土及抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法(經(jīng)典)

1、土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法【中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院】抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、值，是土體的重要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，正確地測(cè)定和選擇土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是土工計(jì)算中十分重要的問(wèn)題。  土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是通過(guò)土工試驗(yàn)確定的。室內(nèi)試驗(yàn)常用的方法有直接剪切試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)；現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試的方法有十字板剪切試驗(yàn)和大型直剪試驗(yàn)。 一、直接剪切試驗(yàn)(一)試驗(yàn)儀器與基本原理直剪試驗(yàn)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(dòng)試樣產(chǎn)生位移并測(cè)定相應(yīng)的剪應(yīng)力；后者則是對(duì)試樣分級(jí)施加水平剪應(yīng)力，同時(shí)測(cè)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(yàn)時(shí)，垂直壓力由杠桿系統(tǒng)通過(guò)加壓活塞和透水石傳給土樣，水平剪應(yīng)力則由輪軸推動(dòng)活動(dòng)的下盒施加給土樣。土體的抗剪強(qiáng)度可由量力環(huán)測(cè)定，剪切變形由百分表測(cè)定。在施加每一級(jí)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(yàn)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(jí)法向應(yīng)力下相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度f(wàn)。變換幾種法向應(yīng)力的大小，測(cè)出相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度f(wàn)。在-坐標(biāo)上，繪制曲線，即為土的抗剪強(qiáng)度曲線，也就是莫爾-庫(kù)倫破壞包線，如圖5-10所示。(二)試驗(yàn)方法分類為了在直剪試驗(yàn)中能盡量考慮實(shí)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(yàn)方法來(lái)近似模擬土體在受剪時(shí)的

3、不同排水條件，由此產(chǎn)生了三種不同的直剪試驗(yàn)方法，即快剪、固結(jié)快剪和慢剪。（1）快剪。快剪試驗(yàn)是在土樣上下兩面均貼以臘紙，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(qiáng)度指標(biāo)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(guò)程中來(lái)不及排水，得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)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(guò)程中一直充分排水和產(chǎn)生體積變形，得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)用cs、s表示。(三)試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍直接剪切試驗(yàn)是測(cè)定土的

4、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)常用的一種試驗(yàn)方法。它的優(yōu)點(diǎn)是具有儀器設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便等。它的缺點(diǎn)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(guò)程中，土樣剪切面逐漸縮小，而在計(jì)算抗剪強(qiáng)度時(shí)仍按土樣的原截面積計(jì)算；4）試驗(yàn)時(shí)不能嚴(yán)格控制排水條件，并且不能量測(cè)孔隙水壓力。直剪試驗(yàn)適用于二、三級(jí)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(yàn)(一)試驗(yàn)儀器與基本原理三軸剪切試驗(yàn)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(cè)系統(tǒng)等組成。實(shí)物圖 構(gòu)造示意圖試驗(yàn)時(shí)，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(yàn)過(guò)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(shí)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(gè)莫爾圓。用同一種土制成34個(gè)土樣，按上述方法進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)每個(gè)土樣施加不同的周圍壓力3，可分別求得剪切破壞時(shí)對(duì)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(guò)這些莫爾圓的切點(diǎn)的直線就是土的抗剪強(qiáng)度線，由此可得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、值(圖5-11)。圖511 三軸試驗(yàn)基本原理(a)試樣圍

6、壓 (b)破壞時(shí)試樣主應(yīng)力 (c)應(yīng)力圓與強(qiáng)度包線有關(guān)直剪試驗(yàn)的進(jìn)一步內(nèi)容請(qǐng)進(jìn)入三軸試驗(yàn)指導(dǎo)（內(nèi)容包括試驗(yàn)方法、設(shè)備圖片、試驗(yàn)錄象等)：三軸壓縮試驗(yàn)是測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度的一種方法。它通常用3-4個(gè)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(jìn)行剪切直到破壞；然后根據(jù)摩爾-庫(kù)倫理論，求得抗剪強(qiáng)度參數(shù)。適用于測(cè)定細(xì)粒土及砂類土的總抗剪強(qiáng)度參數(shù)及有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)。本次試驗(yàn)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(yàn)方法分類按剪切前的固結(jié)程度和剪切過(guò)程中的排水條件三軸試驗(yàn)可分為三種類型：（1）不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU）試驗(yàn)過(guò)程由始至

7、終關(guān)閉排水閥門，土樣在剪切破壞時(shí)不能將土中的孔隙水排出。土樣在加壓和剪切過(guò)程中，含水量始終保持不變，得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)用cu、u表示。觀看試驗(yàn)過(guò)程動(dòng)畫演示（2）固結(jié)不排水試驗(yàn)（CU）先對(duì)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(qiáng)度指標(biāo)用ccu、cu表示。觀看試驗(yàn)過(guò)程動(dòng)畫演示（3）固結(jié)排水試驗(yàn)（CD）在固結(jié)過(guò)程和的施加過(guò)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(qiáng)度指標(biāo)用ccd、cd表示。觀看試驗(yàn)過(guò)程

8、動(dòng)畫演示(三)試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）UU試驗(yàn)可嚴(yán)格控制排水條件；（2）CU試驗(yàn)可量測(cè)孔隙水壓力；（3）CD試驗(yàn)破裂面在最軟弱處。缺點(diǎn)：（1）2=3，軸對(duì)稱；（2）實(shí)驗(yàn)比較復(fù)雜（四）試驗(yàn)成果整理：1不固結(jié)不排水試驗(yàn)（1）軸向應(yīng)變應(yīng)按下式計(jì)算。式中軸向應(yīng)變值（）；hi剪力過(guò)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(jì)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(jì)算：式中1大主應(yīng)力(KPa）；3小主應(yīng)力(KPa)；C測(cè)力計(jì)率定系數(shù)（ N0.0lmm或NmV）；R測(cè)力計(jì)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(diǎn)，無(wú)峰值時(shí)，取15軸向應(yīng)變時(shí)的主應(yīng)力差值作為破壞點(diǎn)。以法向應(yīng)力為橫坐標(biāo)，剪應(yīng)力為縱座標(biāo)，在橫坐標(biāo)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(qiáng)度參數(shù)c、j，下圖所示。不固結(jié)不排水剪強(qiáng)度包線2固結(jié)不排水試驗(yàn) （1）按下式計(jì)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(jì)算： 式中Ac試樣固結(jié)后的斷面積(cm2)。 （3）剪切時(shí)試樣的校正面積，按下式計(jì)算。 （

10、4）主應(yīng)力差與不固結(jié)不排水試驗(yàn)計(jì)算方法相同。 （5）孔隙水壓力系數(shù)，按下列公式計(jì)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(shí)孔隙水壓力系數(shù) 式中Af破壞時(shí)的孔隙水壓力系數(shù)； uf試樣破壞時(shí)，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(qiáng)度包線 3固結(jié)排水試驗(yàn) 剪切時(shí)試樣的校正面積，應(yīng)按下式計(jì)算。 式中：Vi剪切過(guò)程中試樣的體積變化（cm3） hi剪切過(guò)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(yàn)的相應(yīng)公式計(jì)

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(qiáng)度包線三、無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是周圍壓力3=0（無(wú)側(cè)限）的一種特殊三軸壓縮試驗(yàn)，又稱單軸試驗(yàn)，該試驗(yàn)多在無(wú)側(cè)限抗壓儀上進(jìn)行,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-12（a）。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程請(qǐng)參見動(dòng)畫演示試驗(yàn)時(shí)，在不加任何側(cè)向壓力的情況下，對(duì)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(shí)的軸向壓力以qu表示，稱為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。對(duì)于飽和軟粘土，可以認(rèn)為=0，此時(shí)其抗剪強(qiáng)度線與軸平行，且有cu=qu/2。所以，可用無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)測(cè)定飽和軟粘土的強(qiáng)度如圖5-12（b）。四、十字板剪切試驗(yàn)十字板剪切試驗(yàn)是一種土的抗剪強(qiáng)度的原位測(cè)試方法，這種試驗(yàn)方法適合于在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定飽和軟粘土的原位不排水抗剪強(qiáng)度。十字板剪切試驗(yàn)采用的試驗(yàn)設(shè)備主要是十字板剪力儀。試驗(yàn)時(shí)，先將十字板壓入土中至測(cè)試的深度，然后由地面上的扭力裝置對(duì)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(yàn)方法的選擇根據(jù)排水條件，室內(nèi)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)有以下三種方法：1不固結(jié)不排水剪(或稱快剪)這種試驗(yàn)方法在全部剪切試驗(yàn)過(guò)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(guò)程中不（或