不同剪切试验数据差异性比较

摘要：土作为常用的工程材料，对研究土的特性有实际的工程意义。通过土的压缩实验可以测定土体的压缩变形与荷载的关系；土的液塑限联合测试实验可以计算土的天然稠度及塑性指标；土的抗剪强度是建筑物安全稳定的重要力学性质指标，对土的强度特性进行研究的重要指标之一。估计土的抗剪强度过高或过低都会破坏工程，并带来浪费。一般在岩土工程勘察中测定土的抗剪强度指标要采用直接剪切或者三轴试验。但是不同要求要选择不同的剪切试验手段，所得的结果也是不一样的。

关键词：三轴实验；直接剪切实验；抗剪强度；

1.常规三轴实验

测定天然土体试件在某一固定周围压力下的抗剪强度 ，是根据摩尔-库仑破坏准则测定土体的强度参数：凝聚力、内摩擦角 ；三轴压缩试验是用来测定土样试件在某一固定周围压力下的抗剪强度，然后根据三个以上试件，在不同周围压力下测得的抗剪强度，利用摩尔-库仑破坏准则确定土体的抗剪强度参数。一般认为，土体的破坏条件用摩尔-库仑破坏准则表示比较符合实际情况。即土体在各向主应力的作用下，作用在某一应力面上的剪应力与法向应力之比达到某一比值，土体将沿该面发生剪切破坏，而与作用的各向主应力的大小无关。摩尔-库仑破坏准则的表达式为：

常规三轴试验是取3~4个圆柱体试样，分别在其四周施加不同的恒定周围压力（小主应力），随后逐渐增加轴向压力（大主应力）直至破坏为止。

2.液塑限试验

土的天然含水量在一定程度上反映土中水量的多少。但仅仅天然含水量并不能说明土处于什么物理状态，因此还需要一个能够表示天然含水量与界限含水量关系的指标，即液性指标IL。

式中：w——天然含水量；

wL——液限；

wp——塑限。

必须通过液塑限试验对其进行确定。

3.直接快剪和固结快剪

计算地基的天然强度可用直接快剪，而计算地基承载力及稳定性则用固结快剪。直接快剪试验的环刀采用Φ61.8×20mm对原状试样进行切取，3至4块为一组，密度差不能大于0.03g/cm³。剪切容器上下盒对准，将固定销插入，透水板及硬塑料薄膜放在下盒内，环刀上带有试用将刀刃口向上，对剪切盒口，硬塑料薄膜及透水板放在试样上，并将其慢慢推入剪切盒内，按100、200、300、400kPa或者按照50、100、150、200kPa施加垂直压力向盒内注水，将固定销拔去，剪切速率以0.8mm/min剪切直到试验完成。3~5min将试样剪损。固结快剪试验的环刀采用Φ61.8×20mm对原状试样进行切取。3至4块为一组，密度差不能大于0.03g/cm³。按100、200、300、400kPa或者按照50、100、150、200kPa对试样施加垂直压力，待试样排水固结每小时变形量小于0.005mm变形稳定后，按快剪方法进行剪切。运用对同一试样用不同直接剪切方法对不同类型的试样进行比对试验。结果如表1所示。

表1对比直接快剪及固结快剪数据

表1中对比直接快剪及固结快剪抗剪强度数据，可看出淤泥质黏土与淤泥质粉质黏土的Φ值变化大，c值略有增大；粉土的直接快剪的抗剪强度跟固结快剪的相似，因为其Φ值及c值变化都很小。粉质黏土的IL>0.25，则Φ值有较大的变化，c值略增大，反之则Φ值跟c值变化不大。

固结快剪的试样密度增大是利用施加垂直压力的办法通过试样孔隙排出水，试样含水率越大，其抗剪强度变化也大。垂直静止压力不能将粉土水分排出，只通过震动及扰动方式将水液化，所以抗剪强度变化较小。试样为硬塑时，土骨架结构即使是垂直加压也不能破坏，也所抗剪强度变化较小。

4．直接快剪和三轴不固结不排水剪

三轴不固结不排水剪是对试样施加围压及增加轴向压力向其在被破坏过程中不允许排水，得出的抗剪强度可计算地基的天然强度。用同一类试样进行直接快剪及三轴不固结不排水剪进行对比，它们都属于不固结不排水剪切。制备一圆柱形试样高80mm，直径39.1mm，3至4块为一组，依次在三轴仪压力室底座放置不放透水板、试样和不透不样帽，承膜筒将橡皮膜套在试样外，并将橡皮膜两端与底座及试样帽用橡皮圈分别扎紧。以100、200、300．400 kPa向周围施加压力，剪切速率以0.8mm/min进行测力计读数稳定，当无峰值出现时，剪切以轴向应变为15%~20%结束。按照《土工试验方法标准》进行直接快剪，试验结果如表2。

表2对比直接快剪与不固结不排水剪

上表可知，直接快剪没测得的抗剪强度比三轴不固结不排水普遍偏大。

直接快剪的剪切面是固定的，剪切位移的增加使剪切面积相应减小，不均匀分布的剪应力及剪应变，也不能对排水严格控制，剪切盒缝隙拓排出部分水分，使试样内摩擦角偏大。三轴不固结不排水剪切面是不固定的，沿着土样抗剪能力最弱的地方面剪切面破坏，均匀分布剪应力及剪应变，对排水严格控制，其结果接近土的实际理论值。

5．不固结不排水剪与因结不排水剪

三轴固结不排水剪试验在某一周围压力下将土样排水固结，然后保持不排水，通过轴向压力的增加破坏试样。用来考虑上部荷载易引起地基强度增大，计算固结后地基稳定性及或基坑稳定性。用同一类土样进行不固结不排水剪及固结不排水剪对比试验，将水通过孔隙水压力系统及压力室底座达到排气目的，制作圆柱形土样直径为39.1mm，高80mm。3至4块为一组，依次在三轴仪压力室底座放上透水板、、湿滤纸、试样、湿滤纸、透水板，将7~9条的滤纸条贴在土样周围，承膜筒将橡皮膜套在试样外，并扎紧将橡皮膜两端与底座及土样帽。将管内水面降低到土样中心20~40cm以下，将土样及橡皮膜间的余水吸除，再按100、200、300、400 kPa向其施加周围压力，排水固结至稳定，剪切速率以0.1mm/min进行，直到测力计计数稳定。当无峰值出现时，剪切以轴向应变为15%~20%结束。不固结不排水剪的试验方法按《土工试验方法标准》执行，结果如表3所示。

表3对比不因结不排水剪与固结不排水剪数据

上表可知固结不排水剪总抗剪强度比不固结不排水剪大。淤泥质黏土固结不排水剪Φ及c值变化较大。粉土固结不排水剪的Φ值小于不固结不排水剪的，且c值变化更大。

固结不排水剪排水固结过程是三轴方向的，滤纸条的粘贴使土样更充分排水固结。淤泥质黏土排水固结后土样密度增大，粉土状态也变密实了。

6．固结快剪与三三轴固结不排水剪

这两种都属于固结剪切，对同一试样对比固结快剪及固结不排水剪试验，按照国际《土工试验方法标准》如果如表4所示。

表4对比固结快剪及固结不排不剪

上表可知，固结不排水剪总抗剪强度比固结快剪的大。

固结快剪及固结不排水剪的固结排水的方向分别是垂直及三轴方向的，固结快剪排水更充分。固结快剪与固结不排水剪剪切方法不一样，前者是水平施加剪应力破坏试样，开始的土样剪损面是固定的；而三轴固结不排水剪通过在垂直方向施加主应力破坏土样，地址栏剪损面不固定，Φ及c值变化较大。

7.结束语

运用不同剪切方法对同一土样进行实验会得出不同的抗剪强度，其差异是因为受荷机理和试验方法的不同。实际工程中地基条件及加荷情况不明确，而直剪实验和三轴实验是在室内进行的，所以实验结果与实际存在着差别，所以要提前分析地基的条件并结合之前的经验加以判断，进而提出更好的剪切方法和实验要求得出指标。国际中直接剪切实验只适用于渗透系数小的高塑性黏土。因为其简单所以被普遍应用于工程上，而结果表明，三轴试验反映土体的抗剪强度更合理。所以一些重要的工程尽量采用三轴剪切实验。

参考文献：

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