土的室內剪切試驗及抗剪強度分析(共7頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上土的室內剪切試驗及抗剪強度分析土的室內剪切試驗及抗剪強度分析 摘要：通過對土工試驗中直接剪切試驗與三軸壓縮試驗所測得的抗剪強度進行對比與分析，指出三軸壓縮試驗提供的數(shù)據(jù)更為準確可靠，為工程技術人員使用抗剪強度指標提供了依據(jù)，從而對工程不同的要求提出不同的試驗方法。 關鍵詞：抗剪強度；直接剪切試驗；三軸壓縮試驗 中圖分類號： TG333.2+1 文獻標識碼： A 文章編號： 1 概述 土的抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限抵抗能力，其數(shù)值等于剪切破壞時滑動面上剪應力，是土的重要力學性質指標之一。許多建筑物地基的破壞、人工或自然斜坡的滑動以及擋土墻移動或傾倒等，都是由于土

2、內的剪應力超過其本身的抗剪強度而引起的。因此，研究土的強度特性，主要是研究土的抗剪性。 土是由固體顆粒組成的，土粒間的連結強度遠遠小于土粒本身的強度，在剪應力作用下，多數(shù)土體發(fā)生的剪切破壞，并不是土粒本身的破壞，而是土粒間發(fā)生相互錯動，引起土的一部分相對另一部分沿著某個面發(fā)生與剪切方向一致的滑動。 抗剪強度由土顆粒之間的內摩擦角 以及由膠結物和束縛水膜的分子引力所產(chǎn)生的粘聚力 C兩個參數(shù)組成。在計算承載力、評價地基穩(wěn)定性以及計算擋土墻的土的壓力時，都要用到抗剪強度指標。偏高或偏低的估計土的抗剪強度，都會給工程帶來破壞和浪費。因此，提供準確可靠的抗剪強度指標、合理地使用抗剪強度指標在工程上具有重

3、要意義。 2 土的抗剪強度的測定 測定土的抗剪強度的試驗主要是模擬土剪切破壞時的應力和工作條件，利用室內或現(xiàn)場儀器進行土的剪切試驗。室內常用的有直接剪切試驗、三軸壓縮試驗、無側限抗壓強度試驗；現(xiàn)場原位測試有十字板剪切試驗、現(xiàn)場直接剪切試驗等。選擇不同的試驗方法所測的抗剪強度各不相同。本文主要針對土的直接剪切試驗的三種方法及快剪試驗與不固結不排水（UU）試驗兩種方法測得的抗剪強度指標進行對比分析。 2.1 直接剪切試驗 目前，直接剪切試驗國內多采用四聯(lián)應變控制式直剪儀。該儀器構造簡單，操作方便，易于掌握。通常采用同一土樣的4個試樣，將試樣置于剪切盒中，分別在不同的垂直應力下施加水平剪力使試樣剪壞

4、，通過量測量力環(huán)的變形值，可算出剪應力的大小，得到相應的抗剪強度f，根據(jù)抗剪強度基本理論庫侖定律：在法向應力變化范圍不大時，抗剪強度與法向應力的關系近似為一條直線。因此，以抗剪強度f為縱坐標，垂直應力為橫坐標，繪制f關系曲線（如圖2），應用線性回歸求出抗剪強度直線方程ftanC，直線傾角為內摩擦角，縱坐標軸上的截距即為土的粘聚力C。 圖1直接剪切試驗 1、剪切上盒（固定）2、剪切下盒（活動）3、土樣 A、試樣面積 垂直壓力（kPa） 圖2關系曲線C土的粘聚力 土的內摩擦角 直接剪切試驗分為快剪（q）、固結快剪（Cq）和慢剪（S）。 快剪（不排水剪）（q）：快剪是在試樣上施加垂直壓力后，立即快速

5、施加水平剪力，以0.8mm/min（4圈/min）的剪切速率，使試樣在35min內剪損?？旒粼囼灍o論施加垂直壓力或水平剪力都必須迅速進行，試驗過程中不允許有水排出，這時垂直壓力大部分由孔隙水來承擔?？旒粼囼炗龅綐悠凡痪鶆驎r，一般將試樣按軟、硬、軟、硬的順序排列做試驗；若按軟、軟、硬、硬排列試驗，會出現(xiàn)粘聚力C為負值或內摩擦角偏大的現(xiàn)象。 固結快剪（固結不排水剪）（Cq）：固結快剪是在試樣施加垂直壓力后，待試樣充分排水固結穩(wěn)定后，立即快速施加水平剪力，然后按快剪方法使試樣剪切破壞。固結快剪在試樣固結過程中允許試樣充分排水固結，然后用很快的速度施加水平剪力，在剪切過程中不允許排水。 慢剪（固結排水

6、剪）（S）：慢剪是在試樣施加垂直壓力后，待試樣充分排水固結穩(wěn)定后，然后慢慢地施加水平剪力，0.02mm/min(1圈/10min)的剪切速率剪切至試驗結束。慢剪試驗在剪切過程中要使土中的水充分排出，使孔隙水壓力消散，使試樣排水后剪損。慢剪試驗在制樣、裝樣、固結過程方面與固結快剪相同，只是慢剪的剪切速率為0.02mm/min。 直接剪切試驗的三種試驗方法其測得結果各異。 以“田灣核電站3、4號機組工程項目施工倉庫巖土工程詳勘”分別對黏性土、粉土、砂土進行對比試驗，結果見表1。從表1可以看出， 無論是粘聚力C還是內摩擦角，對于同一個土樣都有：快剪固快慢剪。對于黏性土三種試驗方法C、值變化較大，并且

7、土越軟，差別越大；粉土3種試驗方法C、值變化不大；而砂土C、值幾乎沒有多大變化。 直接剪切試驗抗剪強度對照表 表1 土樣 具體采用哪一種直剪試驗應根據(jù)工程技術要求結合土層的具體情況而定。例如在深厚的高塑性黏土地基上，透水性差，施工速度快，預計土層在施工期排水固結程度很小，就應當采用快剪的參數(shù)來分析地基的穩(wěn)定性；如施工期很長，預計土層能夠充分排水固結，但竣工后可能有瞬時荷載，在這種情況下可以用固結快剪的參數(shù)?？旒粼囼炓话阌糜跐B透系數(shù)小于10-6cm/s 的黏性土；而慢剪試驗則對滲透系數(shù)無要求；對于砂性土一般用固結快剪的方法進行。 2.2 三軸壓縮試驗 三軸壓縮試驗是測定土抗剪強度的另一種常用方法

8、，采用應變控制式三軸儀。將土切成圓柱體套在橡皮膜內，放入密封的壓力室中，然后向壓力室壓入水，使試樣在各個方向受到周圍壓力（圍壓）3，并使液壓在整個試驗過程中保持不變，這時試樣內各向的三個主應力相等，因此不發(fā)生剪切如圖3（a）。然后通過傳力桿在試樣頂面施加豎向壓應力1（即主應力差），這樣豎向主應力1（131）就大于水平向主應力（圍壓）3，隨著豎向壓應力1的增大，剪應力隨之增大，直至土樣被剪壞，這時，作用于土樣上的最大主應力131，最小主應力3如圖3（b）以剪應力為縱坐標，法向應力為橫坐標，在橫坐標軸上以破壞時的（1+3）/2為圓心，（13）/2為半徑，在應力平面上繪制1個莫爾破損應力圓。取同一種

9、土的34個試樣，在不同的圍壓下3下進行剪切，得到各個試樣剪壞時不同的最大主應力1，可畫出34個大小不同的莫爾破損應力圓，并繪制這些莫爾破損應力圓的公切線，根據(jù)摩爾庫侖強度理論，這些莫爾破損應力圓的公切線就是土的抗剪強度包線，包線在縱坐標軸上的截距即為試樣的粘聚力C，包線的傾角即為試樣的內摩擦角如圖3（c）。 根據(jù)試樣剪切前的固結狀態(tài)和剪切時的排水條件，三軸壓縮試驗分為不固不排水剪（UU）試驗、固結不排水剪（CU）測孔隙水壓力（）試驗和固結排水剪（CD）試驗。 同一種試樣，采用不同的三軸試驗方法，試驗結果所得到的抗剪強度指標C與值都不相同，下面分別進行闡述。 不固結不排水剪（UU）：試樣在施加周

10、圍壓力和隨后施加增加垂直壓力直至剪壞的整個過程中不允許排水，試驗過程中自始至終關閉排水閥門。本試驗可以測得總抗剪強度參數(shù)Cu、u。 固結不排水剪（CU）：試樣在施加周圍壓力3后打開排水閥門，允許排水固結，待試樣固結穩(wěn)定后關閉排水閥門，使試樣在不排水條件下剪切破壞。本試驗可測得總抗剪強度參數(shù)Ccu、cu或有效抗剪強度參數(shù) C、及初始孔隙水壓力系數(shù)B和破壞時孔隙水壓力系數(shù)Af 。 固結排水剪（CD）：試樣在施加周圍壓力3后打開排水閥門，允許排水固結，待試樣固結穩(wěn)定后，再在排水條件下施加垂直壓力至試樣剪切破壞，試驗過程排水閥門始終是開啟的。本試驗可測得有效抗剪強度參數(shù)Cd、d。 3 試驗結果的對比

11、巖土工程勘察中通常要采用快剪或不固結不排水剪（UU）抗剪強度指標，這兩種試驗方法雖然都是不固結不排水剪，但是試驗結果卻存在較大的差異。下面通過“田灣核電站3、4號機組工程項目施工倉庫巖土工程詳勘”的成果對比（見表2）對兩種試驗方法的試驗結果進行對比探討，為工程技術人員使用抗剪強度指標提供了一定的依據(jù)。表 2 列出了該工程具有代表性的土樣的兩種測定結果，由表2 可見，對于砂土，兩種方法得到的結果很接近，快剪得到的內摩擦角略大；但對于黏性土，兩種試驗結果相差較大，快剪得到的內摩擦角比不固結不排水剪（UU）大，而且土越軟這種現(xiàn)象明顯，有時甚至達2倍以上，快剪得到的粘聚力一般比不固結不排水剪（UU）小

12、，差別沒有內摩擦角那么明顯，但也并不是所有試樣的不固結不排水剪（UU）的粘聚力都比快剪大。 快剪和不固結不排水剪（UU）剪切成果 表2 4 試驗結果的分析 通過對大量試驗結果的對比可知，快剪試驗得到的內摩擦角普遍比不固結不排水剪（UU）試驗測得的內摩擦角大，這是由于快剪試驗剪切面是固定的，它是假定剪切盒之間的平面為剪切面，而剪切面積隨剪切位移的增加而減小，剪切力和剪應變分布都不均勻，且不能嚴格控制排水，部分水分從剪切盒縫隙排出，使得含水率較大的土樣內摩擦角值偏大。而三軸（UU）試驗剪切面是不固定的，剪切面是試樣抗剪能力最弱的面，剪切力和剪應變分布均勻，且能嚴格控制排水，三軸壓縮試驗正是克服了直

13、剪試驗缺點而進行的試驗，所以三軸壓縮試驗能更好的模擬土體受力情況，所提供的數(shù)據(jù)更為準確可靠。但三軸試驗操作復雜，所需試樣較多，費用高，而直剪試驗儀器構造簡單，操作方便，費用低，雖存在不少缺點，但由于直剪試驗指標在生產(chǎn)實踐中已積累了大量經(jīng)驗，在一般工程中還是廣泛應用。 5 試驗方法的選定 室內測定土抗剪強度指標的剪切試驗有直剪試驗和三軸試驗。根據(jù)試樣剪切前的固結狀態(tài)和剪切時的排水條件，直剪試驗分為快剪（q）、固結快剪（Cq）和慢剪（S），相應的三軸試驗分為不固結不排水剪（UU）、固結不排水剪（CU）和固結排水剪（CD）。 由于直剪試驗和三軸試驗的剪切面位置不同、應力路徑不同、應力水平不同、控制排

14、水的嚴格程度不同，常常發(fā)現(xiàn)根據(jù)二者試驗結果求得的粘聚力、內摩擦角也不同。一般來說，當土樣均質、各向同性，對滲透性較低的土，三軸試驗UU與快剪（q）二者結果相對接近；對滲透性較大的土，三軸試驗CD與慢剪（S），二者結果相對接近。 當?shù)鼗鶠楹駥语柡宛ば酝?，排水條件差，建筑物施工工期又很短，黏性土層在施工期來不及固結，就應采用快剪（q）或不固結不排水剪（UU）測定土的抗剪強度；當?shù)鼗鶠轲ば酝帘?，而其上下土層透水性較好或采取了排水措施時，但竣工后可能有瞬時荷載，宜采用固結快剪（Cq）或固結不排水剪（CU）測定土的抗剪強度；當?shù)鼗翆幽茏杂膳潘?，透水性能良好，不容易產(chǎn)生孔隙水壓力，宜采用慢剪（S）或固

15、結排水剪（CD）測定土的抗剪強度。 6 結語 在實際工作中，地基條件和加荷情況不一定十分明確，直剪試驗和三軸試驗是在理想化的室內試驗條件下進行的，與實際工程之間存在一定的差異，因此，工程技術人員在選用指標前需要具體分析地基的各種條件，并結合類似工程加以判斷，提出能反映實際的剪切方法和試驗要求。如果僅僅是為了查明場地土體的抗剪強度（粘聚力、內摩擦角），那么做直剪試驗就可以了，直剪試驗的試驗方法，應根據(jù)荷載類型、加荷速率和地基土的排水條件、土質情況等有選擇地采用，在選擇施加荷重時，應考慮土的狀態(tài)，地質不均勻的土樣、低塑性粘性土、粉土、砂土不宜進行直剪快剪試驗。對于大型或特殊工程，要查明土體的強度及應力應變