直剪饱和固结快剪与三轴固结不排水剪切试验比较.pdf

山 西 水 利 寓 技术与应用 2 0 1 3 年第 1 期 直剪饱和固 结快剪与三轴固 结不排水剪切试验比 较 宋效兰 ( 山西省水利水 电勘测设计研 究院 ， 山西太原0 3 0 0 2 4 ) 摘要 在水利工程中，通常采用直剪试验的饱和固结快剪和三轴固结不排水剪切试验测定土的抗剪强度指 标 ， 取土样分别进行这两种试验， 并对这两种方法的特点及测定结果进行比较 ， 为工程 实践中选择更加科 学 合理的剪切方法提供依据。 关键词 抗剪强度； 直剪试验； 三轴试验 中图分类号 T U 4 1 1 7 文献标识码 c 文章编号 1 0 0 4 7 0 4 2 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 3 3 0 2 1 引言 土的抗剪强度是土的一个重要力学性质。 在试验 室内测定土的抗剪强度的常用方法有直接剪切试验 和三轴压缩试验。 试验任务是测定土的强度指标内摩 擦角和凝聚力。这些指标在计算地基承载力、 评价地 基和边坡稳定性以及计算挡墙压力和基坑支护中都 是不可缺少的重要参数。在水利工程中， 土坝修建完 成后 ， 坝身在自重压力下完全固结， 通常采用直剪试 验的饱和固结快剪或三轴试验中固结不排水剪切试 验测定土的抗剪强度指标。 这两种试验都是要对试件 进行饱和 ， 然后施加外力 ， 对土样进行 固结后在不排 水的情况下进行的剪切。 本文取 4 组土样分别进行直 剪饱和固结快剪、 三轴固结不排水剪切试验， 并对这 两种方法及测定的总应力抗剪强度进行比较 ， 为指标 的选用提供依据。 2 直剪饱和固结快剪试验 直剪饱和固结快剪试验是对饱和后的试件施加 垂直荷重， 让孔隙水压力消散， 再施加水平剪力 ， 在 3 5 m in内将土剪坏， 不让含水率发生变化。因孔隙水压 力不好测定， 该试验测出的强度为总应力抗剪强度。 2 1 仪器设备 直剪饱和固结快剪试验采用 z 卜 应变控制四联 直剪仪。位移传感器的量程为 1 0 m m， 准确度为全量 程的 0 2 ，以等速水平推动试样产生位移并测定相 应的剪应力。 2 2 样品制备 采用直径 6 1 8 m m x 2 0 m ln 环刀切取原状土样， 每 组 3 块， 密度差不小于0 0 3 m s 。将制取的试样装入 饱和架放人真空缸中抽气饱和， 当真空度接近一个大 气压后 ， 继续抽气 l h ， 然后缓慢注入清水 ， 并使真空 度保持稳定。 待饱和架完全淹没后， 停止抽气， 解除饱 和罐内真空， 让试件在饱和罐内静置 1 0 h以上。 2 3 试 验 方 法 将剪切盒的上下盒对准， 插入固定销钉， 下盒底 部放一块透水石， 透水石上安装一张滤纸。将制备好 的试样环刀刃口向上， 平口朝下， 对准剪切盒口， 在试 样上依次放人一张滤纸与透水板， 将试样小心地推人 剪切盒内， 转动手轮， 剪切盒向前移动， 使剪切盒上盒 前钢珠与测力计接触， 在剪切盒顶部透水石上依次加 上刚性传压板与加压框架 ，安装竖向位移量测装置。 施加竖向压力( 1 0 0 k P a ， 2 0 0 k P a ， 3 0 0 k P a ) 使试样固结 稳定， 即 1 h 竖向变形值不大于 0 0 5 m m 。拔去固定销 钉， 以0 8 m n d m i n 的剪切速率进行剪切， 出现峰值时， 取峰值作为抗剪强度； 无峰值时， 以剪切位移 4 m m对 应的剪应力作为抗剪强度值。 2 4 计算方法 剪切试验的结果按照库仑定律 S = C + & a n q b 计算 抗剪强度。 式中： 土的抗剪强度， k P a ； 卜土的黏聚力 ， k P a ； 作 用于剪切面上的法向应力， k P a ； 一 土的内摩擦角 ， 。 。 用相同比例尺在坐标纸上以抗剪强度 S为纵轴， 以垂直压力 P为横轴 ， 绘制相关直线， 直线与纵轴相 交的截距为土的黏聚力 ，直线倾斜角为土的内摩 擦角。 3 三轴固结不排水剪切试验 三轴固结不排水剪切试验是将饱和后的试样先 ! 生 ! 旦 圈 S HANXI WA TE R RE S 0URC E S 在某一周围压力作用下排水固结， 然后在保持不排水 的情况下， 快速增大轴向压力 ， 使试样中的剪应力逐 渐增大， 直至达到极限平衡而剪切， 由此求得土的抗 剪强度参数。 本试验不仅能测出土样的总应力抗剪强 度 ，而且可以测出固结稳定后土样 中的孔 隙水压力 ， 根据孑 L 隙水压力+ 有效应力= 总应力 ， 从而求 出土样的 有效应力强度。 3 1 仪器设备 采用 T S Z l 型应变控制式三轴仪， 安装孔隙水压 力传感器和位移传感器。 3 2 样 品制备 将土样切成 h = 8 0 e ff 1 ， = 3 9 1 c m圆柱体试样 ， 每 组 4 块 ， 装入饱和器， 放人抽气缸进行抽气饱和， 然而 上述方法并不能使试样达到完全饱和， 尤其是低渗透 性的细粒土试样 ， 因此 ， 需要在仪器上对试样施加反 压力， 反压力可使试样达到完全饱和状态。 3 3试 验 方法 在进行固结不排水试验中 ，为了加速试样固结 ， 一 般在试 样外贴 上下 连续 的滤 纸条 ，覆盖 侧 面达 5 0 以上 ， 将贴好条的土样套在橡皮膜内， 放在密闭 的压力室中施加周围压力。在施加周围压力时， 将排 水 阀门打开 ， 允许试样充分排水 ， 待 固结稳定后关闭 排水 阀门， 然后再施加竖 向压力 ， 使试样在不排水的 条件下剪切破坏 。 3 4 计算结果 根据 摩尔一库 伦理论 ，将 同一 土样分别 在 1 0 0 k P a ， 2 0 0 k P a ， 3 0 0 k P a 压力条件下所得的三轴剪 切试验结果， 分别绘制摩尔圆， 根据这些摩尔圆的包 线 即可求 出抗剪强度指标 。根据孔 隙水压力和总压 力 ， 可 以同样绘 出有效应力摩尔圆和有效应力强度包 线 ， 求出有效应力抗剪强度指标 。 4 试验结果分析 4 1 试 验 结果 将 4 组土样按照要求分别制取直剪与三轴的检 测样品， 并对制取的样品分别放于仪器上检测 ， 结果 见表 1 。 表 1 饱和固结剪与固结不排水三轴试验成果比较 含水量 干容重 直剪饱固快 三轴饱固不排水剪 编号 g l c m c k P a q 0 。 c k P a l 1 9-2 1 6 7 l 3 5 3 2 4 1 1 8 5 21 O 2 1 83 1 6 6 1 6 9 3 2 3 1 2 0 _ 3 1 9 8 3 2 24 1 6 4 3 5 2 O 21 4 31 2 1 86 4 2 0_ 8 1 6 5 l 8 8 7 2 2 0 2 9_3 1 93 4 2测定 结果 对 比 通过上述检测结果 可以看 出 ，对 同一组试件来 说， 直剪饱固快得出的抗剪强度值大于三轴饱和固结 不排水得出的总应力抗剪强度。 这是因为直剪饱固快 在剪切过程中不能严格控制排水 ， 部分水份从剪切盒 缝隙排出， 含水量发生了变化， 且剪切面积随剪切位 移的增加逐渐变小 ，剪切面上剪应力分布不均匀 ， 剪 切面限定在上下盒之间的平面 ， 而不是沿土样最薄弱 的面剪切破坏。 三轴剪切试验能很好地控制排水并可 以量测土样中孔隙水压力的变化。此外， 三轴试验中 试样的应力状态也比较明确， 剪切破坏时的破裂面在 试样最弱处。 5 结语 在实际工作 中， 应根据工程的地基条件 、 工程进 度、 试验方法等进行选择。 饱固快直剪试验操作简单， 运用方便， 周期较短， 但准确率稍差。 三轴固结不排水 试验准确性好 ，而且能够进行有效应力强度检测 ， 但 周期较长， 操作复杂， 对操作人员素质要求也高。 但这 两种试验都是在理想化的室内条件下进行的 ， 与实际 环境还有很大差异， 因此， 工作人员一定要具体分析 工程的实际条件， 提出切合实际的剪切方法。 作者简介 宋效兰( 1 9 7 3 一 ) ， 女， 1 9 9 7年毕业于山西师范 大学化学专业， 工程师。 收稿日期 2 0 1 2 一 l l 一 1 6 _ 修回日期 2 0 1 2 1 2 2 7 ( 上接第 2 3页) 以发展近郊型畜牧园区建设 、农业综 合开发节水工程、 保护地日光温室建设为重点 ， 发展 特色农业， 突出经济效益； 山区乡镇要紧紧围绕京津 风沙源治理等国家重点项 目， 建设绿色屏障， 突出生 态效益。 要把农建的重点由治田改土单一的农建向生 态 、 草牧 、 农业龙头项 目建设等基本覆盖农业基础性 建设多个方面转变 ， 不断挖掘地方特色 ， 突出重点、 新 点 、 亮点 ， 把农 田水利基本建设与农业结构调整 、 农业 优势产业带建设、 农业现代化发展和小城镇建设有机 结合起来 ， 进一步拓宽农建内涵和发展空间。 4 结语 农田水利基本建设是农村的一项长期性基础工 作， 只有不断探索、 深入实践、 总结经验， 真正建立农 田水利建设的长效机制 ， 积极发挥 自身优势， 才能确 保全区的农田水利基本建设不断向深度和广度拓展。 作者简介 王永平( 1 9 7 0 一 ) ， 男， 1 9 9 0年毕业于山西省水 利学校水利工程专业， 助理工程师。 收稿日期 2 0 1 2 1 1 - 1 1 ； 修回日期 2 0 1 2 1 2 2 0