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土的抗剪强度试验方法
【中国地质大学（武汉）工程学院】
抗剪强度指标c、φ值，是土体的重要力学性质指标，正确地测定和选择土的抗剪强度指标是土工计算中十分重要的问题。 
土体的抗剪强度指标是通过土工试验确定的。室内试验常用的方法有直接剪切试验、三轴剪切试验；现场原位测试的方法有十字板剪切试验和大型直剪试验。 
一、直接剪切试验
(一)试验仪器与基本原理
直剪试验所使用的仪器称为直剪仪，按加荷方式的不同，直剪仪可分为应变控制式和应力控制式两种，前者是以等速水平推动试样产生位移并测定相应的剪应力；后者则是对试样分级施加水平剪应力，同时测定相应的位移。目前常用的是应变控制式直剪仪（示意图
试验时，垂直压力由杠杆系统通过加压活塞和透水石传给土样，水平剪应力则由轮轴推动活动的下盒施加给土样。土体的抗剪强度可由量力环测定，剪切变形由百分表测定。在施加每一级法向应力后，匀速增加剪切面上的剪应力，直至试件剪切破坏。

将试验结果绘制成剪应力τ和剪切变形S的关系曲线（见图5-9）。一般地，将曲线的峰值作为该级法向应力下相应的抗剪强度τf。

变换几种法向应力σ的大小，测出相应的抗剪强度τf。在σ-τ坐标上，绘制曲线，即为土的抗剪强度曲线，也就是莫尔-库伦破坏包线，如图5-10所示。

(二)试验方法分类
为了在直剪试验中能尽量考虑实际工程中存在的不同固结排水条件，通常采用不同加荷速率的试验方法来近似模拟土体在受剪时的不同排水条件，由此产生了三种不同的直剪试验方法，即快剪、固结快剪和慢剪。
（1）快剪。快剪试验是在土样上下两面均贴以腊纸，在加法向压力后即施加水平剪力，使土样在3~5分钟内剪坏，由于剪切速率较快，得到的抗剪强度指标用cq、φq表示。
（2）固结快剪。固结快剪是在法向压力作用下使土样完全固结。然后很快施加水平剪力，使土样在剪切过程中来不及排水，得到的抗剪强度指标用ccq、φcq表示。
（3）慢剪。慢剪试样是先让土样在竖向压力下充分固结，然后再慢慢施加水平剪力，直至土样发生剪切破坏。使试样在受剪过程中一直充分排水和产生体积变形，得到的抗剪强度指标用cs、φs表示。
(三)试验优缺点和适用范围
直接剪切试验是测定土的抗剪强度指标常用的一种试验方法。它的优点是具有仪器设备简单、操作方便等。
它的缺点主要包括：
l）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；
2）剪切面上剪应力分布不均匀；
3）在剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而在计算抗剪强度时仍按土样的原截面积计算；
4）试验时不能严格控制排水条件，并且不能量测孔隙水压力。
直剪试验适用于二、三级建筑的可塑状态粘性土与饱和度不大于0.5的粉土。

二、三轴剪切试验
(一)试验仪器与基本原理
三轴剪切试验仪（也称三轴压缩仪）由受压室、周围压力控制系统、轴向加压系统、孔隙水压力系统以及试样体积变化量测系统等组成。

实物图 构造示意图
试验时，将圆柱体土样用乳胶膜包裹，固定在压力室内的底座上。先向压力室内注入液体(一般为水)，使试样受到周围压力σ3，并使σ3在试验过程中保持不变。然后在压力室上端的活塞杆上施加垂直压力直至土样受剪破坏。
设土样破坏时由活塞杆加在土样上的垂直压力为Δσ1 ，则土样上的最大主应力为σ1f=σ3+Δσ1，而最小主应力为σ3f。由σ1f和σ3f可绘制出一个莫尔圆。
用同一种土制成3~4个土样，按上述方法进行试验，对每个土样施加不同的周围压力σ3，可分别求得剪切破坏时对应的最大主应力σ1，将这些结果绘成一组莫尔圆。根据土的极限平衡条件可知，通过这些莫尔圆的切点的直线就是土的抗剪强度线，由此可得抗剪强度指标c、φ值(图5-11)。

图5－11 三轴试验基本原理
(a)试样围压 (b)破坏时试样主应力 (c)应力圆与强度包线
有关直剪试验的进一步内容请进入三轴试验指导（内容包括试验方法、设备图片、试验录象等)：
三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种方法。它通常用3-4个圆柱形试样，分别在不同的恒定周围压力（σ3）下，施加轴向压力，即主应力差（σ1-σ3），进行剪切直到破坏；然后根据摩尔-库伦理论，求得抗剪强度参数。
适用于测定细粒土及砂类土的总抗剪强度参数及有效抗剪强度参数。
本次试验主题词：周围压力；轴向压力；不固结不排水剪；固结不排水剪；固结排水剪。
(二)试验方法分类
按剪切前的固结程度和剪切过程中的排水条件三轴试验可分为三种类型：
（1）不固结不排水试验（UU）
试验过程由始至终关闭排水阀门，土样在剪切破坏时不能将土中的孔隙水排出。土样在加压和剪切过程中，含水量始终保持不变，得到的抗剪强度指标用cu、φu表示。
观看试验过程动画演示
（2）固结不排水试验（CU）
先对土样施加周围压力 ，将排水阀门开启，让土样中的水排入量水管中，直至排水终止，土样完全固结。然后关闭排水阀门，施加竖向压力Δσ，使土样在不排水条件下剪切破坏，得到的抗剪强度指标用ccu、φcu表示。
观看试验过程动画演示
（3）固结排水试验（CD）
在固结过程和Δσ的施加过程中，都让土样充分排水(将排水阀门开启)，使土样中不产生孔隙水压力。故施加的应力就是作用于土样上的有效应力，得到的抗剪强度指标用ccd、φcd表示。
观看试验过程动画演示
(三)试验优缺点
优点：
（1）UU试验可严格控制排水条件；
（2）CU试验可量测孔隙水压力；
（3）CD试验破裂面在最软弱处。
缺点：（1）σ2=σ3，轴对称；（2）实验比较复杂

（四）试验成果整理：
1．不固结不排水试验
（1）轴向应变应按下式计算。

式中ε——轴向应变值（％）；
△hi——剪力过程中的高度变化（mm）；
h0——试样起始高度（mm）。
（2）试样面积的校正，应按下式计算：

式中Aa——试样的校正断面积（cm2）；
A0——试样的初始断面积（cm2）。
（3）主应力差应按下式计算：

式中σ1——大主应力(KPa）；
σ3——小主应力(KPa)；
C——测力计率定系数（ N／0.0lmm或N／mV）；
R——测力计读数（0.01mm或mV）；
10——单位换算系数。
（4）以（σ1－σ3）的峰值为破坏点，无峰值时，取15％轴向应变时的主应力差值作为破坏点。以法向应力为横坐标，剪应力为纵座标，在横坐标上以（σ1f+σ3f）/2为圆心，（σ1f－σ3f）/2为半径（f注脚表示破坏），在t～σ应力平面图上绘制破损应力图，并绘制不同周围压力下破损应力圆的包线，由破损应力圆的包线求出不排水强度参数c、j，下图所示。

不固结不排水剪强度包线
2．固结不排水试验
（1）按下式计算试样固结后的高度：

式中hc——试样固结后的高度（cm）；
△V——试样固结后与固结前的体积变化（cm3）。
（2）试样固结后的面积，按下式计算：

式中Ac——试样固结后的断面积(cm2)。
（3）剪切时试样的校正面积，按下式计算。

（4）主应力差与不固结不排水试验计算方法相同。
（5）孔隙水压力系数，按下列公式计算：
初始孔隙水压力系数

式中B——初始孔隙水压力系数；
u0——施加周围压力产生的孔隙水压力（KPa）。
破坏时孔隙水压力系数

式中Af——破坏时的孔隙水压力系数；
uf——试样破坏时，主应力差产生的孔隙水压力（kPa）。
（6）绘制破损应力圆并确定摩擦角和粘聚力（总、有效），如下图所示。

  固结不排水剪强度包线
3．固结排水试验
剪切时试样的校正面积，应按下式计算。

式中：△Vi ——剪切过程中试样的体积变化（cm3）
△hi——剪切过程中试样的高度变化（cm）
其余如试样固结后的高度、面积，主应力差等按固结不排水试验的相应公式计算。
绘制破损应力圆并确定摩擦角和粘聚力，如下图所示。

固结排水剪强度包线
三、无侧限抗压试验
无侧限抗压强度试验是周围压力σ3=0（无侧限）的一种特殊三轴压缩试验，又称单轴试验，该试验多在无侧限抗压仪上进行,其结构示意图如图5-12（a）。

无侧限抗压强度试验过程请参见动画演示
试验时，在不加任何侧向压力的情况下，对圆柱体试样施加轴向压力，直至试样剪切破坏为止。试样破坏时的轴向压力以qu表示，称为无侧限抗压强度。
对于饱和软粘土，可以认为φ=0，此时其抗剪强度线与σ轴平行，且有cu=qu/2。所以，可用无侧限抗压试验测定饱和软粘土的强度如图5-12（b）。
四、十字板剪切试验
十字板剪切试验是一种土的抗剪强度的原位测试方法，这种试验方法适合于在现场测定饱和软粘土的原位不排水抗剪强度。十字板剪切试验采用的试验设备主要是十字板剪力仪。
试验时，先将十字板压入土中至测试的深度，然后由地面上的扭力装置对钻杆施加扭矩，使埋在土中的十字板扭转，直至土体剪切破坏（破坏面为十字板旋转所形成的圆柱面）。
其他内容参见相关书籍。

五、饱和粘性土剪切试验方法的选择
根据排水条件，室内抗剪强度试验有以下三种方法：
1．不固结不排水剪(或称快剪)这种试验方法在全部剪切试验过程中都不让土样排水固结。
2．固结不排水剪(或称固结快剪)在周围压力（或法向压力）作用下使土样完全固结，而在土样的剪切至破坏的过程中不（或来不及）排水。
3．固结排水剪(或称慢剪) 隙水充分排出，始终保持u=0。
在实际工程中，要根据地基土的实际受力情况和排水条件选用合适的试验方法。如果施工周期缩短，结构荷载增长速率较快，因此验算施工结束时的地基短期承载力时，采用不排水剪，以保证工程的安全。对于施工周期较长，结构荷载增长速率较慢的工程，宜根据建筑物的荷载及预压荷载作用下地基的固结程度，采用固结不排水剪。

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