直剪實驗可靠性因素分析

胡健，王芳

（湖州職業技術學院，浙江 湖州 313000）

直剪實驗可靠性因素分析

胡健，王芳

（湖州職業技術學院，浙江 湖州 313000）

從土體抗剪切強度的本質著手，介紹了直接剪切實驗的原理、操作方法以及實驗存在的問題，詳細闡明了實驗的關鍵要點，分別從內在的系統誤差和外在的偶然誤差兩個方面分析了誤差的來源，并重點針對實驗偶然誤差提出了改進方法，以期對土工直剪實驗的精準度有更好的提高。

抗剪強度；直剪實驗；實驗偶然誤差；精準度

1 概述

土體區別于一般的建筑材料，它是一種碎散的三相堆積物，土體的性質由于自然界風化作用的不確定性造就了其性質上的各向異性及沿深度的不均勻性。建筑物建造過程中，土體直接承受的建筑物基礎傳遞過來的基底壓力，理論及經驗均表明，土體的破壞是一種顆粒與顆粒之間的相對運動導致的滑移破壞，因此土體的強度實質上它的抗剪強度。

目前工程上測定土體的抗剪強度的實驗方法有室內實驗和現場實驗方法，室內實驗方法包括三軸實驗、直剪實驗、無側限壓縮實驗以及其他室內試驗方法。由于直剪實驗實驗（圖1）設備簡單、易于操作，目前在我國工程界應用最廣。

圖1 應變控制式直剪儀

土的抗剪強度是土在外力作用下，其一部分土體對于另一部分土體滑動時所具有的抵抗剪切的極限強度。直接剪切實驗是將同一種土制作的幾個試樣分別在不同的垂直壓力作用下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力，得到破壞時的剪應力，然后根據庫侖定律，確定土的抗剪強度指標：內摩擦角和凝聚力，這兩個指標對計算地基承載力、基坑支護結構設計、邊坡穩定性分析等應用中都必不可少。

2 剪切實驗原理及操作

2.1 實驗原理

土的破壞都是剪切破壞，土的抗剪強度是土在外力作用下，其一部分土體對于另一部分土體滑動時所具有的抵抗剪切的極限強度。土體的一部分對于另一部分發生位移至極限平衡狀態時，便認為該點發生了剪切破壞。無粘性土的抗剪強度與法向應力成正比；粘性土的抗剪強度除和法向應力有關外，還決定于土的粘聚力。土的摩擦角φ、粘聚力c是土壓力、地基承載力和土坡穩定等強度計算必不可少的指標。

實驗用到的儀器主要有應變控制式直剪儀百分表、天平、環刀、秒表、飽和器、透水石、削土刀等。

2.2 實驗操作

第一步是取樣。按要求的干密度，稱出一個環刀體積所需的風干試樣。實驗采用的是擾動土試樣。制備4份試樣，在4種不同豎向壓力下進行剪切試驗。

第二步是儀器調試及試樣安裝。

儀器調試目的主要是調整杠桿水平、使儀器各部分接觸良好、使百分表和量力環接觸良好。試樣安裝的操作如下。對準上、下剪切盒并插入固定銷釘。在下盒內放入透水石一塊，其上放不透水蠟紙一張。將切取土樣的環刀刀口向上對準上剪切盒口，在土樣上面放上蠟紙一張，用推土器堆入剪切盒中，移去環刀，并在蠟紙上放塊透水石，然后依次加上傳壓蓋板，鋼珠及加壓框架。

第三步是施加荷載。每組試驗不少于4個試樣，分別在不同的垂直壓力下剪切。施加完每一級垂直壓力后，應當進行水平剪切荷載的施加，根據工程實際條件可選用快剪、固結快剪和慢剪這三種實驗方法。水平剪切操作的關鍵如下：首先轉動手輪，使上盒前端鋼鉸與量力環接觸，調整百分表計數為零；其次撥出固定銷釘、開動秒表，按照規范按照不用的實驗方法選用不同的剪切速度，使試樣在一定的時間內剪切破壞，或者沒有發生剪切破壞剪切位移達到4mm也可以認為破壞，剪切過程中手輪應當勻速度轉動并使杠桿水平。

第四步是數據后處理。首先根據百分表讀數計算剪切位移和剪應力，從而繪制出剪切應力和剪切位移的關系曲線（圖2），并經曲線得出土體在一定垂直壓力下的抗剪切強度，最后可以得出抗剪強度和垂直壓力的關系曲線（圖3），并由曲線可以計算出土體的抗剪強度指標。

由表3～4可知：垂向動態相對位移隨著車輛運行速度的增加而增大；曲線軌道工況下，線路扭曲引起電機與車軸間存在側滾偏角，此角度在驅動機構與車軸間附加了一定的垂向位移，故相同速度等級下，曲線軌道工況的動態相對位移值較大。上述各工況下3 σ最大值為11.7 mm。

圖2 剪應力和剪切位移關系曲線

圖3 抗剪強度和垂直壓力關系曲線

3 實驗中存在的問題

土體的直接剪切實驗由于實驗設備簡單、操作方便，已經在建筑工程中廣泛應用。實驗有其本身的客觀不足導致的系統誤差，也有外界主觀導致的偶然誤差。其中系統誤差是無法避免的，除非對儀器的原理進行改進；而偶然誤差采取一定的方法是可以得到控制的，以下分別從這兩個方面進行探討。

3.1 系統誤差

3.1.1 人為固定破壞面

由土體的剪切實驗可知，土體的剪切其實是剪切土體試樣中的水平面，但是土體的剪切破壞面或者說最薄弱面不一定是水平的，實驗人為的限制剪切面得到的剪切強度數據可能不一定能反應土體的準確情況，但是由于固定剪切面會使得實驗操作起來相對簡便，且所得的數據的誤差也在允許的范圍以內，因此目前仍然為工程界普遍接受。

3.1.2 排水條件不明確

直剪實驗方法不能嚴格控制試樣的排水，不能量測剪切過程中試樣內孔隙水壓力的變化，只能根據剪切速率大致實際工程中土體的排水條件。

3.1.3 應力和應變分布不均

在剪切實驗的過程中，隨著剪切位移的不斷增加剪切面積逐漸減小。在實驗資料的分析中，假定試樣中的剪應力分布均勻，而這與實際情況并不吻合。當試樣被剪壞時，靠近剪切盒邊緣的應變最大，而試樣豎向中軸部分的應變相對要小很多，剪切面附近的應變大于試樣頂部和底部的應變。因此，在剪切過程中，特別是剪切破壞時，試樣內的應力和應變，既不均勻又難確定。

偶然誤差的來源主要有土體結構的失真性，試樣密度、含水率的代表性，直剪儀操作的規范性以及認為讀數的偶然性，下面分別對其進行探討。

3.2.1 土體結構的影響

土體的結構直接影響著土體的受力狀態，原味的土體受力狀態是位于地層以下時的狀態，當進行室內實驗時，不可避免的會對土體進行擾動，現場勘探人員取土不規范、土樣的放置、運輸等不得當均會對土體的結構擾動很大，因此，進行直剪實驗的土體在取樣、運輸、放置過程中如果采取一定的保護措施，那么土體的擾動會更加接近土體的原始狀態，實驗得出的數據會更加可靠。

3.2.2 密度、含水量的影響

試樣的密度和含水量會直接影響土體的抗剪強度，因此，實驗要求所采取的四個試樣的密度和含水量數值不能有太大差距，超出范圍的試樣不宜采用，因為得出的數據不準確也不能應用。

直剪儀是測定土體抗剪強度指標的核心部件，因此，操作人員在操作時必須有一套規范，否則做出的數據可能差別較大，比如剪切前沒有施加一定剪切力沒有使儀器各部分緊密接觸，剪切的時候剛開始發生的讀數就不是剪切土體；再比如剪切前百分表讀數沒有歸零，讀出的數據也不能如實反映土體剪切的全部過程。還有其他一些要求是操作中一定要做到的，比如轉動手輪的時候一定要勻速度的加載，杠桿一定要調平等等。由此可知，實驗操作人員水平的不同，會直接影響數據的可靠性。

3.2.4 讀數的影響

直剪實驗是一個經驗性很強的實驗，不同于密度、含水率實驗的是剪切實驗的讀數有很大的不確定性，不同的操作人員可能把握的標準也不一定完全一樣，規范的要求是剪切至土體破壞，或者土體沒有發生破壞的情況下需要剪切到6mm并取剪切應力-應變曲線上位移為4mm時的強度為土體的抗剪強度。關鍵在于土體是否破壞的判定，不同的實驗操作人員可能把握的標準會有區別。

4 小結

直剪實驗用來測定土體的抗剪強度參數，具有一定的工程價值。實驗設備簡單，操作方便，實驗的系統誤差只能通過改進儀器來達到，而實驗的偶然誤差可以采取一定措施進行有效控制，歸納起來主要有以下幾點。

①為確保土體結構的完整性不被破壞，土樣的選取、運輸、放置以及操作工程中應當盡量保證試樣的完整性，減小對試樣的擾動。

②剪切前需要轉動手輪使儀器各部分接觸良好，保證杠桿水平同時使百分表初始讀數歸零。

③剪切試樣過程中，拔掉銷釘的極易疏忽，而這可能導致儀器嚴重損壞。

④轉動手輪的過程中需要控制加載速率的均勻性，避免時快時慢或者停頓的時間，以避免剪切程度的不同而引起的實驗誤差。

⑤為減小讀數誤差，應采用多次測量求平均值的方法并逐步積累經驗。

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TU432

A

1007-7359（2016）06-0173-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.067

胡健（1986-），男，江西九江人，畢業于東南大學土木工程學院，碩士；助教，主要從事地基基礎的教學與研究工作。