土的抗剪强度是决定建筑物稳定性和建筑物地基的重要因素,如何准确地测定抗剪强度指标对于工程具有重要意义。 土的剪切试验既可以在室内进行也可以现场进行原位测试。 目前,测定土的抗剪强度的试验方法主要有直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压试验和十字板剪切试验等
直接剪切试验直接剪切试验,简称直剪试验。 它所使用的仪器称为直剪仪,分为应变控制式和应力控制式两种,即一种是通过控制应变来测定,一种是通过控制应力来测定。 我国目前直接剪切试验所用的仪器为应变式,其构造如图所示。
应变控制式直剪仪
该剪切仪器的剪切盒由两个可相互错动的上下金属盒组成。 试样为扁圆柱形,试验时,由杠杆系统通过加压活塞和上透水石对试件施加某一垂直压力 P(σ=P/A,A 为试样面积),然后等速转动手轮对下盒施加水平推力 T( τ =T/A,A 为试样面积),使得上下盒之间的水平接触面产生剪切变形,直至破坏。 剪应力大小可借助与上盒接触的量力环的变形值计算确定。 在剪切时,随着相对剪切变形的发展,土样的抗剪强度慢慢发挥出来,直到土样的剪切力与抗剪强度相等时,土样剪切破坏,将所得的试验结果绘制成剪切力 τ 与剪切变形 δ的关系曲线,并以曲线的峰值应力作为试样在该竖向应力 P 作用下的抗剪强度。
如图(a)所示,
若没有峰值,则取剪切位移 4 mm 所对应的剪应力为抗剪强度。要绘制某种土的抗剪强度包线,以确定抗剪强度指标,对同一种土至少要取4 个试样,分别在不同的垂直压力 σ(一般可取垂直压力为 100,200,300,400 kPa)作用下剪切破坏,测得抗剪强度 τ f ,将试验结果绘制成如图 (b)所示
的抗剪强度 τ f 和垂直压力 σ之间的关系,该曲线为土的抗剪强度包线。试验结果表明,对于无黏性土,抗剪强度与法向应力之间的关系近似于一条通过原点的直线;对于黏性土,抗剪强度与法向应力之间也基本呈现直线关系,但是不通过原点,该直线与横轴的夹角为内摩擦角 φ,在纵轴上的截距为黏聚力 c。
为了近似模拟土体在现场受剪的排水条件,直接剪切试验可根据加荷的速度不同,分为快剪、固结快剪和慢剪 3 种试验方法。
①快剪。 施加竖向应力后,立即进行剪切。 剪切速率要快,根据枟土工试验规程枠的规定,要在3 ~5 min 内使得试样破坏。
②固结快剪。 施加竖向应力后,先使试样充分固结变形稳定。 固结完成后,再进行快速剪切,其剪切速率与快剪相同。
③慢剪。 施加竖向应力后,先使得试样充分固结稳定,以小于 0.02 mm/min 的速率对试样进行剪切直至破坏。 由于剪切速率慢,所以在整个试验过程中试验有充分的时间排水固结。
对于无黏性土,因为其渗透性良好,即使是快剪时也能使其排水固结,因此根据枟土工试验规程枠的规定,对于无黏性土,一律采用一种加荷速率进行试验。
对于正常固结的黏性土,在竖向应力和剪应力作用下,土样都被压缩,所以通常在一定范围内,快剪的抗剪强度最小,固结快剪的强度有所增大,而慢剪的抗剪强度最大。