土工试验直接剪切试验和三轴剪切试验的优缺点和适用范围

土工试验直接剪切试验和三轴剪切试验的优缺点和适用范围摘要：在建筑工程中，土的抗剪强度测试是一项十分重要的工作，土的抗剪强

度关系到工程地基的稳定性与工程结构的稳固性。当前常用的土的抗剪强度测试方法有直接剪切试验以及三轴压缩试验。本文联系实际，对这两种试验方法的原理、优缺点与适用范围进行分析论述，以供参考。

关键词：土的抗剪强度；直接剪切试验；三轴剪切试验

土的抗剪强度指的是土体抵抗剪切破坏的极限能力，抗剪强度是土的一大重要力学性质。土的的抗剪强度并非固定不变，它是不断变化的，且这一变化具有规律。研究证明，在土的破裂面上，抗剪强度随法向应力增长。在测试土的抗剪强度时，要根据土的受力方式以及受力面选择相应的测试方法与仪器，方能保证测试结果科学准确【1】。下面就土工试验直接剪切试验和三轴剪切试验的优缺点与适用范围做具体分析。

1土的直接剪切试验

所谓直接剪切试验，是指直接在某一预定的面上剪切土的试件，在剪切过程中记录、测算这一预定面的抗剪强度与剪应力。在进行土的直接剪切试验时，最常用的仪器是应变控制式直剪仪。在试验时，通过该仪器向试样的预定面施加法向应力，等速推动下盒，试样在沿上下盒之间的水平面上受剪切直到被破坏。试验过程中的剪应力通过与上盒接触的量力环确定。在试验过程中，随着法向应力的增加会出现剪切位移，且剪切位移与剪应力之间会产生一个关系曲线，借助这一关系曲线了解试样在受剪切破坏时其性能的变化。

当前，直接剪切试验被具体分为不排水剪切试验也称为快剪试验、固结不排水剪切试验也称为固结快剪试验以及慢剪试验等几种。这三种剪切试验的不同点是剪切时的排水条件、土的固结程度以及剪切加荷速度不同。

通过土的直接剪切试验可知，当剪应力与剪切位移关系曲线中有明显的峰值或是稳定值时，取其作为抗剪强度破坏值，此时试样发生的是脆性破坏。随着剪切位移发生变化，剪应力不断增长，峰值消失或是峰值不再稳定，此时的剪切强度破坏值一般是取剪切位移为4mm时的剪应力。在直接剪切试验中，砂性土、抗剪强度与法向应力之间的关系一般表现为一条通过原点的直线。且黏性土、抗剪强度以及法向应力之间的关系与上述情况大致相似【2】。

2三轴剪切试验

在测定土的抗剪强度这一方面，三轴剪切试验比较科学可靠。在进行三轴剪切试验时，通常是采用3个圆形柱试样，让这3个试样分别承受不同的周围压力（试验过程中周围压力不变），再向试样施加轴向压力让试样接受剪切直到试样被破坏。在试验过程中进行记录与测算，根据相关理论计算出将试样的抗剪强度指标。在对试样进行三轴剪切试验时，通过传力杆向试件施加竖向压力，在竖向压力的作用下，轴向主应力将大于水平向主应力。当轴向主应力逐渐增加而水平向主应力和固定不变时，试件最终会受到剪切破坏。此时记录作用在试件破坏面上的剪应力，并计算出破坏面与大主应力面的倾角。使用同种试验方法对三个以上的试件进行试验，得到每个试件在剪切破坏过程中的大主应力，将各数据进行整合分析并最终绘制出一组极限应力圆。与其它试验方法不同的是，三轴试验能模拟出土体的三轴受力情况，整个试验过程与结果比较清晰直观。并且在采用三轴试验方法时，能根据试验要求对排水条件进行控制，对土样中孔隙水压力进行精准化测量，这有利于保证试验结果的科学性与准确性【3】。

三轴试验同样被具体细分为三种试验方法，分别为不固结不排水剪切试验、

固结不排水剪切试验以及不固结不排水（固结排水剪）试验。分类的依据是土的

在剪切试验前的排水条件以及剪切时的排水条件。其中不固结不排水剪切实验的

要点是：在向试样施周围压力以及偏应力的整个过程中都不排水。由于不排水，

因此在整个试验过程中试样的含水量保持恒定，孔隙水压力也始终存在。固结不

排水剪切试验的要点是：在向试样施加某一周围压力时允许试样排水，在这一试

验过程中将排水阀门打开让试样充分排水。排水至试样固结稳定，将排水阀门关闭，之后向试样施加偏应力，让试样在不排水状态下接受剪切破坏。因为试样在

承受偏应力时是不排水状态，因此在整个试验过程中试样体积不会出现变形。第

三种试验方法的要点是：试验时不进行排水，试验过程中不打开排水阀门，直接

向试件施加竖向作用力直到试件被剪切破坏（试样在施加周围压力时进行试样排水，在这一试验过程中将排水阀门打开让试样充分排水。排水至试样固结稳定，

向试样施加偏应力，剪切过程中应打开排水阀，让试样在边固结边排水状态下进

行剪切破坏。）【4】。

3直接剪切试验与三轴剪切试验的优缺点与适用范围分析

3.1 直接剪切试验

结合以上分析可知，直接剪切试验的优点是易操作，整个试验过程基本依靠

测压仪来完成，并且测压仪的内部结构也相对简单，便于操作，因而直接剪切试

验技术难度低。由于试验过程简单，因而试验效率也就更高，整个试验过程不会

花费太长时间。由此可知，直接剪切试验比较适用于工期紧、对时间要求高的工程。直接剪切试验有优点，同时也有缺点。如在试验过程只中，剪切面上的剪应

力分布不均匀，试验生时先是试样的边缘受到应力，这样容易导致应力集中，从

而影响到试验结果的精准性。在测试饱和性粘土时，试验过程与结果容易受到排

水条件的影响，当排水条件变化性较大时，最终的试验结果也有可能失真失准，

试验结果无法准确反映出土的力学性能，从而影响到建筑工程的设计与施工。此外，在应用直接剪切试验方法时，试样剪切面受到限制，剪切面只是上下盒之间

的平面，而土样最薄弱的面却受不到测试，这就造成最终试验结果难准确反映土

样真实性能。在直接剪切试验中，对排水条件的控制也是一大难点，由于排水条

件不稳定，因而孔隙水的压力也就无法被测量出来，最终造成试验结果失真失准【5】。

3.2三轴剪切试验

相较于直接剪切试验，三轴剪切试验具有以下优点：首先是排水条件可控，

三轴仪能对试验过程中的排水条件做严格控制，排水条件不会对试验过程与结果

产生过大干扰。在试验过程中，孔隙水压力变化情况也能被监测并反映出来，因

此试验结果具有一定的真实性、准确性。其次是在进行三轴剪切试验时应力分布

均匀，不易出现应力过于集中的现象。在试验时，试样的预定面能受到剪切测试，且最终的破裂产生于试样最薄弱的部位，这说明实验结果能真实反映出土的抗剪

强度。尽管三轴剪切试验具有很多优点，但是也不可避免的存在些许缺陷。如与

直接剪切试验的高效率不同，三轴剪切试验需要花费较长时间，测试效率较低。

此外，在进行三轴剪切试验时，土体的主应力呈现出对称性，但在具体的工程中，土体的受力并不对称。因此如果在试验过程中不对这一问题加以重视就有让具体

的施工活动受到误导。综合以上分析得出，三轴剪切试验比较适用于对试验精度

要求高、试验速度要求低的工程。

4结语