剪切速率對直剪固結快剪試驗指標的影響淺析

程 平

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引 言

所謂直剪試驗，是指在原狀土試件上某一特定面上進行剪切破壞，直接測定該面上的剪應力和抗剪強度的試驗。直剪試驗是室內測定土體抗剪強度的一種常用方法，可方便地為巖土工程穩定性與強度分析提供所需的土體抗剪強度參數——黏聚力c和內摩擦角φ。其試驗原理如圖1所示。

圖1 土的受力剪切圖

直剪試驗與三軸剪切試驗相比，由于直剪試驗設備簡單、制備試樣操作方便、試驗方法快捷、結果處理簡單，因而被工程實踐廣泛采用，是測定土的抗剪強度最簡單和最原始的試驗方法。在國家、行業及地方相關的地基基礎規范、基坑及邊坡規范中，其試驗指標被廣泛應用于強度及穩定分析，為目前巖土工程勘察報告中最基礎的試驗數據。

1 直剪試驗原理與分類

1.1 試驗原理

直剪儀分應變式直剪儀、應力式直剪儀兩種。應變式直剪儀能夠較準確地測定剪切變形曲線的峰值和最后值，故室內土工試驗較多采用應變式四聯剪切儀。試驗時用環刀制備出厚度為20 mm的相對均質的圓形試樣，按試驗標準和技術要求施加一定荷載的壓力進行固結預壓，然后將試樣分別推入剪切盒內，分別在不同的垂直壓力下施加水平剪切力進行剪切試驗，使試樣在上下盒之間的水平面上發生剪切破壞，求得破壞時的剪切應力τ，然后根據庫侖定律計算確定土的抗剪強度參數，如圖2所示。

圖2 直剪試驗強度與壓力關系曲線

1.2 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，可把剪切試驗分為快剪、固結快剪、慢剪。

1.2.1 快剪（不排水剪）

制備好的試樣在施加垂直壓力后不進行固結預壓立即進行快速剪切，試驗全過程排水時間不充分，這時垂直壓力大部分由孔隙水來承擔。該試驗得到的天然剪切強度指標黏聚力c較固結快剪小，適用于施工進度快、排水條件差的工程類別中，如用于驗算黏性土地基驟然加荷時的穩定性。

1.2.2 固結快剪（固結不排水剪）

將制備好的試樣在垂直壓力下，按標準要求進行充分固結預壓，使土樣孔隙中的水全部排出，完全固結后再進行快速剪切。這時的垂直壓力全部由土粒承擔，故此試驗得到的剪切強度指標黏聚力較大，適用于一般建筑物地基穩定性分析、天然地基承載力及邊坡穩定性驗算。

1.2.3 慢剪（排水剪）

制備好的試樣在垂直壓力下，充分排水固結后以速率0.02 mm/min緩慢地進行剪切，整個試驗過程中孔隙水可自由排出。由于該類試驗在實際工程中應用極少，故試驗時較少采用。一般用于工程的邊坡長期穩定性驗算。

2 影響直剪試驗結果因素

影響直剪試驗結果的主要因素有土體自身性狀以及試驗操作因素。

2.1土的礦物成分、顆粒形狀和級配

根據試驗結果來說，黏性土的抗剪強度隨著黏粒和黏土礦物含量的增加而增大；在土的顆粒級配中，粗顆粒越多，形狀越不規則，其內部摩擦角φ越大，黏聚力c越小。

2.2 密度與含水量

密度與含水量是影響抗剪強度指標的重要因素。一般而言，土的原始密度越大，其試驗所得抗剪強度就越高。對于粗粒土來說，密度越大則顆粒之間的咬合作用越強，因而摩阻力就越大；對于細粒土來說，密度越大則意味著顆粒間的距離越小，水膜越薄，因而原始黏聚力也就越大。

而含水量的增高會使土的抗剪強度降低，會減少黏土的原始黏聚力，降低摩阻力，因而亦是影響固結快剪強度指標的因素之一。

2.3 剪切速率

剪切速率是影響土的抗剪強度指標的一個非常重要的因素。根據具體情況分析而言，可以從兩個方面影響：一是對土體黏滯阻力的影響，當試驗時采用了較快的速率，由于剪切時間短，黏滯阻力隨之增大，表現出較高的抗剪強度；反之，黏滯阻力小，所得抗剪強度會降低。這在黏性土的剪切試驗中尤為明顯。不過在常規試驗中，對于黏滯阻力的影響通常不考慮。二是剪切速率的快慢會對試樣中的孔隙水壓力發生傳遞與消散的影響，從而影響試樣的排水固結強度，進而影響抗剪強度指標。

3 不同剪切速率下直剪試驗分析

本文選取上海市浦江鎮地區第②層中呈可塑至軟塑狀的褐黃至灰黃色黏性土、第④層呈流塑狀的淤泥質黏土以及上海市長興島地區的②3層粉砂（夾片層黏土），分別以0.8 mm/min和2.4 mm/min的剪切速率進行固結快剪試驗，用作對比試驗以分析剪切速率對強度指標的影響。

3.1 試驗過程

直剪對比試驗過程如下：

（1）實驗室用四塊性質相同的試樣，密度差不宜大于0.05 g/cm3。

（2）四級垂直壓力。第一級垂直壓力宜接近土的自重壓力，第四級壓力宜接近土的自重壓力和附加應力之和。

（3）直剪固結快剪的固結時間。施加垂直壓力后，每1 h測讀垂直變形一次，直至試樣固結變形穩定。對于黏性土不宜少于4.5 h，對于粉性土或砂性土不宜少于2 h。

（4）采用預壓裝置時，經預壓固結的試樣自預壓儀取出推入直剪儀剪力盒后，宜有足夠時間進行再固結以消除回彈影響后實施剪切，試驗荷重序列為 50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。

3.2 成果整理和分析

對于剪切試驗中四個試樣的剪應力的采用，在理論和實際試驗中具有較多的影響因素，既有人為操作因素的存在，亦有土質差異存在的影響，存在著離散性較大的可能，加上各種如土的滲透性、試驗溫度及施加的垂直荷重不同等因素的影響，實際試驗所得往往不具理論上的線性關系，試驗點在抗剪強度與垂直壓力關系曲線圖上比較分散。因此對于試驗成果中那些明顯不合理的數據，應仔細甄別、分析原因，進行取舍和有據可查的修正，或可根據同一地區、同一土層或同一土樣之間的物理力學指標及相互關系進行修正，使得數據更為合理，數值更為符合土性。

3.3 土直剪試驗的破壞值選定

土的破壞值的選擇直接決定著抗剪強度的大小。破壞數值的選定常有兩種情況：一是剪切應力-剪切位移關系曲線中具有明顯的峰值或穩定值，則取其為抗剪強度值；二若剪應力隨著剪切位移不斷增加，無明顯峰值或穩定值，則以相應選定的剪切位移所對應的剪切應力值作為抗剪強度值。

最后抗剪強度參數c、φ值宜用繪制試驗強度與壓力關系曲線（見圖2）進行確定。本文直剪試驗對比結果整理后見表1～表3。

表1 不同剪切速率第②層土直剪試驗結果

表2不同剪切速率第④層土直剪試驗結果

表3 不同剪切速率第②3層土直剪試驗結果

根據試驗匯總得出以下結論：

（1）黏性土的抗剪強度指標受剪切速率影響較大，一般隨著剪切速率的提高而呈增加趨勢，而剪切速率的快慢對內摩擦角影響不大。

（2）砂性土的抗剪強度指標基本不受剪切速率快慢的影響。

4 結 語

剪切速率對淤泥質黏性土這類滲透性差的土體的固結快剪強度指標影響較大，應根據工程實際情況合理選擇試驗時的剪切速率，以獲得較為準確的強度指標；而對粉砂粉土等這類滲透性相對較好的土體，抗剪強度指標受剪切速率影響相對較小。

本文研究成果可對生產實踐中土工試驗操作細則提供借鑒與參考，有利于提高實驗室管理水平。