浅析土工试验中的抗剪强度

[摘要]土工试验即对土样进行密实度、天然结构、天然容重、自然湿度、抗剪强度、压缩系数、渗透系数、承载能力、稳定性等一系列的测试工作。而土的抗剪强度是一项重要的力学指标，对土工试验测得的抗剪强度进行分析具有非常重要的现实意义。下文通过对土工试验中直接剪切试验与三轴压缩试验所测得的抗剪强度进行对比与分析，指出三轴压缩试验结果更接近土的实际理论值，以供参考。

[关键词]直接剪切试验 三轴压缩试验 抗剪强度

[中图分类号] TU411.7 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-4-205-2

0引言

土的抗剪强度是土的重要力学性质指标之一，是指土体在外力作用下抵抗剪切滑动的极限强度。是由土颗粒之间的内摩擦角φ及由胶结物和束缚水膜的分子引力所产生的内聚力C两个参数组成。在计算承载力、评价地基稳定性以及计算挡土墙的土的压力时，都要用到抗剪强度指标。偏高或偏低的估计土的抗剪强度，都会给工程带来破坏和浪费。因此，提供准确可靠的抗剪强度指标、合理地使用抗剪强度指标在工程上具有重要意义。

1土的抗剪强度

室内土的抗剪强度通过剪切试验来确定。一般剪切试验可分为直接剪切试验和三轴压缩试验两大类。

1.1直接剪切试验

目前，直接剪切试验国内多采用应变控制式直剪仪。该仪器构造简单，操作方便，易于掌握。

直接剪切试验是将试样置于一定的垂直应力下，在水平方向上陆续向试样施加剪应力进行剪切。起始由于所加剪应力较小，试样发生较小的变形而处于弹性平衡状态，当剪应力达到某一限度时，土样由于变形过大而不能抵抗更大的剪切，这时土样开始破坏而达到塑性平衡状态，此破坏时的强度即为土的抗剪强度。以同样的方法求得不同垂直应力下的抗剪强度。以剪应力τ为纵坐标，垂直应力σ为横坐标，绘制τ-σ关系曲线。

粘性土的抗剪强度直线在纵坐标上的截距即为土的粘聚力C，此直线的倾角为土的内摩擦角φ；而松散砂土为一通过坐标原点的直线。可用库伦公式来表达，即：τ=C+σ×tgφ

直接剪切试验方法以剪切的速率与排水的不同主要分为三种即：直接快剪试验、固结快剪试验和直接慢剪试验。下表是用三种方法对淤泥土测试得结果。

以上3种试验方法其测得结果各异，尤其以φ值差别较大。快剪法φ值最小，慢剪法φ值最大，固结快剪φ值介于二者之间。具体采用哪一种方法要根据实际情况而定。快剪及固结剪适用于渗透系数小于10-6cm/s的细粒土。

1.2三轴压缩试验

三轴压缩试验是测定抗剪强度的一种方法。它通常用3～4个圆柱形试样，分别在不同的恒定周围压力下，施加轴向压力，进行剪切直至破坏，然后根据摩尔--库伦理论求得抗剪强度参数。它事先规定作用于试样上的最大主应力σ1和最小主应力σ3的方向，但不能确定剪切面的方向和位置。绘制摩尔破损应力圆包线即该试样的抗剪强度曲线是利用各试样破坏时最大主应力σ1和最小主应力σ3，在直角坐标上以τ为纵坐标，在横坐标上以（σ1+σ3）/2为圆心，（σ1-σ3）/2为半径绘制摩尔破损应力圆。各个不同周围压力下的破损应力圆的公切线即为摩尔破损应力圆包线。摩尔破损应力圆包线与纵坐标的截距C即为试样的粘聚力，此摩尔破损应力圆包线与水平线的夹角φ即为试样的内摩擦角。

根据排水条件不同，三轴压缩试验有三种试验方法。同一种试样，采用三种不同的试验方法，试验结果所得到的抗剪强度指标C与φ值都不相同，下面分别进行阐述：（1）不固结不排水剪试验（UU）是在整个试验过程中从施加周围压力和增加轴向压力直到剪坏为止过程中均不允许试样排水。本试验可以测得总抗剪强度参数Cu、φu。（2）固结不排水剪试验（CU）是使试样先在某一周围压力作用下排水固结，然后在保持不排水的情况下，增加轴向压力直至破坏。本试验可测得总抗剪强度参数Ccu、φcu或有效抗剪强度参数C/、φ/初始孔隙水压力系数B和破坏时孔隙水压力系数Af。（3）固结排水剪试验（CD）是使试样先在某一周围压力作用下排水固结，然后在允许试样充分排水的情况下增加轴向压力直至破坏。本试验可测得抗剪强度参数Cd、φd。

2实例分析

2.1两种试验方法测定结果的比较

岩土工程勘察中通常要求采用直接快剪的指标。这两种试验方法虽然都是不固结不排水剪切，但是试验结果却存在较大的差异。在马来西亚丰盛港填海项目试验中，对淤泥质土进行了大量的直剪和三轴固结（不固结不排水）试验，两种试验方法的测试结果见下表。

2.2两种试验方法的比较

通过对大量试验结果的对比可知，对于淤泥质土，直接快剪试验较用三轴（uu）试验测得的抗剪强度和内摩擦角普遍偏大。这是由于直接快剪试验剪切面是固定的，而剪切面积随剪切位移的增加而减小，剪切力和剪应变分布都不均匀，且不能严格控制排水，部分水分从剪切盒缝隙排出，使得含水率较大的土样内摩擦角φ值偏大。而三轴（uu）试验剪切面是不固定的，剪切面是试样抗剪能力最弱的面，剪切力和剪应变分布均匀，且能严格控制排水，另三轴试验在试验过程中是模拟土样在天然状态下的受力情况，所以试验结果更接近实际值。但是三轴（uu）试验操作较复杂，所需时间较长，无法大批量试验，而直剪试验操作方便，且有大量的实践经验，所以这两种试验方法目前都在被广泛使用。

3工程对试验方法的要求

（1）采用总应力进行稳定分析。当地基为粘性土层且排水条件差时，宜采用饱和快剪试验或三轴不固结不排水（UU）试验测定土的抗剪强度；当地基为粘性土层薄而其上下土层透水性较好或采取了排水措施时，宜采用饱和固结快剪试验或三轴固结不排水（CU）试验测定土的抗剪强度；当地基土层能自由排水，透水性能良好，不容易产生孔隙水压力，宜采用慢剪试验或三轴固结排水（DU）试验测定土的抗剪强度。（2）采用有效应力进行稳定分析时，对于粘性土地基，应测定或估算孔隙水压力，以取得有效应力强度。（3）对于无动力试验的粘性土和紧密砾砂等非液化性土的强度，宜采用三轴饱和固结不排水（CU）试验测定土的总抗剪强度和有效应力强度中的最小值作为标准值。

4总结语

综上所述，地质人员在选用指标前需要具体分析地基的各种条件，并结合类似工程加以判断，提出能反映实际的剪切方法和试验要求。国标中对直剪试验做了一定的限制，即只适用于渗透系数小、施工速度快的高塑性粘土。但由于直剪试验简单、经济，目前对一些二级建筑，或有经验的地区还在广泛使用。而从试验结果表明三轴试验更能合理地反映土体的抗剪强度。所以，对比较重要的工程应尽可能做三轴试验。