1、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)測定電子教材士工技術(shù)與應(yīng)用項(xiàng)目組2015年3月土工技術(shù)與應(yīng)用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)測定確定土的抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)稱為剪切試驗(yàn)。剪切試驗(yàn)的方法有多種，在試驗(yàn)室內(nèi) 常用的有直接剪切試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓試驗(yàn)等，現(xiàn)場原位測試有十字 板剪切試驗(yàn)等。1.直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)是測定土的抗剪強(qiáng)度的最簡便和最常用的方法通常取四個(gè)試樣， 分別施加不同的垂直壓力 仃進(jìn)行剪切試驗(yàn)，求得相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度 Tf o將a與O繪于 直角坐標(biāo)系中，即得該士的抗剪強(qiáng)度包線，如圖 1所示。強(qiáng)度包線與仃軸的夾角即 為內(nèi)摩擦角中，在七軸上的截距即為土的黏聚力Co繪圖時(shí)須注意縱橫坐標(biāo)的比例一17 i j 01002003004

2、（X1垂苑技力。住Pai圖1直剪試驗(yàn)的成果表示直剪儀構(gòu)造簡單，操作方便，因而在一般工程中被廣泛采用。但該試驗(yàn)存在著下述不足：（1）不能嚴(yán)格控制排水條件，不能量測試驗(yàn)過程中試樣的孔隙水壓力；（2） 試驗(yàn)中人為限定上下盒的接觸面為剪切面，而不是沿土樣最薄弱的面剪切破壞；（3） 剪切過程中剪切面上的剪應(yīng)力分布不均勻，剪切面積隨剪切位移的增加而減小。因 此，直剪試驗(yàn)不宜作為深入研究士的抗剪強(qiáng)度特性的手段。2.三軸剪切試驗(yàn)三軸剪切試驗(yàn)所用的儀器是三軸剪力儀，有應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種。前 者操作較后者簡單，因而使用廣泛。應(yīng)變控制式三軸剪力儀的主要工作部分包括反 壓力控制系統(tǒng)、周圍壓力控制系統(tǒng)、壓力室、

3、孔隙水壓力測量系統(tǒng)、試驗(yàn)機(jī)等。圖 2為三軸剪力儀組成示意圖。土工技術(shù)與應(yīng)用圖2三軸剪力儀示意圖1反壓力控制系統(tǒng)I 2軸向測力計(jì)F 3軸向位一移計(jì)F 1試監(jiān)機(jī)橫梁，5孔朦水壓力重俄系統(tǒng)I6活塞: 7壓力室* &升降白，9盤水th I口試驗(yàn)機(jī)t H-周南壓力控制系統(tǒng)12根力源；廣 體變管* I1TM陽田力閥：15片管樹：16扎聯(lián)年力腳】7一手輪？18體變管睥；19排水管；20孔隙陛力借他融t 21排水懺閥三軸試驗(yàn)采用正圓柱形試樣。試驗(yàn)的主要步驟為： (1)將制備好的試樣套在橡 皮膜內(nèi)置于壓力室底座上，裝上壓力室外罩并密封；(2)向壓力定充水使周圍壓力達(dá) 到所需的j,并使液壓在整個(gè)試驗(yàn)過程中保持不變

4、；(3)按照試驗(yàn)要求關(guān)閉或開啟 各閥門，開動馬達(dá)使壓力室按選定的速率上升，活塞即對試樣施加軸向壓力增量口,%=J ，如圖3-39( a)所示。假定試驗(yàn)上下端所受約束的影響忽略不計(jì)， 則軸向即為大主應(yīng)力方向，試樣剪破面方向與大主應(yīng)力作用面平面的夾角為9% =45一+金，如圖3 ( b)所示。按試樣剪破時(shí)的 巴和。3作極限應(yīng)力圓，它必與抗剪 強(qiáng)度包線切于A點(diǎn)，如圖3 (c)所示。A點(diǎn)的坐標(biāo)值即為剪破面 m-n上的法向應(yīng)力af與極限剪切應(yīng)力f(A)M圖3三軸剪切試驗(yàn)示意圖試樣受到冏國壓應(yīng)力.破壞時(shí)試樣I:應(yīng)力；極限應(yīng)力!抗的強(qiáng)度也緩試驗(yàn)時(shí)一般采用34個(gè)土樣，在不同的 J作用下進(jìn)行剪切，得出34個(gè)不同

5、土工技術(shù)與應(yīng)用的破壞應(yīng)力圓，繪出各應(yīng)力圓的公切線，即為抗剪強(qiáng)度包線，通常近似取一直線。由此求得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、邛值如圖3(d)所示。三軸試驗(yàn)的突出優(yōu)點(diǎn)是能嚴(yán)格地控制試樣的排水條件，從而可以量測試樣中的 孔隙水壓力，以定量地獲得土中有效應(yīng)力的變化情況， 試樣中的應(yīng)力分布比較均勻， 所以三軸試驗(yàn)成果較直剪試驗(yàn)成果更加可靠、準(zhǔn)確；但該儀器較復(fù)雜，操作技術(shù)要 求高，且試樣制備也比較麻煩，且試驗(yàn)是在軸對稱情況下進(jìn)行的，即。2=仃3,這與一般土體實(shí)際受力有所差異。為此，有 5#。2#。3的真三軸剪力儀、平面應(yīng)變儀等 能更準(zhǔn)確地測定不同應(yīng)力狀態(tài)下土的強(qiáng)度指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)儀器。3.不同排水條件下的試驗(yàn)方法士的抗剪強(qiáng)

6、度與試驗(yàn)時(shí)的排水條件密切相關(guān)，根據(jù)土體現(xiàn)場受剪的排水條件， 有三種特定的試驗(yàn)方法可供選擇，即三軸剪切試驗(yàn)中的不固結(jié)不排水剪、固結(jié)不排 水剪和固結(jié)排水剪，對應(yīng)直剪試驗(yàn)中的快剪、固結(jié)快剪和慢剪。按上述三種特定試 驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)所得的成果，其表示方法是在c、中符號右下角分別標(biāo)以表示不同排 水條件的符號，見表1。表1剪切試驗(yàn)成果表達(dá)直接剪切三軸剪切試驗(yàn)方法成果表達(dá)試驗(yàn)方法成果表達(dá)快剪cq, Q不排水剪“中u固結(jié)快剪Gq, Qq固結(jié)不排水剪ccu,中 cu慢剪cs,必排水剪cd,中d在剪切試驗(yàn)中，c、中稱為總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。根據(jù)土的有效應(yīng)力原理和固結(jié)理 論可知，士的抗剪強(qiáng)度并不是由剪切面上的法向總應(yīng)力決定

7、，而是取決于剪切面上 的有效法向應(yīng)力，因此按有效應(yīng)力計(jì)算的土的抗剪強(qiáng)度f 二 c 二 tan :(1)式中一一剪切破壞面上的法向有效應(yīng)力(kPa)；c中一一分別為土的有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角，即土的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。目前在工程中存在著兩套指標(biāo)并用的現(xiàn)象。對于三軸試驗(yàn)成果，除用總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)表達(dá)外，還可用有效應(yīng)力指標(biāo) c、表示，且對同一種土無論是用UU CU或CD試驗(yàn)成果，都可獲得相同的c、邛，它們不隨試驗(yàn)方法而改變，如圖 4所示。土工技術(shù)與應(yīng)用圖4 CU試驗(yàn)成果確定C,、*如前所述，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨試驗(yàn)方法、排水條件的不同而異，因而在實(shí)際 工程中應(yīng)該盡可能根據(jù)現(xiàn)場條件決定室內(nèi)試驗(yàn)方法，以獲得

8、合適的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。 見表2。表2地基土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選用試驗(yàn)方法適用條件不排水剪或快剪地基土的透水性和排水條件不良，建筑物施工速度較快排水剪或慢剪地基土的透水性好，排水條件較佳，建筑物加荷速率較慢固結(jié)不排水剪或固建筑物竣工以后較久，荷載又突然增大 (如房屋增層)，或地基條件等價(jià)于上述兩種結(jié)慢剪情況之間4,無側(cè)限抗壓試驗(yàn)無側(cè)限抗壓試驗(yàn)是三軸剪切試驗(yàn)的一種特例，即對正圓柱形試樣不施加周圍壓力(5 =0),而只對它施加垂直的軸向壓力 巴，由此測出試樣在無側(cè)向壓力的條件下，抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度，稱之為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。圖 5(a)為應(yīng)變控制式無側(cè) 限壓縮儀，試樣受力情況如圖5(b) o圖5應(yīng)變控制式

9、無側(cè)眼抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)I軸向加度架2軸向測力計(jì)；3試樣 d-上、F傳樂板，5-手動或電動轉(zhuǎn)輪* 6升降板I7軸向位移許無側(cè)限抗壓試驗(yàn)適用于測定飽和軟黏土的不排水強(qiáng)度，如圖 5(c)所示，即土工技術(shù)與應(yīng)用f = cu飽和黏性土的強(qiáng)度與土的結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)土的結(jié)構(gòu)遭受破壞時(shí)，其強(qiáng)度會迅速降 低，工程上常用靈敏度St來反映土的結(jié)構(gòu)性的強(qiáng)弱：S =%（3）q。式中 qu 原狀土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（kPa）;q。重塑土（指在含水量不變的條件下使土的天然結(jié)構(gòu)徹底破壞再重新制 備的土）的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（kPa）。根據(jù)靈敏度大小可將飽和黏性土分為三類：低靈敏度1St02;中靈敏度2St4。土的靈敏度越高，其結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)，

10、受擾動后土的強(qiáng)度降低就越 多。5.十字板剪切試驗(yàn)十字板剪切試驗(yàn)是一種現(xiàn)場測定飽和軟黏土的抗剪強(qiáng)度的原位試驗(yàn)方法。試驗(yàn)時(shí)預(yù)先鉆孔到接近預(yù)定施測深度，清理孔底后將十字板固定在鉆桿下端下至孔 底，壓入到孔底以下 750mm然后通過安放在地面上的設(shè)備施加扭矩，使十字板按 一定速率扭轉(zhuǎn)直至土體剪切破壞。由剪切破壞時(shí)的扭矩M 可推算土的抗剪強(qiáng)度。max土體的抗扭力矩由Mi和M2兩部分組成，即 TOC o 1-5 h z M max = Mi + M 2（4）式中Mi為柱體上下平面的抗剪強(qiáng)度對圓心所產(chǎn)生的抗扭力矩（kN m）, M2為圓柱側(cè)面上的剪應(yīng)力與圓心所產(chǎn)生的抗扭力矩 （kN m）0Q2 2 D、Mi =2黑x m %（5）43 2Mi =tD = mD0（6）2式中品 水平面上的抗剪強(qiáng)度（kPa）；D-一十字板直徑（m）;