浅谈土的直接剪切实验

1 直剪试验的概念和分类

1.1 概念

所谓直接剪切实验, 是指在某一特定面上剪切土的试件, 直接测定该面上的剪应力和抗剪强度的实验。直接剪切实验的主要目的是, 根据已知剪切面上的垂直应力σ与抗剪强度T的关系, 求强度参数c和φ, 以提供稳定检算及确定土体材料性能之用。目前, 直接剪切实验大部分是单面剪切实验 (区别于扭曲剪切和单纯剪切) , 只有1个剪切面, 是将土试件的一侧 (上半部或下半部) 沿剪切面与土试件的另一侧平行错动的剪切实验。直接剪切实验 (直剪实验) 是室内测定土体抗剪强度的一种常用方法。通常用4个试样, 通过测定, 便可方便地为土木工程治理、加固及破坏分析提供所需的土体抗剪强度参数:粘聚力c和内摩擦角φ。该方法因其快捷方便, 结果处理简单, 几经改进后现被广泛采用。也是测定土的抗剪强度最简单的和最老的试验方法。

1.2 分类

按剪切前土的固结程度, 剪切时排水条件以及剪切加荷快慢, 把直剪试验分为快剪、固结快剪、慢剪。同一种土用同1台仪器做试验, 如果采取的试验方法不同, 测得结果往往差别很大, 有时甚至相差十分悬殊, 工程负责人应根据模拟现场条件, 选择接近实际情况的试验方法是非常很重要的。

快剪 (不排水剪) :试样在垂直压力施加后立即进行快速剪切, 试验全过程都不允许有排水现象产生。适用于施工进度快, 排水条件差, 如斜坡的稳定性, 厚度很大的饱和粘土地基。

固结快剪 (固结不排水剪) 试样在垂直压力下, 经过一定程度的排水固结后, 再进行快速剪切。适用于一般建筑物的地基稳定性, 施工期间有一定的固结作用。

慢剪 (排水剪) 试样在垂直压力下, 排水固结后慢慢地进行剪切, 剪切过程中孔隙水可自由排出。一般工程的正常施工进度都不符合这样的条件, 所以, 工程试验中较少直接采用。

2 直剪试验的原理和仪器

2.1 原理

直剪仪分应变式直剪仪、应力式直剪仪两种。应变式直剪仪能够较准确地测定剪切变形曲线的峰值和最后值, 室内较多采用应变式。试验时用环刀切出厚为20mm的圆形土饼, 将土饼推入剪切盒内, 分别在不同的垂直压力P下, 施加水平剪切力进行剪切, 使试样在上下盒之间的水平面上发生剪切至破坏。求得破坏值的剪切应力τ然后根据库伦定律确定土的抗剪强度参数:内摩擦角和凝聚力c。

2.2 仪器

实验仪器一般有:直剪仪、剪切盒、垂直加压框架、剪力传动装置、测力计以及位移量测系统、位移计 (百分表) 环刀、天平、削土刀、饱和器、滤纸、润滑油等组成。

3 直接剪切试验理论

直接剪切试验可直接测出预定剪破而上的抗剪强度, 所用直剪仪为手摇式电动直剪仪。剪切速率有4转/min, 6转/min, 12转/min, 3min~5min剪完, 如果遇到软粘土没有明显峰值时, 则取某一剪位移 (如4mm) 相对应的剪应力作为它的抗剪强度当土体内某部分的剪应力达到了它的抗剪强度, 该部分就开始出现剪切破坏或产牛塑性流动, 最终导致一部分土体产牛滑动, 即整体破坏。剪切试验就是测定土的抗剪强度和强度参数的, 土的抗剪强度规律的表达式为:Tr=C+σlg (φ) 式中:Tr为土的抗剪强度 (k Pa) σ为作用于剪切面上的法向应力 (k Pa) ;c为土的凝聚力 (k Pa) , 对非粘性土c=0;φ为土的内摩擦角 (度) 。

这一公式是剪切试验的理论基础, 根据这一简单公式形成了现行的各种稳定分析方法。

由该式可知, 非粘性土的抗剪强度仅山土体之间的摩阻力形成, 且与法向应力σ成正比, 而粘性土的抗剪强度则包括摩阻力和凝聚力两部分, 后者不随其而改变;对于高塑性粘土其中值很小, 抗剪强度以凝聚力为主, 所以在进行稳定分析时可近似取中二φo。

当然, 影响土的抗剪强度的因素很多, 特别是与土中孔隙水压力的大小有非常密切的关系, 即使是同一种土, φ、中值也不是一个定值, 而是随试验方法与排水条件的不同而发生变化的。天然的原状土样并非都是均匀的, 土壤在成土过程中受到各种因素的影响, 有的土壤含有粗颗粒和砂砾, 有的含有芦根、草根等杂物, 在切土时切入环刀, 有的土在取样过程中受到扰动等等, 所以在剪切过程中, 如何根据不同试验方法合理的选择c、φ值是很重要的。经验做法是同一种土固结快剪c值应当停偏小, φ值应当偏大;饱和快剪值应当偏大, φ值应当偏小;自然快剪则居其中。

如果试验方法相同而土质不同, 在选择c、φ值时就要注意土质的特性, 如果是粘土值c要大, φ值要小, 如果是粉性较大的轻亚粘土值c要小, φ值要大, 亚粘土则居其中;砂土等于零。

4 直剪试验存在的问题

在试验过程中主应力的方向不断变化。当试样剪破时, 靠近剪力盒边缘的应变最大, 而试样中间部分的应变相对要小得多, 剪切面附近的应变又大于试样顶部和底部的应变。所以, 在剪切过程中, 特别是在剪切破坏时, 试样内部的应力和应变既非均匀又难确定。

由于直剪仪构造简单, 试样在剪切时不能严格控制排水, 不能量测试验过程中试样内孔隙水压力的变化。

土往往是不均匀的。直接试验的剪切面限于上下盒之间的平面, 而不同沿土样最薄弱的面剪切。

在剪切过程中, 垂直荷载发生偏移, 土样的剪切面逐渐减小, 但在计算强度时, 仍按土样的原截面积计算。

5 提高直剪试验质量的办法

避免土体结构的严重破坏, 应在取土样方法和设备, 土样运输以及室内试验操作方法等方面, 尽量避免土样扰动。

在剪切过程中, 直剪仪手轮应连续匀速转动, 不应有停顿间歇, 以免试样受力不均匀, 否则, 所测得的剪应力与匀速转动所测得的剪应力有差别, 特别在接近破坏时, 影响更大, 故手轮持续不断地匀速转动。

土是不均匀的, 密度、含水量是影响抗剪强度的重要因素, 因而测定试验前的密度、含水量可以了解试样的均匀性, 按其变化规律来判断试验成果的正确性。

固结快剪, 剪切前要使试样在垂直荷载下充分固结, 快剪应在施加垂直荷载后, 快速施加水平剪切力, 以4~6转/min的均匀速度旋转手轮, 使试样在3min~5min内剪损, , 其目的是为了在剪切过程中尽量避免试样有排水现象, 能保持孔隙水压力基本不消散, 密度基本不变。

新的直剪仪或用久了的直剪仪, 使用过程中的磨损、搬动, 应对直剪仪进行定期检修和校正工作, 包括仪器是否安置稳固;称垂直加压盘、加压框架、加压盖板、透水石等总质量;加压框架竖杆;手轮每转一转, 横轴应前进0.2mm, 法码重量, 量力环率定等, 确保试验的精度提高试验的质量, 减少由仪器给试验带来的误差。

6 结语

直剪仪构造简单, 试样的厚度薄, 固结快, 试验历时短, 操作方便, 仪器盒的刚度大, 试样没有侧向膨胀的可能, 根据试样的竖向变形量就能直接算出试验过程中的试样体积变化, 虽然也有诸多缺点, 但至今在工程实践中仍广泛应用, 也积累了很多宝贵的经验数据, 给出的抗剪强度值仍然有实用价值。当然, 测试土的抗剪强度参数的试验方法很多, 我们可以根据工程的实际情况选择试验方法, 以满足工程设计的需要。

摘要：直剪试验是最直接的抗剪强度的测定方法, 其设备简单, 操作简易。本文简单介绍了实验室内的直剪切实验, 并提出试验中存在的问题及如何提高其试验质量的相关方法。以供参考。

关键词：直接剪切试验,直剪理念,直剪试验质量