土的直剪试验影响因素分析

刘 军，徐海波，卓慧英

（河北中核岩土工程有限责任公司，050021）

摘要：直剪试验是最直接的抗剪强度的测定方法,本文主要分析了直剪试验的影响因素，对其在试验过程中的作

用原理进行了定性的阐述。

关键词：直剪试验；影响因素；抗剪强度

1 直剪试验概述 1.1 概念

所谓直剪试验, 是指在某一特定面上剪切土的试件,直接测定该面上的剪应力和抗剪强度的试验。直剪试验是室内测定土体抗剪强度的一种常用方法,可方便地为土木工程治理、加固及破坏分析提供所需的土体抗剪强度参数:粘聚力c和内摩擦角φ 。该方法因其快捷方便, 结果处理简单,被广泛采用，也是测定土的抗剪强度最简单的和最原始的试验方法，如图1。

A-未来剪面 1-剪切上盒 2-剪切下盒 3-土样

图1 土的受力图

1.2 直剪试验原理

直剪仪分应变式直剪仪、应力式直剪仪两种。应变式直剪仪能够较准确地测定剪切变形曲线的峰值和最后值,室内较多采用应变式。试验时用环刀切出厚为20mm的圆形试样,将试样推入剪切盒内,分别在不同的垂直压力下,施加水平剪切力进行剪切,使试样在上下盒之间的水平面上发生剪切至破坏。求得破坏值的剪切应力τ，然后根据库伦定律确定土的抗剪强度参数，如图2。

图2 剪切曲线

1.3 直剪试验分类

按剪切前土的固结程度,剪切时排水条件以及剪切速率快慢, 把直剪试验分为快剪、固结快剪、慢剪。 快剪(不排水剪):试样在垂直压力施加后立即进行快速剪切, 试验全过程都不允许有排水现象产生。这

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时垂直压力大部分由孔隙水来承担。适用于施工进度快,排水条件差的情况下,如厚度很大的饱和黏土地基。

固结快剪(固结不排水剪)试样在垂直压力下, 给予充分时间,使土样孔隙中的水全部排出而达到完全固结,之后,每加一级水平剪力后,均留足够时间,使土样充分排水,这时垂直压力全部由土粒承担，再进行快速剪切。适用于一般建筑物的地基稳定性分析,施工期间有一定的固结作用。

慢剪(排水剪)：试样在垂直压力下,排水固结后慢慢地进行剪切, 剪切过程中孔隙水可自由排出。一般工程的正常施工进度都不符合这样的条件,所以,工程试验中较少直接采用。 2 试验过程的影响因素

2.1 剪切过程中应力和应变的变化

按照试验要求，试验过程中，主应力大小不变，试样在水平应力下剪动，实际情况并非如此。开始直剪后,由于水平剪切力使得上下盒发生相对位移,从而使试样上下被剪两部分也随之产生相对位移。位移的产生,使原来的轴向正压力变成偏轴压力,从而使试样发生斜剪。研究表明,实验所得摩擦角比真摩擦角偏小。同时土样的剪切面逐渐减小,但在计算强度时,仍按土样的原截面积计算，造成试验结果的偏离。当试样被剪损时,由于边缘效应(逐渐破坏作用) 使得靠近剪力盒边缘处的应变为最大,而试样中间部分的应变相对要小得多。此外,剪切面附近的应变又大于试样顶部和底部的应变。所以试样总变形量,可以用量表精确测定,但算出的剪应变却是剪切面前后相差很大的应变量的混合值。所以,在剪切过程中,特别是在剪切破坏时,试样内部的应变既非均匀又难确定。

同样,试样中的剪应力也是很不均匀的。土样剪切时先从试样边缘开始,在剪切盒边缘处形成了明显的应力集中现象, 靠近剪切盒的最前段作用点处剪应力最大, 向两侧分布逐渐减小, 在整个剪切过程中,始终存在剪应力分布不均匀的问题。

因此，剪切过程中的应力和应变的变化为不完全可控因素，不完全符合莫尔- 库仑理论，它是造成剪切试验偏差的主要原因之一。 2.2 剪切速率

剪切速率是影响土的抗剪强度的一个重要因素，它从两个方面影响：一是剪切速率对孔隙水压力的产生、传递与消散的影响，即影响试样的排水固结强度;另一是对黏滞阻力的影响,当剪切速率较高时,剪切历时较短,黏滞阻力增大,表现出较高的抗剪强度;反之,黏滞阻力小,所得的强度降低。因此,应严格按照不同剪切试验要求的速率进行试验。

实践证明,剪切速率对砂土抗剪强度影响很少,但对粘性土抗剪强度的影响比较明显,粘性土的抗剪强度一般会随剪切速率提高而增加，这种趋势在硬土中更为明显。破坏历时几分钟的试样与破坏历时千分之几分钟的试样相比,强度可相差一倍以上。

剪切速率对内摩擦角影响不大，只有速率较大时，才略有影响。 2.3 土本身性质的作用

2.3.1 土的矿物成分、颗粒形状和级配

一般来说，粘性土的抗剪强度随着粘粒和粘土矿物含量的增加而增大;在土的颗粒级配中，粗颗粒越多，形状越不规则，其内摩擦角越大。 2.3.2 密度与含水量

密度、含水量是影响抗剪强度的重要因素,因而测定试验前的密度、含水量可以了解试样的均匀性,按其变化规律,来判断试验成果的正确性。

一般来说，土的原始密度越大，其抗剪强度就越高。对于粗粒土来说，密度越大则颗粒之间的咬合作用越强，因而摩阻力就越大；对于细粒土来所，密度越大则意味着颗粒间的距离越小，水膜越薄，因

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而原始粘聚力也就越大。

而含水量的增高却使土的抗剪强度降低，这种影响主要表现在两方面：一是水分在粗颗粒之间起着润滑作用，使摩阻力降低；二是粘土颗粒表面结合水膜的增厚使原始粘聚力减小。含水量对砂土的摩擦角影响不大，对粘性土的影响较大。 2.3.3 土的各向异性

试验一般把土样当成各向同性均质体来看待,但这并不能完全真实地模拟土的各向异性的特点,土的各向异性应当包括由微观结构变化和由应力体系引起的各向异性。前者主要决定于土的生成条件,如明显的层状土,软夹层土,硬裂缝粘土等等。后者则取决于原位应力条件。而在直接试验中，剪切面未必是土中最薄弱的面。因此，土的各向异性导致测试的土的抗剪强度比实际的偏高。 2.3.4 土的渗透性

由于直接剪切试验不能控制土的排水条件，因此土的渗透性对试验结果有着非常重要的影响，这是因为直接剪切试验过程中,由于排水是靠剪切速度的快慢来控制的,不管剪切速度多快,在剪切过程中都会不可避免地排水。土的渗透系数越大,剪切过程中排水越多,从而使其强度指标大大增加,越接近排水剪切强度。所以对于渗透系数较大的土,其直接剪切试验特别是不排水剪(快剪) 的结果是非常不可靠的。对固结快剪和快剪试验，国家标准明确规定，只适用于渗透系数小于1.00E-06 cm/ s的土。 2.3.5 粘性土触变性

粘性土的强度会因扰动而削弱，但经过静置又可以得到一定程度的恢复。对土的这种触变性，如果剪切中的土样经过明显的扰动，则土样就不能反映其真实的天然强度，一般而言，得到的抗剪强度指标就比实际的偏低。土的触变性越大，这种影响就愈显著。 2.3.6 土的蠕变

室内剪切试验一般均可在几分钟至几小时、十几小时内完成，然而，在极慢的加载速率下，某些土发生破坏时的应力远小于室内剪切试验所得的峰值强度，有时甚至只有后者50%，这种情况称为蠕变破坏。蠕变破坏的抗剪强度值和正常室内试验的抗剪强度值的区别，在工程利用中应加以区别。 2.4 温度

在试验中一般不考虑温度对土质的影响。实际上,温度对土的强度和变形有很大的影响。温度主要是

通过饱和粘土中的孔隙比的作用而影响土的强度。由于在较高的温度下，水的粘滞性变小，渗透系数增加，使得在高温下固结的饱和粘土的孔隙比减少，因而固结温度越高，土的密度也越高，其强度也会提高。

2.5 垂直荷重

一般而言，应当根据土的软硬性质和实际的工程需要选择合适的垂直荷重。对于软土，可选择50、100、150、200Kg的荷载，对于硬塑-坚硬状土可选择100、200、300、400 Kg的荷载。对于介于两者之间的土，可根据实际工程需要和技术要求确定剪切荷载。经验表明，对于一般性土，不同荷载压力下的抗剪强度，差别不大。相对而言，在同等条件下，在大垂直荷重下比较小垂直荷重下测得的凝聚力偏高 ,摩擦角偏小。 3 试验结果的确定 3.1 土的破坏数值选定

土的破坏数值的选择直接决定着抗剪强度的大小。

破坏数值的选定常有两种情况，一是剪切应力-剪切位移关系曲线中具有明显的峰值或稳定值，则取其为抗剪强度值。若剪应力随着剪切位移不断增加，无峰值或稳定值，则以相应选定的某一剪切位移对应的剪切应力值作为抗剪强度值。

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实际上，以剪切位移作为选值标准，在理论上是不严格的 ，因各种不同类型剪切破坏时的剪切位移是不完全相同的，即使是同一种土，在不同的垂直压力下，破坏剪切位移也不相同，因而只有在破坏值难以选取时，才用此方法。

因此，实际操作中，应两者相结合获取剪切应力，以此得出合理的抗剪强度指标。 3.2 成果整理和分析

对于剪切试验中的四个试样的剪应力,理论上具有线性关系,但由于天然土形成条件不同,土质的差异性,还有人为因素的影响以及试验操作的误差，试验点在直角坐标上的分布往往不具有函数关系,试验点在图上的分布往往比较分散。对于试验成果的那些明显不合理的数据,应仔细分析各种可能的原因,或者在有条件时,进行一定的补充试验,以便决定对可疑数据的取舍和修正。取舍和修正时,除考虑试验数据离散范围的大小外,还应参考同样地层土的剪切指标和同一个土的土性指标之间的相互关系。另外,对离散程度在允许范围内的点,其数据依然可以加以利用,可以通过一些数值方法修正,得到更为合理、精确的试验结果。一般方法有最小二乘分析法、回归分析法、平均分析法等。 4 结束语

影响土的强度的因素很多，包括土的内在性质和外部条件，都对试验结果起着不同的作用。根据现有的测试设备和技术条件,欲准确测定土的抗剪强度指标是较为困难的,只能作近似模拟。对于渗透性较小(渗透系数小于1.00E-06 cm/ s) 的土,其直接剪切试验的结果具有实际意义,然而对于渗透性较大(渗透系数大于1.00E-06 cm/ s)的土,直接剪切试验的结果是不可靠的。

国家标准中对直接剪切试验做了一定的限制,即只适用于渗透系数小的土。但由于直剪试验简单、经济,目前对大部分建筑,或有经验的地区还在广泛使用。在利用直剪的抗剪强度指标时，应多注意总结，多和其他剪切试验相比较，以期获得合理的抗剪强度指标。

目前国外一般只用直剪仪做慢剪试验，求取土的室内抗剪强度指标一般用三轴仪，对比国内较多使用直剪仪的状况，应当引起反思和重视。

参 考 文 献

[1] GB/T 50123-1999 ，土工试验方法标准.

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The analysis of direct shear test of soil Liujun， Xuhaibo，Zhuohuiying

Abstracts: Direct shear test is the most direct test method of shearing strength. This thesis mainly analyses the effect factors of direct shear test, and makes qualitative explanation to the principle of action in the testing process.

Key words: direct shear test； effect factors； shearing strength

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