直剪試驗常見問題簡析

(西安市地下鐵道有限責任公司， 陜西 西安 710018)

直剪試驗常見問題簡析

陳韌鳴

(西安市地下鐵道有限責任公司， 陜西 西安 710018)

直剪試驗是目前土工試驗方法中操作簡單、使用方便的常規試驗方法，被廣泛應用于工程勘察實踐中，無論是水工、建筑、堤壩、岸坡、擋土墻和高層建筑物能夠承受一定的荷重，這都與土的抗剪強度有密切的關系。如何做到既經濟合理，又能確保建筑物的安全穩定已成為工程技術人員普遍關注的課題。本文簡要介紹了直剪試驗的分類、試驗過程的影響因素、存在問題，通過探討旨在減少試驗誤差，提高試驗成果的準確性，使試驗結果更具有代表性。

抗剪強度 經濟合理 準確性

0 前言

當前城市建設中高層、超高層建筑物日益增多，建筑物的安全穩定已顯得尤為重要。水工、建筑、堤壩、岸坡、擋土墻和高層建筑物能夠承受一定的荷重，都與土的抗剪強度有密切關系。土的抗剪強度是土的重要力學性質指標之一，指土體抵抗剪切破壞的極限能力，數值上等于土體發生剪切破壞時的切應力，土體的破壞，其本質是剪切破壞[1]。

通過試驗測定土的抗剪強度偏高會對工程安全性造成嚴重的影響，甚至危害到建筑物的安全?？辜魪姸葴y定偏低會造成地基處理的復雜化，并會造成整個工程造價的提高。

因此如何做到既經濟合理、又保證建筑物的安全穩定性已成為工程技術人員普遍關注的課題。通過室內試驗快速、準確地測定土的抗剪強度指標，用于評價建筑物的安全穩定性已成為土工試驗人員的重要任務，而直剪試驗是目前諸多土工試驗方法中操作簡單、使用方便的常規試驗方法之一，廣泛應用于工程勘察實踐中。

1 直剪試驗分類

按剪切前土的固結程度、剪切時排水條件以及剪切速率快慢，把直剪試驗分為快剪、固結快剪、慢剪。

快剪（不排水剪）：試樣在垂直壓力施加后立即進行快速剪切，試驗全過程都不允許有排水現象產生。這時垂直壓力大部分由孔隙水來承擔。適用于施工進度快、排水條件差的情況下，如厚度很大的飽和粘土地基。

固結快剪（固結不排水剪）：試驗在垂直壓力下，給予充分時間，使土樣孔隙中的水全部排出而達到完全固結，之后，每加一級水平剪力后，均留足夠時間，使土樣充分排水，這時垂直壓力全部由土粒承擔，再進行快速剪切。適用于一般建筑物的地基穩定性分析，施工期間有一定的固結作用。

慢剪（排水剪）：試樣在垂直壓力下，排水固結后慢慢地進行剪切，剪切過程中孔隙水可自由排出。一般工程的正常施工進度都不符合這樣的條件，所以，工程試驗中較少直接采用。

一般情況下，快剪時土的抗剪強度最低，慢剪時最高，固結快剪居中。

2 試驗過程的影響因素

2.1 剪切試驗中的應力變化

根據直剪試驗的要求，剪切過程中主應力大小應保持不變，試樣在水平推力下發生剪切破壞。實際上剪切過程中，由于上、下剪切盒發生了相對位移，使得試樣也隨之產生相對位移。原來軸向正壓力變成偏壓力，造成試樣發生斜剪。在整個剪切過程中，剪應力分布不均勻的問題始終存在，所以剪切過程中的應力變化是造成剪切試驗偏差的主要原因之一[2]。

2.2 剪切速率

從兩個方面影響：一是影響試樣的排水固結強度，二是對粘滯阻力的影響。應嚴格按照不同剪切試驗要求的速率進行試驗。

實踐證明，剪切速率對砂土抗剪強度影響很小，但對粘性土抗剪強度的影響比較明顯，粘性土的抗剪強度一般會隨剪切速率提高而增加。剪切速率對內摩擦角影響不大。

2.3 土樣密度與含水率

土樣密度和含水率也是影響抗剪強度的重要因素之一，通常而言，土的天然密度大，其抗剪強度就高。對于粗粒土，密度越大則顆粒之間的咬合作用力越強，因而摩阻力就越大；對于細粒土，密度越大則說明顆粒間的距離越小，水膜越薄，因而原始粘聚力也越大。

而含水率增大使土的抗剪強度降低，原因在于：一是水分在粗顆粒之間起到潤滑作用，使摩阻力降低；二是粘土顆粒表面結合水膜的增厚使原始粘聚力減小。含水量對砂土的摩擦角影響不大，對粘性土影響較大。

2.4 垂直荷重

一般而言，應當根據土的軟硬性質和實際的工程需要選擇合適的垂直荷重。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50kPa、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100kPa、200 kPa 、300 kPa、400 kPa得出的抗剪強度指標相對偏小，在提供的土工試驗成果報告中應做出備注說明，以便設計人員在應用該指標時引起重視。

已有研究成果表明，對于一般性土體，不同垂直壓力下土體抗剪強度差別往往不大，相比較而言，在相同條件下，較大垂直壓力下測得的粘聚力會偏高，摩擦角會偏小。

另外，粘性土觸變性、土的蠕變、土的滲透性、試驗溫度等因素也會對直剪試驗結果產生影響。

3 直剪試驗存在問題

⑴在試驗過程中主應力的方向不斷變化，當試樣剪破時，靠近剪力盒邊緣的應變最大，而試樣中間部分的應變相對要小得多，剪切面附近的應變又大于試樣頂部和底部的應變。所以，在剪切過程中，特別是在剪切破壞時，試樣內部的應力和應變既非均勻又難搞定。

⑵由于直剪儀構造簡單，試樣在剪切時不能嚴格控制排水條件,不能量測試樣中的孔隙水壓力及其變化。直剪中的快剪試驗定義為不固結不排水剪切，但是在真正試驗過程中不可能實現完全意義上的不排水剪切。

⑶實際剪切面積對參數的影響

土往往是不均勻的，直接試驗的剪切面限于上下盒之間的平面，而不是沿土樣最薄弱的面剪切，不能真實反映實際中復雜情況。

開始剪切后，隨著位移的增加，有效剪切面積相應減小，所對應的值也偏小，而且隨應力的增加，破壞時的相對位移愈大，其有效剪切面積更加變小，所對應的值也比真值偏小的更多，￠值偏小，c值偏大。

⑷在剪切過程中，垂直荷載發生偏移，土樣的剪切面逐漸減小，但在計算強度時，仍按土樣的原截面積計算。

4 提高試驗質量的方法

⑴避免土體結構的嚴重破壞

應在取土樣方法和設備、土樣運輸以及室內試驗操作方法等方面，盡量避免土樣擾動。

⑵設置合適的剪切速率，以剪切變形達4～6mm時的剪應力值作為破壞值[3]。

⑶土是不均勻的，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0.03g/cm3內，這樣做出的試驗結果比較合理。

⑷直剪試驗受諸多因素影響，試驗結果離散性較大，不同壓力下其抗剪強度往往不能在一條直線上，因此計算試驗結果時宜采用最小二乘法計算，對于離散度過大的點不應參與計算，每個試樣不得少于3個點。

⑸由于直剪試驗不能控制土的排水條件,國家標準明確規定：直剪試驗適用的范圍為滲透系數小于10-6cm/s的土層，對于滲透系數大于10-6cm/s的土類，應在三軸儀上進行。

⑹在進行剪切試驗時，切記要將銷釘拔掉，否則會嚴重損害儀器。

⑺應對直剪儀進行定期檢修和校正工作，量力環率定，確保試驗的精度，提高試驗的質量，減少由儀器帶來的誤差。

5 結語

鑒于直剪儀存在的缺陷及影響土體抗剪強度因素較多，目前，通過直剪試驗準確測定土的抗剪強度指標是較為困難的。因此，在使用由直剪試驗得到的抗剪強度參數時，建議采用抗剪強度修正公式進行計算，并與其他三軸剪切試驗相比較，以便獲得較為合理的抗剪強度參數。另外，設計人員在使用抗剪強度指標時不要片面地認為某些指標異常就將其舍棄，而應與所取土樣的工程地質條件相結合來使用該指標，這樣更能反映土體的真實狀況。

[1]趙樹德.土力學[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]薛梅.巖土工程勘察中土工試驗質量管理的探索[J].山西建筑，2016(21):87-88.

[3]GB/T50123-1999，土工試驗方法標準 [S].

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1007-6344（2017）08-0307-01