土及抗剪強度試驗方法(經(jīng)典)

1、土的抗剪強度試驗方法【中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院】抗剪強度指標c、值，是土體的重要力學(xué)性質(zhì)指標，正確地測定和選擇土的抗剪強度指標是土工計算中十分重要的問題。  土體的抗剪強度指標是通過土工試驗確定的。室內(nèi)試驗常用的方法有直接剪切試驗、三軸剪切試驗；現(xiàn)場原位測試的方法有十字板剪切試驗和大型直剪試驗。 一、直接剪切試驗(一)試驗儀器與基本原理直剪試驗所使用的儀器稱為直剪儀，按加荷方式的不同，直剪儀可分為應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種，前者是以等速水平推動試樣產(chǎn)生位移并測定相應(yīng)的剪應(yīng)力；后者則是對試樣分級施加水平剪應(yīng)力，同時測定相應(yīng)的位移。目前常用的是應(yīng)變控制式直剪儀（示意圖）。試

2、驗時，垂直壓力由杠桿系統(tǒng)通過加壓活塞和透水石傳給土樣，水平剪應(yīng)力則由輪軸推動活動的下盒施加給土樣。土體的抗剪強度可由量力環(huán)測定，剪切變形由百分表測定。在施加每一級法向應(yīng)力后，勻速增加剪切面上的剪應(yīng)力，直至試件剪切破壞。將試驗結(jié)果繪制成剪應(yīng)力和剪切變形S的關(guān)系曲線（見圖5-9）。一般地，將曲線的峰值作為該級法向應(yīng)力下相應(yīng)的抗剪強度f。變換幾種法向應(yīng)力的大小，測出相應(yīng)的抗剪強度f。在-坐標上，繪制曲線，即為土的抗剪強度曲線，也就是莫爾-庫倫破壞包線，如圖5-10所示。(二)試驗方法分類為了在直剪試驗中能盡量考慮實際工程中存在的不同固結(jié)排水條件，通常采用不同加荷速率的試驗方法來近似模擬土體在受剪時的

3、不同排水條件，由此產(chǎn)生了三種不同的直剪試驗方法，即快剪、固結(jié)快剪和慢剪。（1）快剪?？旒粼囼炇窃谕翗由舷聝擅婢N以臘紙，在加法向壓力后即施加水平剪力，使土樣在35分鐘內(nèi)剪壞，由于剪切速率較快，得到的抗剪強度指標用cq、q表示。（2）固結(jié)快剪。固結(jié)快剪是在法向壓力作用下使土樣完全固結(jié)。然后很快施加水平剪力，使土樣在剪切過程中來不及排水，得到的抗剪強度指標用ccq、cq表示。（3）慢剪。慢剪試樣是先讓土樣在豎向壓力下充分固結(jié)，然后再慢慢施加水平剪力，直至土樣發(fā)生剪切破壞。使試樣在受剪過程中一直充分排水和產(chǎn)生體積變形，得到的抗剪強度指標用cs、s表示。(三)試驗優(yōu)缺點和適用范圍直接剪切試驗是測定土的

4、抗剪強度指標常用的一種試驗方法。它的優(yōu)點是具有儀器設(shè)備簡單、操作方便等。它的缺點主要包括：l）剪切面限定在上下盒之間的平面，而不是沿土樣最薄弱的面剪切破壞；2）剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻；3）在剪切過程中，土樣剪切面逐漸縮小，而在計算抗剪強度時仍按土樣的原截面積計算；4）試驗時不能嚴格控制排水條件，并且不能量測孔隙水壓力。直剪試驗適用于二、三級建筑的可塑狀態(tài)粘性土與飽和度不大于0.5的粉土。二、三軸剪切試驗(一)試驗儀器與基本原理三軸剪切試驗儀（也稱三軸壓縮儀）由受壓室、周圍壓力控制系統(tǒng)、軸向加壓系統(tǒng)、孔隙水壓力系統(tǒng)以及試樣體積變化量測系統(tǒng)等組成。實物圖 構(gòu)造示意圖試驗時，將圓柱體土樣用乳膠膜包

5、裹，固定在壓力室內(nèi)的底座上。先向壓力室內(nèi)注入液體(一般為水)，使試樣受到周圍壓力3，并使3在試驗過程中保持不變。然后在壓力室上端的活塞桿上施加垂直壓力直至土樣受剪破壞。設(shè)土樣破壞時由活塞桿加在土樣上的垂直壓力為1 ，則土樣上的最大主應(yīng)力為1f=3+1，而最小主應(yīng)力為3f。由1f和3f可繪制出一個莫爾圓。用同一種土制成34個土樣，按上述方法進行試驗，對每個土樣施加不同的周圍壓力3，可分別求得剪切破壞時對應(yīng)的最大主應(yīng)力1，將這些結(jié)果繪成一組莫爾圓。根據(jù)土的極限平衡條件可知，通過這些莫爾圓的切點的直線就是土的抗剪強度線，由此可得抗剪強度指標c、值(圖5-11)。圖511 三軸試驗基本原理(a)試樣圍

6、壓 (b)破壞時試樣主應(yīng)力 (c)應(yīng)力圓與強度包線有關(guān)直剪試驗的進一步內(nèi)容請進入三軸試驗指導(dǎo)（內(nèi)容包括試驗方法、設(shè)備圖片、試驗錄象等)：三軸壓縮試驗是測定土的抗剪強度的一種方法。它通常用3-4個圓柱形試樣，分別在不同的恒定周圍壓力（3）下，施加軸向壓力，即主應(yīng)力差（1-3），進行剪切直到破壞；然后根據(jù)摩爾-庫倫理論，求得抗剪強度參數(shù)。適用于測定細粒土及砂類土的總抗剪強度參數(shù)及有效抗剪強度參數(shù)。本次試驗主題詞：周圍壓力；軸向壓力；不固結(jié)不排水剪；固結(jié)不排水剪；固結(jié)排水剪。(二)試驗方法分類按剪切前的固結(jié)程度和剪切過程中的排水條件三軸試驗可分為三種類型：（1）不固結(jié)不排水試驗（UU）試驗過程由始至

7、終關(guān)閉排水閥門，土樣在剪切破壞時不能將土中的孔隙水排出。土樣在加壓和剪切過程中，含水量始終保持不變，得到的抗剪強度指標用cu、u表示。觀看試驗過程動畫演示（2）固結(jié)不排水試驗（CU）先對土樣施加周圍壓力 ，將排水閥門開啟，讓土樣中的水排入量水管中，直至排水終止，土樣完全固結(jié)。然后關(guān)閉排水閥門，施加豎向壓力，使土樣在不排水條件下剪切破壞，得到的抗剪強度指標用ccu、cu表示。觀看試驗過程動畫演示（3）固結(jié)排水試驗（CD）在固結(jié)過程和的施加過程中，都讓土樣充分排水(將排水閥門開啟)，使土樣中不產(chǎn)生孔隙水壓力。故施加的應(yīng)力就是作用于土樣上的有效應(yīng)力，得到的抗剪強度指標用ccd、cd表示。觀看試驗過程

8、動畫演示(三)試驗優(yōu)缺點優(yōu)點：（1）UU試驗可嚴格控制排水條件；（2）CU試驗可量測孔隙水壓力；（3）CD試驗破裂面在最軟弱處。缺點：（1）2=3，軸對稱；（2）實驗比較復(fù)雜（四）試驗成果整理：1不固結(jié)不排水試驗（1）軸向應(yīng)變應(yīng)按下式計算。式中軸向應(yīng)變值（）；hi剪力過程中的高度變化（mm）；h0試樣起始高度（mm）。（2）試樣面積的校正，應(yīng)按下式計算：式中Aa試樣的校正斷面積（cm2）；A0試樣的初始斷面積（cm2）。（3）主應(yīng)力差應(yīng)按下式計算：式中1大主應(yīng)力(KPa）；3小主應(yīng)力(KPa)；C測力計率定系數(shù)（ N0.0lmm或NmV）；R測力計讀數(shù)（0.01mm或mV）；10單位換算系數(shù)。

9、（4）以（13）的峰值為破壞點，無峰值時，取15軸向應(yīng)變時的主應(yīng)力差值作為破壞點。以法向應(yīng)力為橫坐標，剪應(yīng)力為縱座標，在橫坐標上以（1f+3f）/2為圓心，（1f3f）/2為半徑（f注腳表示破壞），在t應(yīng)力平面圖上繪制破損應(yīng)力圖，并繪制不同周圍壓力下破損應(yīng)力圓的包線，由破損應(yīng)力圓的包線求出不排水強度參數(shù)c、j，下圖所示。不固結(jié)不排水剪強度包線2固結(jié)不排水試驗 （1）按下式計算試樣固結(jié)后的高度： 式中hc試樣固結(jié)后的高度（cm）； V試樣固結(jié)后與固結(jié)前的體積變化（cm3）。 （2）試樣固結(jié)后的面積，按下式計算： 式中Ac試樣固結(jié)后的斷面積(cm2)。 （3）剪切時試樣的校正面積，按下式計算。 （

10、4）主應(yīng)力差與不固結(jié)不排水試驗計算方法相同。 （5）孔隙水壓力系數(shù)，按下列公式計算： 初始孔隙水壓力系數(shù) 式中B初始孔隙水壓力系數(shù)； u0施加周圍壓力產(chǎn)生的孔隙水壓力（KPa）。 破壞時孔隙水壓力系數(shù) 式中Af破壞時的孔隙水壓力系數(shù)； uf試樣破壞時，主應(yīng)力差產(chǎn)生的孔隙水壓力（kPa）。 （6）繪制破損應(yīng)力圓并確定摩擦角和粘聚力（總、有效），如下圖所示。   固結(jié)不排水剪強度包線 3固結(jié)排水試驗 剪切時試樣的校正面積，應(yīng)按下式計算。 式中：Vi剪切過程中試樣的體積變化（cm3） hi剪切過程中試樣的高度變化（cm） 其余如試樣固結(jié)后的高度、面積，主應(yīng)力差等按固結(jié)不排水試驗的相應(yīng)公式計

11、算。 繪制破損應(yīng)力圓并確定摩擦角和粘聚力，如下圖所示。固結(jié)排水剪強度包線三、無側(cè)限抗壓試驗無側(cè)限抗壓強度試驗是周圍壓力3=0（無側(cè)限）的一種特殊三軸壓縮試驗，又稱單軸試驗，該試驗多在無側(cè)限抗壓儀上進行,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-12（a）。無側(cè)限抗壓強度試驗過程請參見動畫演示試驗時，在不加任何側(cè)向壓力的情況下，對圓柱體試樣施加軸向壓力，直至試樣剪切破壞為止。試樣破壞時的軸向壓力以qu表示，稱為無側(cè)限抗壓強度。對于飽和軟粘土，可以認為=0，此時其抗剪強度線與軸平行，且有cu=qu/2。所以，可用無側(cè)限抗壓試驗測定飽和軟粘土的強度如圖5-12（b）。四、十字板剪切試驗十字板剪切試驗是一種土的抗剪強度的原位測試方法，這種試驗方法適合于在現(xiàn)場測定飽和軟粘土的原位不排水抗剪強度。十字板剪切試驗采用的試驗設(shè)備主要是十字板剪力儀。試驗時，先將十字板壓入土中至測試的深度，然后由地面上的扭力裝置對鉆桿施加扭矩，使埋在土中的十字板扭轉(zhuǎn)，直至土體剪切破壞（破壞面為十字板旋轉(zhuǎn)所形成的圓柱面）。其他內(nèi)容參見相關(guān)書籍。五、飽和粘性土剪切試驗方法的選擇根據(jù)排水條件，室內(nèi)抗剪強度試驗有以下三種方法：1不固結(jié)不排水剪(或稱快剪)這種試驗方法在全部剪切試驗過程中都不讓土樣排水固結(jié)。2固結(jié)不排水剪(或稱固結(jié)快剪)在周圍壓力（或法向壓力）作用下使土樣完全固結(jié)，而在土樣的剪切至破壞的過程中不（或