宋效蘭

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

1 引言

土的抗剪強度是土的一個重要力學(xué)性質(zhì)。在試驗室內(nèi)測定土的抗剪強度的常用方法有直接剪切試驗和三軸壓縮試驗。試驗任務(wù)是測定土的強度指標內(nèi)摩擦角和凝聚力。這些指標在計算地基承載力、評價地基和邊坡穩(wěn)定性以及計算擋墻壓力和基坑支護中都是不可缺少的重要參數(shù)。在水利工程中，土壩修建完成后，壩身在自重壓力下完全固結(jié)，通常采用直剪試驗的飽和固結(jié)快剪或三軸試驗中固結(jié)不排水剪切試驗測定土的抗剪強度指標。這兩種試驗都是要對試件進行飽和，然后施加外力，對土樣進行固結(jié)后在不排水的情況下進行的剪切。本文取4組土樣分別進行直剪飽和固結(jié)快剪、三軸固結(jié)不排水剪切試驗，并對這兩種方法及測定的總應(yīng)力抗剪強度進行比較，為指標的選用提供依據(jù)。

2 直剪飽和固結(jié)快剪試驗

直剪飽和固結(jié)快剪試驗是對飽和后的試件施加垂直荷重，讓孔隙水壓力消散，再施加水平剪力，在3~5min內(nèi)將土剪壞，不讓含水率發(fā)生變化。因孔隙水壓力不好測定，該試驗測出的強度為總應(yīng)力抗剪強度。

2.1 儀器設(shè)備

直剪飽和固結(jié)快剪試驗采用ZJ—應(yīng)變控制四聯(lián)直剪儀。位移傳感器的量程為10mm，準確度為全量程的0.2%，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。

2.2 樣品制備

采用直徑61.8mm×20mm環(huán)刀切取原狀土樣，每組3塊，密度差不小于0.03g/cm3。將制取的試樣裝入飽和架放入真空缸中抽氣飽和，當(dāng)真空度接近一個大氣壓后，繼續(xù)抽氣1h，然后緩慢注入清水，并使真空度保持穩(wěn)定。待飽和架完全淹沒后，停止抽氣，解除飽和罐內(nèi)真空，讓試件在飽和罐內(nèi)靜置10h以上。

2.3 試驗方法

將剪切盒的上下盒對準，插入固定銷釘，下盒底部放一塊透水石，透水石上安裝一張濾紙。將制備好的試樣環(huán)刀刃口向上，平口朝下，對準剪切盒口，在試樣上依次放入一張濾紙與透水板，將試樣小心地推入剪切盒內(nèi)，轉(zhuǎn)動手輪，剪切盒向前移動，使剪切盒上盒前鋼珠與測力計接觸，在剪切盒頂部透水石上依次加上剛性傳壓板與加壓框架，安裝豎向位移量測裝置。施加豎向壓力（ 100kPa，200kPa，300kPa）使試樣固結(jié)穩(wěn)定，即1h豎向變形值不大于0.05mm。拔去固定銷釘，以0.8mm/min的剪切速率進行剪切，出現(xiàn)峰值時，取峰值作為抗剪強度；無峰值時，以剪切位移4mm對應(yīng)的剪應(yīng)力作為抗剪強度值。

2.4 計算方法

剪切試驗的結(jié)果按照庫侖定律S=C+δtanΦ計算抗剪強度。

式中：S——土的抗剪強度，kPa；

C——土的黏聚力，kPa；

δ——作用于剪切面上的法向應(yīng)力，kPa；

Φ——土的內(nèi)摩擦角，°。

用相同比例尺在坐標紙上以抗剪強度S為縱軸，以垂直壓力P為橫軸，繪制相關(guān)直線，直線與縱軸相交的截距為土的黏聚力，直線傾斜角為土的內(nèi)摩擦角。

3 三軸固結(jié)不排水剪切試驗

三軸固結(jié)不排水剪切試驗是將飽和后的試樣先在某一周圍壓力作用下排水固結(jié)，然后在保持不排水的情況下，快速增大軸向壓力，使試樣中的剪應(yīng)力逐漸增大，直至達到極限平衡而剪切，由此求得土的抗剪強度參數(shù)。本試驗不僅能測出土樣的總應(yīng)力抗剪強度，而且可以測出固結(jié)穩(wěn)定后土樣中的孔隙水壓力，根據(jù)孔隙水壓力+有效應(yīng)力=總應(yīng)力，從而求出土樣的有效應(yīng)力強度。

3.1 儀器設(shè)備

采用TSZ-1型應(yīng)變控制式三軸儀，安裝孔隙水壓力傳感器和位移傳感器。

3.2 樣品制備

將土樣切成h=8.0cm，ф=3.91cm圓柱體試樣，每組4塊，裝入飽和器，放入抽氣缸進行抽氣飽和，然而上述方法并不能使試樣達到完全飽和，尤其是低滲透性的細粒土試樣，因此，需要在儀器上對試樣施加反壓力，反壓力可使試樣達到完全飽和狀態(tài)。

3.3 試驗方法

在進行固結(jié)不排水試驗中，為了加速試樣固結(jié)，一般在試樣外貼上下連續(xù)的濾紙條，覆蓋側(cè)面達50%以上，將貼好條的土樣套在橡皮膜內(nèi)，放在密閉的壓力室中施加周圍壓力。在施加周圍壓力時，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，然后再施加豎向壓力，使試樣在不排水的條件下剪切破壞。

3.4 計算結(jié)果

根據(jù)摩爾—庫倫理論，將同一土樣分別在100kPa，200kPa，300kPa壓力條件下所得的三軸剪切試驗結(jié)果，分別繪制摩爾圓，根據(jù)這些摩爾圓的包線即可求出抗剪強度指標。根據(jù)孔隙水壓力和總壓力，可以同樣繪出有效應(yīng)力摩爾圓和有效應(yīng)力強度包線，求出有效應(yīng)力抗剪強度指標。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 試驗結(jié)果

將4組土樣按照要求分別制取直剪與三軸的檢測樣品，并對制取的樣品分別放于儀器上檢測，結(jié)果見表1。

表1 飽和固結(jié)剪與固結(jié)不排水三軸試驗成果比較

4.2 測定結(jié)果對比

通過上述檢測結(jié)果可以看出，對同一組試件來說，直剪飽固快得出的抗剪強度值大于三軸飽和固結(jié)不排水得出的總應(yīng)力抗剪強度。這是因為直剪飽固快在剪切過程中不能嚴格控制排水，部分水份從剪切盒縫隙排出，含水量發(fā)生了變化，且剪切面積隨剪切位移的增加逐漸變小，剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻，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。三軸剪切試驗?zāi)芎芎玫乜刂婆潘⒖梢粤繙y土樣中孔隙水壓力的變化。此外，三軸試驗中試樣的應(yīng)力狀態(tài)也比較明確，剪切破壞時的破裂面在試樣最弱處。

5 結(jié)語

在實際工作中，應(yīng)根據(jù)工程的地基條件、工程進度、試驗方法等進行選擇。飽固快直剪試驗操作簡單，運用方便，周期較短，但準確率稍差。三軸固結(jié)不排水試驗準確性好，而且能夠進行有效應(yīng)力強度檢測，但周期較長，操作復(fù)雜，對操作人員素質(zhì)要求也高。但這兩種試驗都是在理想化的室內(nèi)條件下進行的，與實際環(huán)境還有很大差異，因此，工作人員一定要具體分析工程的實際條件，提出切合實際的剪切方法。