室内剪切试验方法综述和对比

室内剪切试验方法综述和对比

祝雪红

山东正元建设工程有限责任公司山东济南250014

摘要：土的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要的性质之一；是确定地基土承载力的关键指标，在地基与基础工程设计中至关重要。本文主要介绍了与土的抗剪强度的有关的试验，并对于相关试验优缺点进行评价分析。

关键词：室内剪切试验；对比

前言

土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要力学性质之一。在土力学中，采用摩尔——库仑强度准则，用内摩擦角和内聚力两个指标描述土的抗剪强度规律，即在土的破裂面上，抗剪强度随法向应力增长的规律。土的抗剪强度在计算承载力、评价地基稳定性以及计算挡土墙土压力时，都有重要的应用。因此，正确的测定土的抗剪强度，对于计算和评价土体的性质有重要的意义。根据土体受力面和受力方式不同，测定土的抗剪强度的方法和仪器也不同，目前常用的方法主要有室内的直接剪切试验、无侧限抗压强度试验和三轴压缩试验及原位的十字板剪切试验等。本文主要针对直接剪切试验和三轴压缩试验进行分析对比。

1概述

土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限抵抗能力，其数值等于剪切破坏时滑动面上剪应力，是土的重要力学性质指标之一。许多建筑物地基的破坏、人工或自然斜坡的滑动以及挡土墙移动或倾倒等，都是由于土内的剪应力超过其本身的抗剪强度而引起的。因此，研究土的强度特性，主要是研究土的抗剪性。

土是由固体颗粒组成的，土粒间的连结强度远远小于土粒本身的强度，在剪应力作用下，多数土体发生的剪切破坏，并不是土粒本身的破坏，而是土粒间发生相互错动，引起土的一部分相对另一部分沿着某个面发生与剪切方向一致的滑动。

抗剪强度由土颗粒之间的内摩擦角φ以及由胶结物和束缚水膜的分子引力所产生的粘聚力C两个参数组成。在计算承载力、评价地基稳定性以及计算挡土墙的土的压力时，都要用到抗剪强度指标。偏高或偏低的估计土的抗剪强度，都会给工程带来破坏和浪费。因此，提供准确可靠的抗剪强度指标、合理地使用抗剪强度指标在工程上具有重要意义。

2测定土的抗剪强度的方法

实验室测定土的抗剪强度主要通过直接剪切试验和三轴压缩试验，其对应的仪器为直接剪切仪和三轴压缩仪。

3试验方法的对比

3.1直接剪切试验

3.1.1概述

直接剪切试验是土的抗剪强度测定的一种常用方法。通常做法是：采用四个试样为一组，分别在不同的垂直压力（P）作用下，施加同一速率的水平剪切力进行剪切，以求得破坏时的剪应力（τ）。然后再根据库仑定律确定其抗剪强度指标：内摩擦角φ和凝聚力C。

根据试样试验过程的排水情况，直接剪切试验方法可分为快剪试验、固结快剪试验和慢剪试验三种。

快剪试验：试样在施加垂直压力及剪切的过程中均不排水，抗剪强度指标用cq、φq表示；固结快剪试验：试样在施加垂直压力后，暂不进行剪切试验，而是让试样先完成排水固结，在排水固结稳定后，再施加水平剪切力进行剪切，剪切过程中不排水，抗剪强度指标用ccq、φcq表示；慢剪试验：试样在施加垂直压力及剪切的过程中均排水，抗剪强度指标用cs、φs表示。

工程中有时需测定土的残余抗剪强度，这就要对土进行反复直剪强度试验，即在慢速（排水）条件下，对试样反复剪切至剪应力达到稳定值，以测得土的残余抗剪强度指标cr、φr。

3.1.2原则

选择直接剪切试验方法时，应考虑与现场的施工加荷条件一致，根据地基土的实际受力情况和排水条件选用合适的试验方法。

3.2三轴压缩试验

三轴压缩试验是测定土的抗剪强度一种比较完善的方法。它通常用3～4个圆柱形试样，分别承受不同的周围压力并保持周围压力不变，然后施加轴向压力，进行剪切直至破坏，再根据摩尔-库仑理论，求得抗剪强度指标。

三轴试验能够模拟土体的三轴受力情况和可以控制排水条件以及可以量测土样中孔隙水压力的变化。其剪切破坏面不是人为规定的。如果试样土质均匀，剪切破坏面与主应力夹角θ＝45'+φ2。若存在软弱结构面，则剪切破坏面沿着软弱结构面发展。

根据土样剪切前固结的排水条件和剪切时的排水条件，三轴试验可分为以下三种试验方法。

1）不固结不排水剪（UU试验）。试样在施加周围压力和随后施加偏应力直至剪坏的整个试验过程中都不允许排水，这样从开始加压直至试样剪坏，土中的含水量始终保持不变，孔隙水压力也不可能消散。

2）固结不排水剪（CU试验）。在施加某一周围压力时，将排水阀门打开，允许试样充分排水，待固结稳定后关闭排水阀门，然后再施加偏应力，使试样在不排水的条件下剪切破坏。由于不排水，试样在剪切过程中没有任何体积变形。

3）固结排水剪（CD试验）。在施加周围压力和随后施加偏应力直至剪坏的整个试验过程中都将排水阀门打开，并给予充分的时间让试样中的孔隙水压力能够完全消散。

4直接剪切试验和三轴压缩试验优缺点分析

直接剪切试验和三轴压缩试验都是室内常用测定土的抗剪强度的方法，但由于技术条件和设备的原因两种试验方法测定土的抗剪强度存在一定的差异性，这就需要我们正确的认识两种试验的区别，选用合适的试验方式测定土的抗剪强度。

1）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。

2）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。

5直接剪切试验和三轴压缩试验的选择

土的抗剪强度指标确定将因所采用的分析方法不同而不同。直剪试验方法中的“快剪”和“慢剪”相对于三轴试验中的“不排水剪”和“排水剪”，所以，当把慢剪与排水剪，快剪与不排水剪，固结快剪与固结不排水剪一一对比分析之后，便可明确在实际工程中不同试验方法及相应的强度指标的选用条件。

根据不固结不排水剪和固结不排水剪这两种试验方法的排水条件，我们可以确定其适用的工程情况。不固结不排水剪相应于所施加的外力全部为孔隙水压力所承担，土样完全保持初始的有效应力状况；固结不排水剪的固结应力全部转化为有效应力。因此，对于可能发生快速加荷的正常固结粘性土上的路堤进行稳定分析时可采用不固结不排水的强度指标；对于土层较厚、渗透性较小、施工速度较快工程的施工期分析也可采用不固结不排水剪的强度指标。反之，当土层较薄、渗透性较大、施工速度较慢工程的竣工期分析可采用固结不排水剪的强度指标；对于工程情况不是很明了，强度指标的选用因根据实际情况和经验进行选用。

由于直剪试验不能完全控制排水条件，其测定的不排水剪强度指标和三轴测得的有一定的差异，所以对于强度试验方法应该根据实际的工程情况和自身需要进行选用。

6结语

在实际工作中，地基条件和加荷情况不一定十分明确，直剪试验和三轴试验是在理想化的室内试验条件下进行的，与实际工程之间存在一定的差异，因此，工程技术人员在选用指标前需要具体分析地基的各种条件，并结合类似工程加以判断，提出能反映实际的剪切方法和试验要求。

参考文献

［1］李珍秀，江兆云，尚思良.室内土体剪切试验方法比较及结果分析资源环境与工程Vol22，No1.

［2］李巧梅.试验室测试土的抗剪强度指标的方法及其应用广东水利水电，2000.