浅析土的直接剪切试验与其影响因素

摘要:抗剪强度指标C和φ是评价岩土体性质和工程设计的重要参数,在工程设计质量和工程施工中起着非常重要的作用。本文就土的直接剪切试验与影响因素进行了分析。

关键词:土体；剪切试验；影响； 密度

中图分类号：C33 文献标识码：A 文章编号：

土的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的一个重要力学指标，在估算地基承载力、评价地基稳定性以及计算码头、路堤、土坝等斜坡稳定性以及挡土建筑物的土压力时，都需要土的抗剪强度指标。在专业领域上，把测定土体抗剪强度指标的试验称为剪切试验。土抵抗剪应力是土体保持自身不被破坏而所能承受的最大剪应力，因此如何使试验成果能较准确地反映不同土体的力学性质，以及掌握它与其它指标之间的相互关系和影响就显得非常重要。所以，对土的直接剪切试验与影响因素的分析就要做得非常认真，确保试验结构的准确，从而使工程顺利施工，并保护岩土体的整体不被破坏。

1 密度、含水量与抗剪强度的关系

1.1 土的天然含水量与抗剪强度的关系

对黏性土来说，天然含水率ω值与抗剪强度即C，值成负相关，反之亦然。对不同岩性相同含水量土样来说，其抗剪强度还受容重，颗粒成份、组成等因素影响。

因为黏性土含矿物质较高，一般在15%～25%，甚至更高，黏土矿物含量越高吸附水的能力就越强。当含水量增大时，土的和C值将随之降低，从而使抗剪强度降低。但当含水量降低时，土的结构联结增强，从而有助于黏聚力C和内摩擦角U的提高。

对沙土来说抗剪强度一般也随含水量增加而降低。图1是粉质沙土的内摩擦角与含水率的关系图。

图1粉质沙土的内摩擦角与含水率X的关系曲线图

由此可见，干沙的内摩擦角最大，含水率增大到接近最大分子水容度时，值最小，当含水率达到毛细管水容度时，再度增大。继续增大含水率则将导致内摩擦角值的降低。

1.2 土的密度(容重)与抗剪强度的关系

对黏性土来说土的密度越大，其抗剪强度越大，这是因为在天然含水率ω相同情况下，密度越大，其干密度也就越大，则空隙比越小，凝聚力C值相应增大，内摩擦角值相应降低。

对非黏性土来说土的粒间联结极弱，C≈0，故在一般情况下，其抗剪强度由土粒之间的内摩擦角构成。主要取决于土的密度，密度越高，值愈大，反之则小，一般变化在26°～40°之间。

综上所述，含水量是直接影响抗剪强度大小的重要因素，因而测定实验前的密度，含水量可以了解试样的均匀性。如果需要时可测试验后剪切破坏面上的剪后含水量和固结后的密度，按其变化规律，来判断试验成果的正确性。表1是笔者单位2010年承接的盐环定扬黄续建工程的部分原状土样试验资料，基本上反映了天然含水量，干容重与抗剪强度的关系。

表1 盐环定扬黄续建工程部分原状土样参数表

2 土的物质成分、结构、构造特征及塑性指数对抗剪强度的影响

2.1 土的物质成分

(1)对黏性土来说，当天然含水量相同情况下，黏粒含量愈高，其内聚力C愈大，内摩擦角值则相应降低。又因黏粒含量一般与塑性指数Ip成正比关系，所以黏粒含量越低，其塑性指数Ip也越小，内摩擦角则会相应增大。

(2)对沙性土来说，矿物成分对其内摩擦角的影响，主要通过矿物的形状而起作用。石英、长石等棱角状或浑圆状矿物含量高的沙土其值通常比云母、绿泥石、滑石等片状矿物含量高的沙土内摩擦角要高。但矿物成分对粒径大的颗粒间内摩擦角影响显著，而这种影响随着颗粒的变小而逐渐减小，在小于0.1mm的粒组，这种影响就很难察觉到了。就颗粒级配来说，级配愈好的沙土比级配不良的沙土大。

2.2 土的结构特征

(1)对于黏性土来说，一般情况下，土的分散度高，亲水性就强，土粒间黏聚力小，内摩擦角小，致使其抗剪强度就低。黏性土颗粒表面均为结合水膜包围，颗粒不能直接接触，故颗粒表面特征对土的抗剪强度基本不起作用。提高黏性土的密度，可使土粒间的接触增多，从而联结增强，摩擦阻力增大。因此，固结程度不同的土抗剪强度有明显的差异。

(2)对无黏性土来说，其内摩擦角不仅与分散度有关，而且与颗粒形状和表面特征有关。颗粒表面粗糙能够提高土的内摩擦角，光滑则使之降低。无黏性土的抗剪强度主要受其结构特征所控制。至于矿物成分只有在其被剪断时才对抗剪强度产生影响，一般情况下，它是通过颗粒的形状和表面特征来起作用的。

2.3 土的构造特征

土中结构面存在导致其抗剪强度的各向异性。如水平层状的黏性土，沿水平方向的抗剪能力一般低于沿垂直方向的抗剪力。此外，结构面的粗糙程度和连续性以及颗粒的定向排列等对土的抗剪性能产生影响。

3 剪切速率、垂直压力及其它因素对直剪试验的影响

3.1 剪切速率

所谓剪切速率通常是指单位时间内剪变形的增量。根据剪切速率，常将剪切过程区分为快剪(不排水剪)和慢剪(排水剪)2种。同一种土，虽然决定其抗剪性能的物质基础(成分、结构和构造特征)是相同的，但由于剪切时剪切速度不同，排水程度不同，土的抗剪能力仍有明显的差别。一般情况下，快剪时土的抗剪强度最低，慢剪时最高，固结快剪居中。

快剪时，黏性土的孔隙度和含水率不发生变化，土中将产生附力加孔隙水压力，使有效正应力降低，故抗剪强度则低。

另一方面，剪切速率愈快，黏滞阻力愈大，强度也愈大，反之亦然。故土工规程中规定快剪应在3～5min剪损。因此剪切速率对黏性土的抗剪强度有很大的影响。

剪切速率对沙性土的抗剪强度影响较小，因沙土的透水性很大，潮湿与干燥状态的强度变化不大。因此可采用较快的剪切速率。一般可采用4r/min的手轮转速。但饱水沙土(尤其是粉质沙土)，快剪时产生的孔隙水压力将降低作用于土粒的有效压力，从而使其抗剪强度降低。

3.2 垂直压力的大小

由库仑定律可知，垂直压力P愈大，土的抗剪强度也愈高，而且假定黏性土的抗剪强度曲线为一直线。但是大量的实际资料证明，黏性土的S-P之间为曲线关系，其抗剪强度参数C和是随压力而变化的。密沙的抗剪强度曲线也不是一条直线，故其C，也随P而不同。同时通过实际工作得到:对于一般土样4个点可采用100，200，300和400kPa，垂直压力而对于含水量较高的土及低密度的或较低密度的饱和土则应选用较低的垂直压力如50，100，150和200kPa进行，以避免试样被挤出剪力盒。

除以上(剪切速率、垂直压力)2个指标与抗剪强度的关系及影响因素外，根据这几年的实际工作还应注意以下2个方面的工作。

(1)原状土样试样的制备

根据野外地质及室内试验的实际工作证明。第四系沉积物中某些地层，尤其是Q3或Q4较新的冲洪积成因地层，交错层理及微裂隙发育，结构较复杂。本身从野外取一组具有代表性的原状样就较困难，加之封样程度、长途拉运等因素影响，到室内后一组要制出几块代表性较好的试样要认真选制。在制样时先观察好土层结构及裂隙发育方向，避开裂隙及不具代表性的软弱夹层等。使制出的样品较为新鲜完整，且具有代表性的一组样品相互之间土的密度较为接近。一般来说，4个试样的容重差值在0.06～0.1g/cm3之间时其成果仅作分析参考。而超过0.1g/cm3时则不能做试验。如果试样选制得好，制出的抗剪强度曲线图点子离散程度则小，且相关性较好，成果较为理想。

(2)根据容重大小确定垂直压力大小的排列在一组土样的4个样品之间，因各种因素相互之间土的密度总是有差异的。根据实践认为，按以下顺序排列为好:一般第1级和第4级接均容重，第2级为小容重，第3级为大容重，这样得出的结果，其点子基本呈直线形分布，相关性较好。

4 试验成果整理

根据规范规定，试验成果整理步骤如下。

(1)根据式(1)和(2)计算应变式直剪仪所测得的剪应力及剪切位移。

剪应力

τ=CR(1)

剪位移

r(ΔL)=20n-R (2)

式中: τ为剪应力，kPa；C为量力环率定系数，kPa/0.01mm；R为量力环测微表读数，0.01mm；r(ΔL)为剪切位移，0.01mm；n为手轮转数。

(2)绘制剪应力与剪切位移的关系曲线。

(3)剪应力与剪切位移关系曲线上的峰值点或稳定值，为抗剪强度。

(4)绘制垂直压力与抗剪强度的关系曲线，并确定摩擦角和凝聚力。

C，值的大小取决于峰值或稳定值的取值，而一组样品几个点的峰值或稳定值往往受一组内几个样品之间存在的一定差异而不在一条直线上，即有一定的离散性。在保证至少3个点的情况下，舍去哪个比较合理，或根据离散程度取舍，是直接影响到C，值大小的关键问题。

5 结语

作为土木建设工程中最重要的计算参数之一的抗剪强度的准确性往往是设计质量和工程成败的关键之处，因此，确保土的抗剪强度的准确性尤为重要。但是影响土的抗剪强度的因素有很多种，包括土的内在性质和外部条件，都会对试验结果起到不同的影响，所以到目前都还存在着些许问题没得到解决。为了避免试验结果出现大的误差，就要试验人员与现场人员配合好，严格认真地进行试验，这样才有利于数据的试验与取值的合理性，并有利于相关工程的安全。

参考文献

[1] 李巧梅.试验室测试土的抗剪强度指标的方法及其应用[J].广东水利水电,2000年01期

[2] 渠风英.土的直接剪切试验与影响因素分析[J].科技情报开发与经济,2010年24期