直接剪切试验

    

    1.试验原理

    直接剪切试验是测定土的抗剪强度指标的室内试验方法之一,简称直剪试验,使用直接剪切仪或直剪仪可直接测出给定剪切面上土的抗剪强度。直剪仪分为应变控制式和应力控制式两种。两者的区别在于施加水平剪切荷载的方式不同:前者对试样通过等速剪应变,当量力环中表针不再增大,认为试样已剪坏,测定其相应的剪应力;后者则是对试样分级施加剪应力测定相应的剪切位移,在某一级剪应力下,如相应的剪切位移不断增加而不能稳定,认为试样已剪坏。目前,我国普遍采用应变控制式直剪仪,其构造如图5-17所示。

    

图5-17　应变控制式直剪仪
1—轮轴;2—底座;3—透水石;4—测微表;5—加压上盖;
6—上盒;7—土样;8—测微表;9—量力环;10—下盒

    试验时,上、下盒对正,然后用环刀切取土样,并将其推入由上、下盒组成的剪切盒中,通过加压系统对土样施加垂直压力p,由轮轴匀速推进下盒施加剪应力,使试样沿固定剪切面产生剪切变形,直至破坏。剪切面上的剪应力值由与上盒接触的量力环的变形值推算。活塞上的测微表用于测定试样在法向应力作用下的固结变形和剪切过程中试样的体积变化。

    在剪切试验过程中,隔一定时间测读试样剪应力大小,根据试验记录,绘制在法向应力σ条件下,试样剪切位移Δλ(上、下盒水平相对位移)与剪应力τ的对应关系曲线。不同类型的土具有不同的τ-Δλ关系曲线,如图5-18所示。

    对于硬黏土或密实砂土的τ-Δλ关系曲线具有明显的峰值,则峰值为土的抗剪强度,如图5-18中曲线A;对于软黏土或松砂的τ-Δλ关系曲线往往不出现峰值,强度随剪切位移增加而缓慢增大,可取对应于某一剪切位移值的剪应力作为土的抗剪强度值,《土工试验方法标准[2007版]》(GB/T50123—1999)规定当剪切过程中测力计读数无峰值时,应剪切至剪切位移为6mm时停机,记下破坏值,这点的剪应力作为抗剪强度τf,如图5-18中曲线B。

    为确定土的抗剪强度指标,对同一种土通常要采用4个土样,在不同的垂直压力σ1、σ2、σ3、σ4…(一般可取100kPa、200kPa、300kPa、400kPa…)作用下进行剪切试验,求得相应的抗剪强度τf,将τf与σ绘于直角坐标系中,即得该土的抗剪强度包线,如图5-19所示。强度包线与σ轴的夹角即为内摩擦角φ,τ轴上的截距即为土的黏聚力c。

    

图5-18　剪应力与剪切位移关系

    

图5-19　抗剪强度包线

    2.试验方法

    土的抗剪强度指标是和试验时的加荷速率、剪切时的排水条件和土的固结情况等因素有关的。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,即快剪试验、固结快剪试验和慢剪试验。

    (1)快剪试验。快剪试验是在土样上下两面均贴不透水纸,在施加法向压力后即施加水平剪力,使土样在3～5min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)固结快剪试验。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)慢剪试验。慢剪试验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。

    直接剪切试验的优点是仪器设备简单、操作方便等。其缺点是:①剪切面限定在上、下盒之间的平面,而不是沿土样的最薄弱面剪切破坏;②剪切面上剪应力分布不均匀,在剪切过程中,土样剪切面积逐渐缩小,而在计算抗剪强度时仍按土样的原截面积计算;③试验时不能严格控制排水条件,并且不能测量孔隙水压力。

    【例5-8】 某高层建筑地基取原状土进行直剪试验,4个试样的法向压力p分别为100、200、300、400(kPa),测得试样破坏时相应的抗剪强度τf分别为67、119、162、216 (kPa)。试用作图法求此土的抗剪强度指标c、φ值。若作用在此地基中某平面上的正应力和剪应力分别为225kPa和105kPa,试问该处是否会发生剪切破坏?

    【解】 (1)取直角坐标系,以垂直压力σ为横坐标,以剪应力τ为纵坐标,按相同比例绘出4个试样的垂直压力与剪切破坏时相应的剪应力的点,连接这4个点,即为试样的抗剪强度包线。此强度包线与纵坐标的截距,即为试样的黏聚力c,强度包线与横坐标的夹角,即为内摩擦角φ,如图5-20所示。由图可得c＝20kPa,φ＝25°。

    (2)将σ＝225kPa,τ＝105kPa的A点,绘在同一坐标图上。由图可见,A点位于抗剪强度包线之下,故不会发生剪切破坏。

    

图5-20　土的抗剪强度包线