抗剪强度的测定方法

测定土抗剪强度指标的试验称为剪切试验，剪切试验可以在实验室内进行，也可以在现场原位条件下进行。按常用的试验仪器可以将剪切试验分为直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压试验和十字板剪切试验4种。其中除十字板剪切试验可在现场原位条件下进行外，其他3种试验均需要从现场取回土样，在室内进行试验。

影响土的抗剪强度的因素很多，如土的密度、含水率、初始应力状态、应力历史以及固结程度和试验中的排水条件等。因此，为了求得可供设计或计算分析用的土的强度指标，在实验室中测定土的抗剪强度时，应采取具有代表性的土样，而且还采用一种能够模拟现场条件的试验方法来进行。根据现有的测试设备和技术条件，要完全模拟现场条件仍有困难，只是尽可能地作近似模拟。

对于砂土和砾石，测定其抗剪强度时可采用扰动试样进行试验。对于黏性土，由于扰动对其强度影响很大，因而必须采用原状的试样进行抗剪强度的测定。但是研究土的剪切形状时，只能用重塑土进行。土的抗剪强度与土的固结程度和排水条件有关，对于同一种土，即使在剪切面上具有相同的法向总应力，由于土在剪切前后的固结程度和排水条件不同，它的抗剪强度也不同。下面将扼要介绍常用的剪切试验仪器、试验原理和测定抗剪强度的试验方法。

1）试验原理

直接剪切试验是测定土抗剪强度指标的一种常用方法。通常将同一土样切取不少于4个试样；分别在不同的垂直压力下施加水平剪切力，测得破坏时的切应力，以确定土的内摩擦角和内聚力，为工程实践提供依据。

直接对试样施加剪力的设备叫直接剪力仪，常用的直接剪力仪根据施加剪应力的特点分为应力控制式和应变控制式两种。应力控制式是分级施加等量水平剪力于土样使之受剪，应变控制式是等速推动剪切容器使土样受剪。以应变式最为常用。

仪器的主要部件剪切容器是由固定的上盒和活动的下盒（应变式）或固定的下盒与活动的上盒（应力式）等部件组成。试样置于上下盒之间，在试样上先施加预定的法向压力σ，然后以一定速率分级施加水平力对试样施加剪力，可借助于与上盒相接触的量力环的变形或以所加水平力与杠杆力臂比关系确定。为求得抗剪强度参数（c，φ），一般至少用4～5个试样，以同样的方法分别在不同的法向压力σ1、σ2、σ3、…的作用下测出相应的τf1、τf2、τf3、…的值，根据这些σ、τf值，即可在直角坐标中绘出抗剪强度曲线。

图5-5　应变控制式直接剪切仪

1—轮轴；2—底座；3—透水石；4—测微表；5—活塞；6—上盒；7—土样；8—测微表；9—量力环；10—下盒

无论是饱和黏性土的抗剪强度试验，还是天然黏性土地基加荷过程中，孔隙水压力的消散，即荷载在土体中产生的应力全部转化为有效应力，需要一定的固结时间来完成。因此，土的固结过程，实际上也是土体强度不断增长的过程。对同一种土，即使在同一法向压力下，由于剪切前试样的固结过程和剪切试样的条件不同，其强度指标也是各异的。为了近似地模拟现场土体的剪切条件，即按照剪切前的固结过程、剪切时的排水条件以及加荷快慢情况，将直剪试验分为快剪、固结快剪和慢剪3种试验方法。

2）直剪试验的不足

直剪仪构造简单，操作简便，并符合某些特定条件，至今仍是实验室常用的一种试验仪器。但该试验也存在如下缺点：

（1）剪切过程中试样内的剪应变和剪应力分布不均匀。试样剪破时，靠近剪力盒边缘发生应力集中现象。

（2）剪切面人为地限制在上、下盒的接触面上，而该平面并非是试样抗剪最弱的剪切面。

（3）剪切过程中，土样剪切面积逐渐缩小，而且垂直荷载发生偏心，但在计算抗剪强度时，却按剪切面积不变和剪应力均匀分布计算。

（4）试验时不能严格控制排水条件，因而不能量测试样中的孔隙水压力。在进行不排水剪切时，试件仍有可能排水，特别是对于饱和黏性土，由于它的抗剪强度受排水条件的影响显著。

（5）根据试样破坏时的法向应力和剪应力，虽可算出大、小主应力σ1、σ3的数值，但中主应力σ2无法确定。

针对直剪仪的上述缺陷，人们曾做了一些改进。如能改善试样中的应力均匀程度，并外套橡皮膜以控制排水的单剪仪；能控制中主应力的直剪仪和能测定残余强度的环剪仪等。

三轴压缩试验是测定土抗剪强度的一种较为完善的方法。三轴压缩仪主要由压力室、加压系统和量测系统三大部分组成。图5-6为三轴压缩仪的示意图。

图5-6　三轴压缩仪的组成

1—调压筒；2—周围压力表；3—体变管；4—排水管；5—周围压力阀；6—排水阀；7—变形量表；8—量力环；9—排气孔；10—轴向加压设备；11—试样；12—压力室；13—孔隙压力阀；14—离合器；15—手轮；16—量管阀；17—零位指示器；18—孔隙水压力表；19—量管

1）试验原理

三轴压缩实验（亦称三轴剪切实验）是以莫尔-库仑强度理论为依据而设计的三轴向加压的剪力试验。试样在某一固定周围压力σ3下，逐渐增大轴向压力σ1，直至试样破坏，据此可作出一个极限应力圆。用同一种土样的3～4个试件分别在不同的周围压力σ3下进行实验，可得一组极限应力圆。如图5-3中的圆Ⅰ、圆Ⅱ和圆Ⅲ。作出这些极限应力圆的公切线，即为该土样的抗剪强度包络线，由此便可求得土样的抗剪强度指标。

2）试验步骤

试验时，先打开周围压力系统阀门，使试样在各向受到的周围压力达σ3时即维持不变［图5-7（a）］，然后由轴压系统通过活塞对试样施加轴向附加压力Δσ（Δσ=σ1-σ3，称为偏应力）。试验过程中，Δσ不断增大而σ3却维持不变，试样的轴向应力（大主应力）σ1（σ1=σ3＋Δσ）也不断增大，其应力莫尔圆亦逐渐扩大至极限应力圆，试样最终被剪破［图5-7（b）］。极限应力圆可由试样剪破时的σ1f和σ3作出［图5-7（c）中实线圆］。破坏点的确定方法为，量测相应的轴向应变ε1，点绘Δσ-ε1关系曲线，以偏应力σ1-σ3的峰值为破坏点（图5-8）；无峰值时，取某一轴向应变（如ε1=15%）对应的偏应力值作为破坏点。

图5-7　三轴压缩试验

图5-8　三轴试验的Δσ-ε1曲线

在给定的周围压力σ3的作用下，一个试样的试验只能得到一个极限应力圆。同种土样至少需要3个以上试样在不同的σ3作用下进行试验，方能得到一组极限应力圆。由于这些试样均被剪破，绘出极限应力圆的公切线，即为该土样的抗剪强度包线。它通常呈直线状，其与横坐标的夹角即为土的内摩擦角φ，与纵坐标的截距即为土的黏聚力c（图5-9）。

图5-9　三轴试验的强度破坏包线

3）实验方法

根据土样固结排水条件和剪切时的排水条件，三轴试验可分为不固结不排水剪实验（UU）、固结不排水剪实验（CU）和固结排水剪实验（CD）等。

（1）不固结不排水剪实验（UU）

试样在施加周围应力和随后施加偏应力直至破坏的整个试验过程中都不允许排水，这样从开始加压直至试样剪坏，土中的含水量始终保持不变，孔隙水压力也不可能消散，可以测得总应力抗剪强度指标cu、φu。

（2）固结不排水剪实验（CU）

试样在施加周围压力时，允许试样充分排水，待固结稳定后，再在不排水的条件下施加轴向压力，直至试样剪切破坏，同时在受剪过程中，测得土体的孔隙水压力，可以测得总应力抗剪强度指标ccu、φcu和有效应力抗剪强度指标c′、φ′。

（3）固结排水剪实验（CD）

试样先在周围压力下排水固结，然后允许试样在充分排水的条件下增加轴向压力直至破坏，同时在试验过程中测读排水量以计算试样的体积变化，可以测得有效应力抗剪强度指标cd、φd。

4）三轴压缩试验的优缺点

三轴压缩试验可供在复杂应力条件下研究土的抗剪强度特性之用，其突出优点是：

（1）试验中能严格控制试样的排水条件，准确测定试样在剪切过程中孔隙水压力变化，从而可定量获得土中有效应力的变化情况。

（2）与直剪试验对比起来，试样中的应力状态相对地较为明确和均匀，不硬性指定破裂面位置。

（3）除抗剪强度指标外，还可测定如土的灵敏度、侧压力系数、孔隙水压力系数等力学指标。

但三轴压缩试验也存在试样制备和试验操作比较复杂，试样中的应力与应变仍然不够均匀的缺点：

（1）由于试样上、下端的侧向变形分别受到刚性试样帽和底座的限制，而在试样的中间部分却不受约束，因此，当试样接近破坏时，试样常被挤压成鼓形。

（2）目前所谓的“三轴试验”，一般都是在轴对称的应力应变条件下进行的，与实际工程中土体的受力情况不太相符。

三轴压缩试验中，当周围压力σ3=0时，即为无侧限试验条件，这时只有q=σ1，所以，也可称为单轴压缩试验。由于试样的侧向应力为零，在轴向受压时，其侧向变形不受限制，故又称为无侧限压缩试验。同时，又因为试样是在轴向压缩的条件下破坏的，因此，把这种情况下土所能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度，以qu表示。试验时，将圆柱形试样置于无侧限压缩仪中，对试样不加周围压力，仅对它施加垂直轴向压力σ1［图5-10（a）］。无黏性土在无侧限条件下试样难以成型，故该试验主要用于黏性土，尤其适用于饱和软黏土。

图5-10　无侧限抗压强度试验原理

无侧限抗压强度试验中，试样破坏时的判别标准类似三轴压缩试验。坚硬黏土的σ1-ε1关系曲线常出现σ1的峰值破坏点（脆性破坏），此时的σ1f即为qu；而软黏土的破坏常呈现为塑流变形，σ1-ε1关系曲线常无峰值破坏点（塑性破坏），此时可取轴向应变ε1=15％处的轴向应力值作为qu。无侧限抗压强度qu相当于三轴压缩试验中试样在σ3=0条件下破坏时的大主应力σ1f，故由式（5-8）可得

式中：qu——无侧限抗压强度（kPa）。

根据试验结果，只能作一个极限应力圆（σ1=q，σ3=0），因此对于一般黏性土就难以作出破坏包线。而对于饱和黏性土，可以利用构造比较简单的无侧限压力仪代替三轴仪，取φ=0，则由无侧限抗压强度试验所得的极限应力圆的水平切线就是破坏包线（如图5-11），抗剪强度cu可用下式得到：

图5-11　无侧限抗压强度试验的强度包线

无侧限抗压强度试验还可用来测定黏性土的灵敏度St。其方法是将已做完无侧限抗压强度试验的原状土样，彻底是破坏其结构，并迅速塑成与原状试样同体积的重塑试样，以保持重塑试样的含水量与原状试样相同，并避免因触变性导致土的强度部分恢复。

在土的抗剪强度现场原位测试方法中，最常用的是十字板剪切试验。十字板剪切试验是快速测定饱和软黏土层快剪强度的一种简易而可靠的原位测试方法。这种方法测得的抗剪强度值，相当于试验深度处天然土层的不排水抗剪强度，在理论上它相当于三轴不排水剪的总强度，或无侧限抗压强度的一半（φ=0）。由于十字板剪切试验不需采取土样，特别是对于难以取样的灵敏性高的黏性土，它可以在现场基本保持天然应力状态下进行扭剪。长期以来十字板剪切试验被认为是一种较为有效的、可靠的现场测试方法，与钻探取样室内试验相比，土体的扰动较小，而且试验简便。

十字板剪切试验包括钻孔十字板剪切试验和贯入电测十字板剪切试验，其基本原理都是：施加一定的扭转力矩，将土体剪坏，测定土体对抗扭剪的最大力矩，通过换算得到土体抗剪强度值。假设土体是各向同性介质，即水平面的不排水抗剪强度（cu）h与垂直面上的不排水抗剪强度（cu）v相同：（cu）v=（cu）h。旋转十字板头时，在土体中形成一个直径为D、高为H的圆柱剪切破坏面（如图5-12所示）。由于假设土体是各向同性的，因此该圆柱剪损面的侧表面及顶底面上各点的抗剪强度相等，则旋转过程中，土体产生的最大抗扭矩M由圆柱侧表面的抵抗扭矩M1和圆柱底面的抵抗扭矩M2组成。

图5-12　十字板剪切原理

式中：D——十字板的宽度，即圆柱体的直径（m）；

H——十字板的高度（m）；

cu——土的抗剪强度（kPa）；

α——与圆柱顶底面剪应力的分布有关的系数，剪应力分布均匀时取，剪应力分布呈抛物线形时取，剪应力分布呈三角形时取。

应该指出，使用上为简化起见，式（5-15）和式（5-16）的推导中假设了土的强度为各向相同，即剪切破坏时圆柱体侧面和上、下表面土的抗剪强度相等。

由土体剪切破坏时所量测的最大扭矩，应与圆柱体侧面和上、下表面产生的抗扭力矩相等，可得

于是，由十字板原位测定的土的抗剪强度cu为

但在有些情况下已发现十字板剪切试验所测得的抗剪强度在地基不排水稳定分析中偏于不安全，对于不均匀土层，特别是夹有薄层粉细砂或粉土的软黏性土，十字板剪切试验会有较大的误差。因此，将十字板抗剪强度直接用于工程实践中，要考虑到一些影响因素。