土的抗剪强度试验方法(经典)

土的抗剪强度试验方法

【中国地质大学（武汉）工程学院】

抗剪强度指标c、φ值，是土体的重要力学性质指标，正确地测定和选择土的抗剪强度指标是土工计算中十分重要的问题。

土体的抗剪强度指标是通过土工试验确定的。室内试验常用的方法有直接剪切试验、三轴剪切试验；现场原位测试的方法有十字板剪切试验和大型直剪试验。

一、直接剪切试验

(一)试验仪器与基本原理

直剪试验所使用的仪器称为直剪仪，按加荷方式的不同，直剪仪可分为应变控制式和应力控制式两种，前者是以等速水平推动试样产生位移并测定相应的剪应力；后者则是对试样分级施加水平剪应力，同时测定相应的位移。目前常用的是应变控制式直剪仪（示意图）。

试验时，垂直压力由杠杆系统通过加压活塞和透水石传给土样，水平剪应力则由轮轴推动活动的下盒施加给土样。土体的抗剪强度可由量力环测定，剪切变形由百分表测定。在施加每一级法向应力后，匀速增加剪切面上的剪应力，直至试件剪切破坏。

将试验结果绘制成剪应力τ和剪切变形S的关系曲线（见图5-9）。一般地，

。

将曲线的峰值作为该级法向应力下相应的抗剪强度τ

f

变换几种法向应力σ的大小，测出相应的抗剪强度τ

f

。在σ-τ坐标上，绘制曲线，即为土的抗剪强度曲线，也就是莫尔-库伦破坏包线，如图5-10所示。

(二)试验方法分类

为了在直剪试验中能尽量考虑实际工程中存在的不同固结排水条件，通常采用不同加荷速率的试验方法来近似模拟土体在受剪时的不同排水条件，由此产生了三种不同的直剪试验方法，即快剪、固结快剪和慢剪。

（1）快剪。快剪试验是在土样上下两面均贴以腊纸，在加法向压力后即施加水平剪力，使土样在3~5分钟内剪坏，由于剪切速率较快，得到的抗剪强度指标用

c q 、φ

q

表示。

（2）固结快剪。固结快剪是在法向压力作用下使土样完全固结。然后很快施加

水平剪力，使土样在剪切过程中来不及排水，得到的抗剪强度指标用c

cq 、φ

cq

表示。

（3）慢剪。慢剪试样是先让土样在竖向压力下充分固结，然后再慢慢施加水平剪力，直至土样发生剪切破坏。使试样在受剪过程中一直充分排水和产生体积变

形，得到的抗剪强度指标用c

s 、φ

s

表示。

(三)试验优缺点和适用范围

直接剪切试验是测定土的抗剪强度指标常用的一种试验方法。它的优点是具有仪器设备简单、操作方便等。

它的缺点主要包括：

l）剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的面剪切破坏；

2）剪切面上剪应力分布不均匀；

3）在剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而在计算抗剪强度时仍按土样的原截面积计算；

4）试验时不能严格控制排水条件，并且不能量测孔隙水压力。

直剪试验适用于二、三级建筑的可塑状态粘性土与饱和度不大于0.5的粉土。

二、三轴剪切试验

(一)试验仪器与基本原理

三轴剪切试验仪（也称三轴压缩仪）由受压室、周围压力控制系统、轴向加压系统、孔隙水压力系统以及试样体积变化量测系统等组成。

实物图构造示意图

试验时，将圆柱体土样用乳胶膜包裹，固定在压力室内的底座上。先向压力

室内注入液体(一般为水)，使试样受到周围压力σ

3，并使σ

3

在试验过程中保

持不变。然后在压力室上端的活塞杆上施加垂直压力直至土样受剪破坏。

设土样破坏时由活塞杆加在土样上的垂直压力为Δσ

1

，则土样上的最大主

应力为σ

1f =σ

3

+Δσ

1

，而最小主应力为σ

3f

。由σ

1f

和σ

3f

可绘制出一个莫尔圆。

用同一种土制成3~4个土样，按上述方法进行试验，对每个土样施加不同的

周围压力σ

3，可分别求得剪切破坏时对应的最大主应力σ

1

，将这些结果绘成一

组莫尔圆。根据土的极限平衡条件可知，通过这些莫尔圆的切点的直线就是土的抗剪强度线，由此可得抗剪强度指标c、φ值(图5-11)。

图5－11 三轴试验基本原理

(a)试样围压 (b)破坏时试样主应力 (c)应力圆与强度包线

有关直剪试验的进一步内容请进入三轴试验指导（内容包括试验方法、设备图片、试验录象等)：

三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种方法。它通常用3-4个圆柱形试样，

分别在不同的恒定周围压力（σ

3）下，施加轴向压力，即主应力差（σ

1

-σ

3

），

进行剪切直到破坏；然后根据摩尔-库伦理论，求得抗剪强度参数。

适用于测定细粒土及砂类土的总抗剪强度参数及有效抗剪强度参数。

本次试验主题词：周围压力；轴向压力；不固结不排水剪；固结不排水剪；固结排水剪。

(二)试验方法分类

按剪切前的固结程度和剪切过程中的排水条件三轴试验可分为三种类型：

（1）不固结不排水试验（UU）

试验过程由始至终关闭排水阀门，土样在剪切破坏时不能将土中的孔隙水排出。土样在加压和剪切过程中，含水量始终保持不变，得到的抗剪强度指标用

c u 、φ

u

表示。

观看试验过程动画演示

（2）固结不排水试验（CU）

先对土样施加周围压力，将排水阀门开启，让土样中的水排入量水管中，直至排水终止，土样完全固结。然后关闭排水阀门，施加竖向压力Δσ，使土

样在不排水条件下剪切破坏，得到的抗剪强度指标用c

cu 、φ

cu

表示。

观看试验过程动画演示

（3）固结排水试验（CD）

在固结过程和Δσ的施加过程中，都让土样充分排水(将排水阀门开启)，使土样中不产生孔隙水压力。故施加的应力就是作用于土样上的有效应力，得到

的抗剪强度指标用c

cd 、φ

cd

表示。

观看试验过程动画演示

(三)试验优缺点

优点：

（1）UU试验可严格控制排水条件；

（2）CU试验可量测孔隙水压力；

（3）CD试验破裂面在最软弱处。

缺点：（1）σ2=σ3，轴对称；（2）实验比较复杂（四）试验成果整理：

1．不固结不排水试验

（1）轴向应变应按下式计算。