直接剪切試驗及應用

寇曉嵐，齊芳云

(西北電力設計院， 陜西 西安 710032)

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直接剪切試驗及應用

寇曉嵐，齊芳云

(西北電力設計院， 陜西 西安 710032)

摘要：依據直接剪切試驗理論，結合室內直接剪切試驗經驗，從直接剪切試驗方法、影響直接剪切試驗的因素、試驗成果數據的解析等方面，探討不同土質直接剪切試驗方法的選擇及成果應用。提出試驗方法的選取應結合土質、施工時間長短、排水等因素綜合考慮。建議20m深度以下的土層及粉土和粉砂不適宜做常規直接剪切試驗；設計者在使用抗剪強度指標時不要片面的認為某些指標異常將其舍棄，而應與所取土樣的地貌單元及地層結構對應起來使用該指標，這樣更能反映土體的真實狀況。

關鍵詞：直接剪切試驗；粘聚力；內摩擦角；荷重序列；剪切速率 。

1 概述

直接剪切試驗是測定土體抗剪強度的一種常用方法，它的理論依據是庫倫強度理論。不論非粘性土或粘性土，抗剪強度與法向應力為線性關系，見公式(1)。

式中：τ為土的抗剪強度(kPa)；c為土的粘聚力(kPa)；σ為作用于剪切面上的法向應力(kPa)； θ為土的內摩擦角(°)。

測定土的抗剪強度具體操作方法為：從土層某個位置取出土樣，制成4個環刀試樣，用不同的垂直壓力作用于試樣上，然后施加剪切力，測得剪應力與位移的關系曲線，見圖1(a)；從曲線上找出試樣的極限剪應力作為該垂直壓力下的抗剪強度。再以抗剪強度為縱坐標，垂直壓力為橫坐標，繪制抗剪強度與垂直壓力關系曲線，見圖1(b)；然后根據庫倫定律確定粘聚力c和內摩擦角φ。

圖1　關系曲線圖

以下以直接剪切試驗的理論基礎為依據，結合工程實踐談談直接剪切試驗及應用。

2 試驗方法的選擇

直接剪切試驗分為快剪(Q)、固結快剪(CQ)和慢剪(S)三種試驗方法。

快剪試驗(Q)是在試樣上施加垂直壓力后立即施加水平剪切力。固結快剪(CQ)是在試樣上施加垂直壓力，待排水固結穩定后施加水平剪切力。慢剪試驗又叫排水剪切試驗(S)，是在試樣上施加垂直壓力和水平剪切力的過程中，均使試樣排水固結。

試驗方法的不同，其結果也不一樣。直接剪切儀的最大缺點是不能有效地控制排水條件，剪切面積隨剪切位移的增加而減小，因而它的使用受到一定的限制。在選用方法時，應使試驗方法盡可能反映土體的特性和工作條件，如預測施工期地基很少排水或來不及發生固結作用時，可選擇快剪試驗，相反可選擇固結快剪或慢剪試驗。

3 垂直荷重的影響

3.1 垂直荷重的選擇

粘性土的抗剪強度與垂直壓力的關系并不完全符合庫侖方程的線性關系。對于正常固結土，在一般荷重(100～400 kPa)作用下可認為是線性關系。但對于超固結土，由于先期固結壓力大于現有自重壓力，在選擇垂直壓力時，應考慮先期固結壓力Pc值，設計壓力小于先期固結壓力，施加的最大垂直壓力不大于Pc；設計壓力大于先期固結壓力，施加的最大垂直壓力應大于設計壓力Pc。通常室內直接剪切試驗垂直壓力最大為400 kPa，而工程實際中，尤其是西北黃土地區，取土試樣深度多達30～40 m，在這個深度范圍內，僅自重壓力都在600 ～800 kPa，顯然比通常的垂直壓力400 kPa大很多，采用最大400 kPa垂直壓力得出的抗剪強度指標與土體實際的抗剪強度可能相差較大。所以20 m深度以下土樣的直接剪切試驗，可根據預估的最大壓力做高壓直接剪切試驗。

3.2 分級施加荷重與一次施加荷重的影響

對于非飽和粘性土一次施加與分級施加垂直壓力對試驗結果影響不大。對于飽和粘性土，一次施加荷重可能會引起試樣被擠出，垂直壓力宜分級施加，垂直壓力序列可選擇50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa，此條件得出的抗剪強度指標可能與垂直壓力序列100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa得出的抗剪強度指標相對偏小，所以在提供的土工試驗成果報告中應做出備注說明，以便設計人在應用該指標時引起重視。

4 剪切速率的確定

剪切速率是影響土的抗剪強度的一個重要因素，它從兩方面影響土的抗剪強度：

一方面是剪切速率對孔隙水壓力的產生、傳遞與消散的影響，即影響試樣的排水固結強度。

另一方面是對粘滯阻力的影響，當剪切速率較高、剪切歷時較短時，粘滯阻力增大，表現出較高的抗剪強度。反之，粘滯阻力減小，所得的抗剪強度降低。在常規試驗中，粘滯阻力的影響通常考慮較少。

快剪試驗應在剪切過程中盡量避免試樣的排水固結。對于高含水率、低密度的土或透水性大的土，即使再加快剪切速率也難免排水固結，所以對這類土宜用三軸儀測定其抗剪強度。

5 剪切試驗破壞值的選定

土的應力—應變關系曲線一般具有3種類型，見圖2。

圖2　剪應力與剪切位移關系曲線

曲線1具有明顯峰值，則取峰值點a作為抗剪強度破壞值；曲線2有趨于穩定值的b點；曲線3剪應力隨剪切位移不斷增加，無峰值或無穩定值。對于曲線2、曲線3取剪切位移為4 mm對應的剪應力作為抗剪強度值。對于曲線2取不取峰值影響不大，對于曲線3應該會有一定的影響。對于曲線2、曲線3可根據曲線的回歸情況在剪切位移4～6 mm之內取合適的值。另外曲線4是曲線1的一個特例，其有峰值點，但峰值點出現較晚而不是在剪切位移4 mm之前出現，宜取剪切位移 4～6 mm間的峰值作為抗剪強度值。

6 試樣的要求

一組直剪試驗一般需要4個環刀試樣，對其結果進行線性回歸取得抗剪強度。4個環刀試樣應勻質，線性回歸的相關性才緊密。

在工程實踐中，由于土質不均，經常會出現抗剪強度與垂直壓力關系曲線上4個點的相關性不好，尤其是粉土常出現粘聚力為負的現象。若把試樣按照密度從大到小或從小到大順序排列進行比較，對粘性土影響不大，但對砂性土和粉土有較大的差異。如陜北定邊某工程，試樣直剪試驗結果見表1及圖3。

圖3　密度排列試驗曲線

表1　不同密度序列下粉土的抗剪強度指標

從圖3及表1中可以看出粉土按密度排序不同，其試驗結果存在一定的差異。按密度從大到小排列進行剪切試驗，可解決粘聚力為負的現象，但內摩擦角相對小些。密度從小到大排列進行剪切試驗內摩擦角相對大些，但粘聚力可能會出現負值。一個土樣受力相同，內摩擦角和粘聚力應是一個固定值。剪切試驗關鍵的還是要控制密度、含水率。只要一組試樣四個環刀的密度、含水率控制在合理的范圍，做出的結果應該是一致的。直剪試驗適用的范圍為滲透系數小于10-6cm/s的土層，而粉土的滲透系數通常都大于10-6cm/s，因此粉土做直剪試驗應考慮這些因素。

試樣密度、含水率是影響抗剪強度的重要因素，制樣時應盡可能保證試樣均質，即4個試樣的含水率和密度保持一致。通常含水率變化不會很大，密度差異宜控制在0.03 g/cm3內，這樣做出的試驗結果比較合理。

7 不同狀態下土的抗剪強度指標對比

土在天然狀態和飽和狀態下的直剪試驗結果差別比較大。對于大多數粘性土，飽和狀態下的粘聚力和內摩擦角與天然狀態下相比都會有所降低。詳見表2。

表2　粉質粘土在天然狀態下與飽和狀態下抗剪強度(快剪)指標對比

對于粉土飽和狀態下粘聚力顯著降低，尤其是黃土狀粉土，飽和時粘聚力基本為零或為負，粘聚力普遍減少10%～90%，而內摩擦角有的降低有的增加，大部分內摩擦角減少3%～30%，個別略有增加，見表3。有的黃土試樣甚至無法進行試驗，這也是黃土地區易出現滑坡的主要原因。所以黃土狀粉土進行浸水剪切試驗應慎重考慮。

表3　粉土在天然狀態下與飽和狀態下抗剪強度(快剪)指標對比

8 成果數據解析與建議

抗剪強度不但與土體的顆粒組成、礦物成分、粘粒和可溶鹽含量等有關，還與含水率和密實程度相關。含水率越低，密實程度越高，則抗剪強度越大，主要體現在內摩擦角上。例如山西河津某地區強夯土，內摩擦角可高達400以上；陜北某地區粉土壓實系數0.93～0.95，含水率小于10%，干密度1.60 g/cm3左右，內摩擦角基本在340左右。

抗剪強度指標是一個綜合指標，不能片面的去套用某類土質的指標范圍，特別對堅硬或強夯土質，更不能套用原先的經驗值來判斷指標的正確與否。設計者在使用抗剪強度指標時不要片面的認為某些指標異常將其舍棄，而是應與所取土樣的地貌單元以及地層結構對應起來使用該指標，這樣更能反映土體的真實狀況。

參考文獻：

[1] 南京水利科學研究院土工研究所．土工試驗技術手冊[K]．北京：人民交通出版社，2003．

[2] 馮志炎．濕陷性黃土地基[M]．北京：科學出版社，1970．

[3] 《工程地質手冊》編委會．工程地質手冊[K]．北京：建筑工業出版社，2007．

[4] GB/T 50123－1999，土工試驗方法標準[S]．

Viewpoint of Direct Shear Test and its Applications

KOU Xiao-lan, QI Fang-yun
(Northwest Electric Power Design Institute, Xi'an 710032, China)

Abstract:This article discusses the selections of direct shear test methods to different soil qualities based on the theory of direct shear test, combining the experience of indoor direct shear test, from the methods of direct shear test to the influence factors on direct shear test and to the resolutions of experimental results data. It proposes that the selections of experiment methods should comprehensively take the factors, such as soil quality time length of construction and dewatering into consideration. It suggests that the soil layers under depth of 20 meters , powder soil and powder sand are unfit for regular direct shear test. Also suggests that the designers should not unilaterally consider some indexes abnormal and abandon them while using the shearing strength indexes, but should use the indexes together with geography unit and geologic strata structures of the sampled soil，it can better reflect the true condition of soil in thus way.

Key words:direct shear test; cohesive force; friction angle; loading sequence; shearing rate.

作者簡介：寇曉嵐(1972- )，女，陜西蒲城人，高級工程師，從事土工試驗、水質分析工作。

* 收稿日期：2015-04-22

中圖分類號：TU4

文獻標志碼：B

文章編號：1671-9913(2015)06-0017-05