直接剪切试验

直接剪切试验

一、试验目的

直接剪切试验就是直接对试样进行剪切试验，简称直剪试验，是测定土的抗剪强度的一种常用方法，通常采用4个试样，分别在不同的垂直压力P 下，施加水平剪切力，测得试样破坏破坏时的剪应力τ，然后根据库伦定律确定土的抗剪强度参数内摩擦角φ和粘聚力c 。

二、试验原理

用库仑公式表示如下：

粘性土 c tg +⋅=ϕστ 非粘性土ϕστtg ⋅= 式中：τ —土体抗剪强度（kPa ） σ—承受的垂直压力（kPa ϕ—内摩擦角 （°）； c —粘聚力（kPa ）。 图6—1τ～σ关系曲线 图6—2τ～△L 关系曲线

三、试验方法

根据土样在剪切过程中孔隙水变化情况的不同，常用的直剪方法有三种：

1.不固结快剪法：加法向力后，讯速施加剪力，在3～5分钟内将土样剪破试样。整个试验过程中土样的含水量保持不变；

2.固结快剪法：施加法向力后，让试样固结排水，产生竖向压缩变形，待固结稳定后，再快速施加水平剪应力使试样剪破。要求试样在剪切过程中含水量保持不变；

3.固结慢剪法：施加法向力后，让试样固结排水，产生竖向压缩变形，待固结稳定后，缓慢施加水平剪力，使试样剪切破坏。要

求试样在剪切过程中孔隙水能及时消散。

四、不固结快剪试验 试验方法适用于渗透系数小于10-6cm/s

的细粒土。

1.试验设备 （1）应变控制直剪仪：由剪切盒、垂

直加压设备、剪切传动装置、测力计、位 移测量系统组成。见图6—3；

（2）环刀：高度20mm ，内径61.8mm 。 （3）天平：感量0.1g 、称量500g ；

（4）百分表：量程10mm ；

（5）其它辅助工具：环刀、饱和器、削土刀、秒表、透水石、滤纸等。

2.试验步骤

（1）按工程需要，从原状土样中切取原状土试样或制备给定干密度及含水率的扰动土试样。切样方法同压密试验；

（2）每组试验至少制备4个试样，按密度试验和含水率试验的方法测定试样的密度和含水率。要求各试样间的重力密度差值不大于0.3kN/m 3，含水量不大于2%；

（3）将上、下盒对准，插入固定销，在下盒内放入透水石和滤纸，将带有试样的环刀刀口向上，刀背向下，对准剪切盒口，放置滤纸和上透水石，将试样慢速推入剪切盒内，移去

环刀，加上传力盖板；

（4）安装滑动钢珠、剪切盒和量力环，施加0.01N/mm 2的预压荷载，转动手轮，将量力环中百分表读数调零。

（5）施加垂直压力后，立即拔除固定销，开动秒表，以0.8mm/min 一周的速度匀速转动手轮(每转周剪位移0.2mm)，使试样在3～5min 内剪切破坏。手轮每转一周，记录一次量力环内量表读数一次，直至土样剪切破坏，记录表见表6—1。

剪切破坏标准为：

当量力环中的百分表指针不再前进，或有明显后退时，取百分表读数最大值；

当百分表指针不后退时，以剪切位移δ=4mm 对应的变形为百分表读数；这时使剪切位 移达到6mm 才停止剪切；

（6）剪切完后，倒转手轮，移去垂直压力，重复（2）～（5）的步骤对余下的试样进行不同垂直压力作用下的试样剪切。

3.试验记录、试验成果整理

（1）计算剪应力：

100

⨯⋅=A R C i i τ （6—1） 式中：i τ—各级垂直压力下试样剪应力（kPa ）；

i R —各级垂直压力下剪损时量力环量表读数（0.01mm ）

； C —量力环系数（kPa/0.01mm ）

（2）计算剪切位移：

i R n L -=∆2.0 （6—2） 式中：ΔL—剪切位移(mm)；

0.2—手轮每转动一周剪切盒位移（mm ）；

n —手轮转动周数。

（3）绘制剪应力垂直应力关系曲线τ～p ，见图6—1，并确定内聚力c 和内摩擦角ϕ。

（4）绘制各级垂直压力下，剪应力与剪位移的关系曲线τ～△L ，见图6—2。

五、固结快剪试验

试验方法适用于渗透系数小于10-6cm/s 的细粒土。

1.仪器设备和按装土样同快剪试验。但直剪仪上需安装垂直位移量表；

2.施加垂直压力后，使试样在法向应力作用下排水固结,若系饱和试样，在垂直压力加上5min 以后，往剪切盒中注水,若系非饱和试样，在剪切盒四周塞上湿棉花，防止水分蒸发；

3.当试样在法向应力作用下压缩稳定后（压缩稳定标准为垂直变形不大于0.005mm/h ），测记试样压缩变形量；

4.按快剪试验的第（2）～（4）的步骤施加剪力，直到试样剪切破坏；

5.剪应力计算同不固结快剪试验。

六、固结慢剪试验

1.仪器设备和按装土样同固结快剪试验，施加垂直压力后，每1h 测读垂直变形一次，直至试样固结变形稳定，变形稳定标准为不大于0.005mm/1h ；

2.当试样固结完成后，拔去固定销，以小于0.02mm ／min 的剪切速率进行剪切，试样每产生0.2~0.4mm 剪切位移测记测力计和位移读数，直至测力计读数出现峰值，出现峰值后，应继续剪切至剪切位移为4mm 时停机，记下破坏值；

3.当剪切过程中测力计读数无峰值时，应继续剪切至剪切位移为6mm 时停机。

4.当需要估算试样的剪切破坏时间，可按下式计算：

t f=50t50（6—3）式中：t f—达到破坏所经历的时间（min）；

t50—固结度达到50%时所需要的时间（min）。

5.剪应力计算同不固结快剪试验。

七、说明和注意事项

1.直剪试验得到的抗剪强度参数c、ϕ值用如下符号表示：快剪c q，ϕq；固结快剪c cq，ϕcq；慢剪c s,ϕs；

2.快剪、固结快剪适用于渗透系数小于10-6cm/s的细粒土，对渗透系数大于10-6cm/s的土应采用三轴仪进行试验；

3.软粘土和砂土规范建议采用三轴试验，而不进行直剪试验；

4.对于超固结粘土和密实砂土，会发生剪胀现象，得到的抗剪强度偏大。

5．为绘制完整的剪应力与剪切位移的关系曲线，易于建立破坏值，剪切过程中测力计读数有峰值时，应继续剪切至剪切位移达4mm，测力计读数无峰值时，应剪切至剪切位移达6mm。