土的抗剪強度

 

　　 土的抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力，是土的重要力學(xué)性質(zhì)之一。在土力學(xué)中，采用摩爾-庫侖強度準(zhǔn)則，用內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力兩個指標(biāo)描述土的抗剪強度規(guī)律，即在土的破裂面上，抗剪強度隨法向應(yīng)力增長的規(guī)律。土的抗剪強度在計算承載力、評價地基穩(wěn)定性以及計算擋土墻土壓力時，都有重要的應(yīng)用。因此，正確的測定土的抗剪強度，對于計算和評價土體的性質(zhì)有重要的意義。根據(jù)土體受力面和受力方式不同， 測定土的抗剪強度的方法和儀器也不同， 目前常用的方法主要有室內(nèi)的直接剪切試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗和三軸壓縮試驗及原位的十字板剪切試驗等。本文主要針對直接剪切試驗和三軸壓縮試驗進行分析對比。 

 

 

　　實驗室測定土的抗剪強度主要通過直接剪切試驗和三軸壓縮試驗，其對應(yīng)的儀器為直接剪切儀和三軸壓縮儀。 

 

　　2.1 直接剪切試驗。 

 

　　直接剪切試驗是在某一預(yù)訂的面上剪切土的試件，測定該面上的剪應(yīng)力和抗剪強度的試驗。我國目前普遍采用的是應(yīng)變控制式直剪儀，如圖1，對試樣施加某一法向應(yīng)力σ，然后等速推動下盒，使試樣在沿上下盒之間的水平面上受剪直至破壞，剪應(yīng)力τ的大小可借助與上盒接觸的量力環(huán)而確定。根據(jù)試樣在剪切過程中剪應(yīng)力τ與剪切位移δ之間的關(guān)系曲線，如圖2（2-a），可以確定抗剪強度τf。通常同一種土取4個試樣，分別在不同的法向應(yīng)力σ下剪切破壞，可將試驗結(jié)果繪制成如圖2（2-b）所示的抗剪強度τf與法向應(yīng)力σ之間的關(guān)系曲線。 

 

　　按照剪切前土的固結(jié)程度，剪切時排水的條件以及剪切加荷的快慢，直接剪切試驗方法可分3種： 

 

　�。�1）快剪試驗(不排水剪) 。對試樣施加豎向壓力后，立即快速施加水平剪應(yīng)力使試樣剪切破壞。一般從加荷到剪壞只用3～5min。由于剪切速率快，可認(rèn)為整個過程不排水。 

 

　�。�2）固結(jié)快剪試驗(固結(jié)不排水剪) 。在法向壓力下試樣充分排水，待完全固結(jié)后，再快速施加水平剪力使試樣剪切破壞。 

 

　　（3)慢剪試驗(排水剪) 。對試樣施加豎向壓力后，給予充分時間，使試樣孔隙中的水全部排出而達到完全固結(jié)，再以緩慢的速率施加水平剪應(yīng)力直至試樣剪切破壞，從而使試樣在受剪過程中一直充分排水和產(chǎn)生體積變形。 

 

　　2.2 三軸壓縮試驗。 

 

　　三軸壓縮試驗是測定土的抗剪強度一種比較完善的方法。它通常用3～4個圓柱形試樣，分別承受不同的周圍壓力并保持周圍壓力不變，然后施加軸向壓力，進行剪切直至破壞，再根據(jù)摩爾- 庫侖理論，求得抗剪強度指標(biāo)。 

 

　　三軸試驗?zāi)軌蚰�擬土體的三軸受力情況如圖3（3-a）和可以控制排水條件以及可以量測土樣中孔隙水壓力的變化。其剪切破壞面不是人為規(guī)定的。如果試樣土質(zhì)均勻，剪切破壞面與主應(yīng)力夾角 θ＝45'+φ2，如圖3（3-b）。若存在軟弱結(jié)構(gòu)面，則剪切破壞面沿著軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)展。 

 

　　根據(jù)土樣剪切前固結(jié)的排水條件和剪切時的排水條件，三軸試驗可分為以下三種試驗方法。

 

　�。�1）不固結(jié)不排水剪（UU試驗）。試樣在施加周圍壓力和隨后施加偏應(yīng)力直至剪壞的整個試驗過程中都不允許排水，這樣從開始加壓直至試樣剪壞，土中的含水量始終保持不變，孔隙水壓力也不可能消散。 

 

　�。�2）固結(jié)不排水剪（CU試驗）。在施加某一周圍壓力時，將排水閥門打開，允許試樣充分排水，待固結(jié)穩(wěn)定后關(guān)閉排水閥門，然后再施加偏應(yīng)力，使試樣在不排水的條件下剪切破壞。由于不排水，試樣在剪切過程中沒有任何體積變形。 

 

　�。�3）固結(jié)排水剪（CD試驗）。在施加周圍壓力和隨后施加偏應(yīng)力直至剪壞的整個試驗過程中都將排水閥門打開，并給予充分的時間讓試樣中的孔隙水壓力能夠完全消散。 

 

 

　　直接剪切試驗和三軸壓縮試驗都是室內(nèi)常用測定土的抗剪強度的方法，但由于技術(shù)條件和設(shè)備的原因兩種試驗方法測定土的抗剪強度存在一定的差異性，這就需要我們正確的認(rèn)識兩種試驗的區(qū)別，選用合適的試驗方式測定土的抗剪強度。 

 

　　3.1 直接剪切試驗優(yōu)缺點。 

 

　　直剪儀構(gòu)造簡單，試樣制備和安裝方便，操作容易，儀器盒剛度大，試樣沒有側(cè)向膨脹的可能，因而目前仍為一般工程所采用。 

 

　　 由于直剪儀構(gòu)造問題，使土樣無法完全封閉，這就造成無論剪切速度多快，孔隙水總會沿著土樣和環(huán)刀之間的縫隙流失，這就不能保證抗剪強度是在嚴(yán)格不排水條件下測定的，也不能量測試樣內(nèi)孔隙水壓力的變化�？旒粼囼灥慕Y(jié)果特別離散，而且內(nèi)摩擦角往往偏大，用于工程是偏于危險的。 

 

　　由于直剪儀上下盒之間的縫隙在對軟土作快剪試驗時，由于豎向荷載對土樣的擠壓作用，軟土側(cè)面擠入縫隙中，這樣就造成試樣結(jié)構(gòu)的破壞和試驗結(jié)果的偏離。同樣做砂土試驗時，砂顆粒嵌入空隙中，造成摩擦阻力增大，影響試驗結(jié)果。 

 

　　直接剪切試驗人為規(guī)定了剪切面，規(guī)定為水平方向，而實際工程中剪切面總是沿著土的薄弱面發(fā)展的，所以試驗結(jié)果和抗剪強度的工程應(yīng)用存在差異。 

 

　　直接剪切試驗中剪切面積是逐漸減小的，使加載的垂直載荷發(fā)生偏離，而計算抗剪強度時仍按照原截面積計算。 

 

　　3.2 三軸壓縮試驗的優(yōu)缺點。 

 

　　三軸試驗?zāi)軌蚰�擬試樣受應(yīng)力的狀態(tài)，能夠比較嚴(yán)格的控制排水條件以及可以量測孔隙水壓力的變化，所以其結(jié)果比較符合實際土體的應(yīng)力條件。 

 

　　由于三軸試驗設(shè)備構(gòu)造復(fù)雜，操作步驟多，試樣的制備要求高，這就使試驗結(jié)果受人為的影響較大。要求操作人員有很高的職業(yè)素質(zhì)。 

 

　　室內(nèi)常做的三軸試試驗為常規(guī)三軸壓縮試驗，試樣兩端所受的應(yīng)力和應(yīng)變不夠均勻，并且試樣所受的應(yīng)力狀態(tài)時軸對稱的，與實際土體應(yīng)力狀態(tài)還是有區(qū)別的。 

 

 

　　土的抗剪強度指標(biāo)確定將因所采用的分析方法不同而不同。直剪試驗方法中的“快剪”和“慢剪”相對于三軸試驗中的“不排水剪”和“排水剪”，所以，當(dāng)把慢剪與排水剪，快剪與不排水剪，固結(jié)快剪與固結(jié)不排水剪一一對比分析之后，便可明確在實際工程中不同試驗方法及相應(yīng)的強度指標(biāo)的選用條件。 

 

　　根據(jù)不固結(jié)不排水剪和固結(jié)不排水剪這兩種試驗方法的排水條件，我們可以確定其適用的工程情況。不固結(jié)不排水剪相應(yīng)于所施加的外力全部為孔隙水壓力所承擔(dān)，土樣完全保持初始的有效應(yīng)力狀況；固結(jié)不排水剪的固結(jié)應(yīng)力全部轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力。因此，對于可能發(fā)生快速加荷的正常固結(jié)粘性土上的路堤進行穩(wěn)定分析時可采用不固結(jié)不排水的強度指標(biāo)；對于土層較厚、滲透性較小、施工速度較快工程的施工期分析也可采用不固結(jié)不排水剪的強度指標(biāo)。反之，當(dāng)土層較薄、滲透性較大、施工速度較慢工程的竣工期分析可采用固結(jié)不排水剪的強度指標(biāo)； 

 

　　對于工程情況不是很明了，強度指標(biāo)的選用因根據(jù)實際情況和經(jīng)驗進行選用。 

 

　　 由于直剪試驗不能完全控制排水條件，其測定的不排水剪強度指標(biāo)和三軸測得的有一定的差異，所以對于強度試驗方法應(yīng)該根據(jù)實際的工程情況和自身需要進行選用。 

 

 

　　土的抗剪強度指標(biāo)是工程應(yīng)用中的一項重要指標(biāo)，其和土的原始狀態(tài)、應(yīng)力路徑、應(yīng)力歷史、排水條件等因素有關(guān)，它又與試驗方法又有著密切的聯(lián)系，所以確定抗剪強度指標(biāo)應(yīng)該考慮工程不同因素的影響和試驗條件的影響，結(jié)合工程人員經(jīng)驗，正確的選用試驗方法和強度指標(biāo)。 

　　 

　　參考文獻 

 

　�。�1］ 工程地質(zhì)手冊(第三版) ［M］. 北京:中國建筑工業(yè)出版社， 1992. 

　　［2］ 李珍秀， 江兆云， 尚思良. 室內(nèi)土體剪切試驗方法比較及結(jié)果分析資源環(huán)境與工程 Vol 22，No1. 

　�。�3］ 李巧梅試驗室測試土的抗剪強度指標(biāo)的方法及其應(yīng)用 廣東水利水電，2000. 

　　［4］ 陳杰淺談土的直接剪切實驗 科技資訊，2009. 

　�。�5］ GB/ T 50123――1999， 土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)［S］ .