)所示，形成比较明显的应变不一致性。因而在剪切时，剪切面中央部分与靠近盒壁区域的试样应变不一致[7]，靠近盒壁试样的应变较大，而中央部分的应变较小，如图2(2)所示。

(1) 上、下剪切盒相互错开的平面图(2) 上、下剪切盒相互错开的正视图

图2试验过程中试样变形的不均匀性

2.2 剪切盒内壁与试样之间的摩擦力对试验结果的影响

常规直剪仪水平方向上采用刚性手轮推动杆推动剪切下盒使试样受剪，剪切上盒与量力环之间必定是刚性连接[8]。在剪切过程中, 若试样发生体积变化，剪切上盒会限制试样在垂直方向的升降，从而在试样与剪切盒内壁之间产生摩擦力，这个摩擦力相当于在试样上施加一个附加正应力，而该摩擦力在试验中无法测定,因而会使得剪切面上的正应力与实际外加的正应力不一致。测得的剪切强度在土体剪胀情况下，比实际土体强度要高，反之，在土体剪缩情况下，比实际土体强度要低。

2.3 剪切面上正应力的不稳定性

常规直剪试验的试样是圆柱形的，剪切面即是圆柱体高度方向的中间截面，试验的过程即是上、下剪切盒相互错开的过程，因此随着剪切位移的增加，圆柱体上下两部分逐渐错开，剪切面的有效面积在减小，其上垂直压力由初始的位于试样中心到偏离试样中心，因此，剪切面上的正应力也由初始的均匀分布到不均匀分布。所以，在试样受剪过程中，正应力不是保持均匀分布的，而是不稳定的。

2.4 不能严格控制排水条件

由于直剪仪本身的构造限制，决定了其不能严格控制排水条件，不能量测试验过程中的孔隙水压力。排水与否只是用剪切速度来决定，即快剪适用不允许排水的情况，慢剪就是要让试样充分排水。但这样的规定，实际上误差有时是很大的[9]。

(a) (b) (c) 图3三种改进直剪仪：(a)滚轴排接触，(b)柔性绳索张拉剪切盒，(c)在试样盒顶部设置荷载计量测垂直力 2.5 剪切面并非土样最薄弱的面

直剪试验中剪切面被限定在上、下剪切盒之间，而这个面并非土样破坏时的最薄弱的面，特别是对含黏粒的土[9]

。 3. 直剪试验的改进分析

对于上述的缺陷，不少学者做过改进研究[4]—[5]

、[8]、[10]—[11]，这些研究主要集中是通过改变直剪仪的结构形式，改善剪切面的剪应力分布、正应力分布、应变分布，克服试样与盒壁

之间摩擦问题。

针对应力和应变的不一致性，挪威岩土工程研究所和剑桥大学分别研制了单剪仪，可以得到较为均匀的应力和应变。但由于该试验较复杂，目前还只在少数科研单位使用，工程中并未得到推广应用。

针对剪切盒内壁与试样之间的摩擦问题，文献[8]介绍了三种解决方法，如图3所示：第一种方法是把上剪切盒与量力环的刚性接触改为具有低摩擦系数滚轴排接触（图3（a ））；第二种方法是将试样受剪方式由刚性顶推剪切盒的方式改为用柔性绳索拉动剪切盒的方式（图3（b ））。滚轴排接触与柔性绳索张拉的目的是让上剪切盒在试样剪切过程中能上下自由运动，试样与上剪切盒间就不会产生相对位移，从而克服了试样与剪切盒内壁之间的摩擦；第三种方法是在施加垂直力的反向设置荷载计，量测得到剪切面上真实的垂直力（图3（c ）），该法是目前日本地盆学会推荐的方法。

针对正应力不稳定问题，主要是由于试验过程中随着上下剪切盒的错开，有效的剪切面积减少及垂直压力偏离剪切面中心所致。对此，笔者最近研制开发了一种新型现场和室内两用直剪仪，如图4。它采用拉动上剪切框的方式使试样受剪，采用移动式垂直加荷系统施加垂直压力，试样受剪过程中垂直压力可以随上剪切框同步移动；另外，它的下剪切框的面积大于上剪切框的面积，这样可以使得试样在受剪过程中有效剪切面积不发生改变。因此，该直剪仪可以从根本上消除常规直剪仪正应力不稳定的问题。

图4新研制直剪仪的结构图

4. 直剪试验的最新发展

最近二十多年来，直剪试验在工程上的应用的日益增多，不少学者研制了新型直剪试验仪器或试验方法[4]—[5]、[10]—[12]。

文献[4]提出采用对称结构的直剪仪，即上剪切盒与荷载板固定连接形成一体，与下剪切盒形成对称结构，如图5所示，在试验中，通过荷载板在试样顶部产生的不均匀法向应力分布来平衡剪切力传递过程中的产生的力偶，从而在剪切面上能形成较为均匀的应力分布。文献[5]提出一种用于砂土试验的直剪仪，它通过固定上剪切盒使其不发生任何的转动和位移，荷载板自由或不可转动，如图6所示，S.Shibuya等解释此种剪切试验为两块体滑动模式，试样中间受剪部分变形类似于单剪试验。

文献[10]和[11]介绍了一种用于测试原位岩土体及堆石料强度的新型直剪试验法，如图7所示。该试验法用一格子状的剪切框代替通常直剪试验仪中的上剪切盒，并取消下剪切盒。将格子状的剪切框直接埋于要测定强度的地基中，在剪切框内的试样上先放上一块厚钢板，再在钢板上根据所需要的垂直荷载堆上重铁块。水平方向上用一链条拉动剪切框，使试样受剪。剪切力用连接在链条上的荷载计量测。在钢板的后侧中央部位设置一水平位移计，用于测量试样的剪切位移，同时在钢板的前后对角线上各设置一垂直位移计，试样的垂直位移取2只垂直位移计读数的平均值。该试验法采用链条拉动剪切框使试样受剪，克服了剪切盒内壁与试样之间的摩擦力的影响；另外，采用120㎝×120cm的剪切框，特别适合于现场测试大粒径堆石填料的抗剪强度。

长江科学院土工所的DHJ60型叠环式剪切试验机，试样尺寸为60cm×60cm×60cm，该试验机的最大特点是消除了常规直剪仪剪切面单一的缺点，使试样有可能沿最弱的剪切面破坏。

文献[12]介绍了一种拼装式结构的现场室内两用大型直剪仪，采用方形剪切盒，净尺寸(长×宽×高)为：50cm×50cm×41cm,通过液压千斤顶施加垂直压力，下剪切盒与框架连为一体，

试验时推动上剪切盒使试样受剪。

图5对称式直剪仪图6上剪切盒固定直剪仪

图7新型现场直剪试验方法[11]

5. 小结

本文对常规直剪试验存在应力应变不一致性、剪切盒内壁与试样之间的摩擦力对试验结果的影响、剪切面上正应力的不稳定性、不能严格控制排水条件和剪切面并非土样最薄弱的面等缺陷作了详细介绍；并针对这些缺点，介绍了一些学者们所做的的改进研究和直剪试验的最新发展。

岩土工程中，测试岩土体的强度试验应是原理简单、操作方便、结果合理准确，因此，应该从分析直剪试验产生这些缺陷的机制、充分利用现有技术手段、提出和研究可行的方案出发，对现有的试验仪器和试验方法做进一步的改进，从而使试验结果更加接近实际，为工程设计提供准确的参数指标。

参考文献

[1] S. H. Liu. Simulating a direct shear box test by DEM[J].Canadian Geotechnical Journal, 2006, 43(2): 155～168.

[2] 松冈元著.罗汀,姚仰平编译. 土力学[M]. 北京，中国水利水电出版社,2001.

[3] M. L Lings, M. S. Dietz. An improved direct shear apparatus for sand [J]. Geotechnique,2004, 54(4):245～256.

[4] R. A. Jewell. Direct shear tests on sand [J]. Geotechnique, 1989, 39(2): 309～322.

[5] S. Shibuya, T. Mitachi, S. Tamate. Interpretation of direct shear box testing of sands as quasi-simple shear [J]. Geotechnique, 1997,47(4):769～790.

[6] L. E. Vallejo. The influence of fissures in a stiff clay subjected to direct shear [J]. Geotechnique, 1987, 37(1): 69～82.

[7] 刘建锋，徐进，高春玉.土的直剪试验缺陷探讨[J].四川水利发电，2005，24(2)，56～59.

[8] S. H. Liu, D.A. Sun, H. Matsuoka. On the interface friction in direct shear test[J]. Computers and Geotechnics, 2005, 32: 317～325.

[9] 龚晓南.土力学[M].北京:中国建筑工业出版社，2002.

[10] H. Matsuoka, S. H. Liu, D. A. Sun, U. Nishikata. Development of a new in-situ direct shear test[J].Geotechnical Testing Journal,2001,92～102

[11] 刘斯宏，肖贡元，杨建州，等.宜兴抽水蓄能电站上库堆石料的新型现场直剪试验[J]. 岩土工程学报，2004，26（5）：772～776.

[12] 闵弘，刘小丽,魏进兵，等.现场室内两用大型直剪仪的研制Ⅰ:结构设计[J].岩土力学，2006，27(1)：168～172.

Drawbacks of Direct Shear Test and its Improvement

Zang Deji

College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, HoHai Univ, Nanjing (210098)

Abstract

The d irect shear test is very popular in the laboratory testing of soils and rocks owing to its simple operation and clear principle. However, the specified loaded state of the sample made tested resistance

shear strength oppugned by many scholars. Based on it, this paper introduced some drawbacks of direct shear test in detail .Moreover, aimed at them, some improvements by scholars were illustrated. Last, some latest developed direct shear apparatuses or new methods of direct shear test were introduced.

Keywords: direct shear test, resistance shear strength, friction, drawback

作者简介：臧德记（1981-），安徽霍邱人，硕士研究生，主要研究方向为水工结构工程。