云南地质工程第二勘察院实验室 云南楚雄 675000
摘要：土的抗剪强度指的是地基土抵抗外部荷载破坏的能力，在计算地基承载力，挡土墙土压力、土坡稳定性时，土的抗剪强度是重要参考指标。获得土的抗剪强度指标的主要途径为实验。本文通过分析对比，得出关于直剪与三轴试验抗剪强度指标理论上的相关指导，以供参考。
关键词：三轴试验；直剪试验；抗剪强度
土体破坏通常都是剪切破坏，因此，土体的抗剪强度是我们分析土体性能质量、安全性、稳定性的重要参考指标。从相关理论层面分析，土体的抗剪强度是一项力学指标，这一力学指标的大小与土体的组成有关，也与土体自身的性质有关，并且，土体的固结程度、含水率等也是影响这一指标大小的重要因素【1】。对于土体抗剪强度，一般是通过室内试验与原位测试这两种方法获得。若采用室内试验法，需科学选择试验方法并使用精密度较高的仪器设备。下文就对室内试验测定抗剪强度的两种方法进行对比研究，分析总结两种方法的异同。
1直剪试验
1.1直剪试验仪器设备与原理
直剪试验中，主要的仪器设备为直剪仪，而按照工作原理不同，又可将直剪仪分为应力控制式与应变控制式两种。这两类仪器各有优缺点与各自的适用范围，如应力控制式在施加水平剪切力方面较为麻烦，无法准确测出应力以及剪切位移曲线上的峰值与稳定值【2】。因此，近年来应力控制式直剪仪已经逐渐不参与土体抗剪强度的试验。与应力控制式直剪仪相比，应变控制式直剪仪精准度较高，稳定性较强，可准确测定剪切力与剪切位移曲线上的峰值以及剪切曲线上的稳定值，因此在土体抗剪强度试验中应用较为广泛。
直剪仪的工作原理为：在进行土体抗剪强度试验时，直剪仪的上盒（固定）与下盒（可移动）在传力装置的作用下对试样施加垂直的竖向应力，对下盒施加水平力，在力的作用下，试样会沿着下盒的接触面进行剪切【3】。在剪切过程中，连接在上盒上的百分表将准确测量出剪应力的大小。为获得准确、全面的试验结果，在试验过程中需要为试样分别施加不同的垂直压力，从而得到与垂直压力相对应的抗剪强度τ值。试验结束后，根据具体的试验结果绘制出剪应力τ和剪切变形δ的关系曲线，并确定出相应垂直压力下试样的抗剪强度（剪应力峰值），若试验过程中无峰值出现，就需取 4mm 剪切位移量对应的剪应力值作为抗剪强度值。
1.2直剪试验方法与处理过程
根据不同的排水条件，可将直剪试验分为慢剪试验、快剪试验与固结快剪试验三种。这三种试验各有参考的技术标准以及相关注意事项。如在快剪试验中，对试样施加垂直应力的基础上直接施加水平剪应力，不需做其他处理，确保试样在力的作用下快速剪损，且剪损过程中不能出现排水现象；而慢剪试验事先为试样施加一定的作用力，让试样在力的作用下充分排水固结，待试样的固结系数与含水率符合相关标准后，为试样施加一定的水平剪应力，进行剪损处理，在剪损处理过程中需合理控制剪切速率，确保试样始终处于排水状态【4】。最后，固结快剪试验事先为试样施加一定的垂直压力，使试样固结，在此基础上施加一定大小的水平剪应力，使试样在相应时间范围内剪损，但剪切过程中不能出现排水现象。
2三轴试验
与直剪试验相比，三轴试验更具应用优势，试验过程更为完善、规范，试验结果也更加真实准确，因此三轴试验被广泛应用于土体抗剪强度测验中，尤其在大型工程中、对试验要求较高的试验中应用更为广泛。具体而言，三轴试验的应用优势表现在以下方面：能准确、全面反映出土体受力情况，精准度高。但三轴试验也存在一些缺点与限制条件，如当前市面上的三轴仪结构复杂，不易操作，导致试验过程容易出现问题，也会使最终试验结果受到影响。
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2.1三轴试验原理与注意事项
2.1.1实验原理
三轴试验原理如下：在采用三轴试验法测量土体的抗剪强度时，主要借助三轴试验仪完成。三轴试验仪主要由加压系统、排水系统、压力室、测量系统等部分组成。在进行土体抗剪强度的试验时，利用乳胶将圆柱体试样进行包裹，并将试样固定于压力室的底座，之后封闭压力室，并对压力室进行注液处理，确保土样在试验过程中受到不变的围压 σ3，之后，试验人员就要为压力室施加一定大小的垂直应力，具体施加部位为压力室上端活塞杆处。在向土体施加了垂直应力后，土样会受到垂直应力的挤压影响而出现变形，最终出现剪损破坏现象。
2.1.2相关注意事项
为确保最终试验结果，在采用三轴试验法测量土体的抗剪强度时，必须严格按照规范、标准的试验步骤进行，避免出现试验过程混乱无序的情况。通常情况下，在进行土体抗剪强度试验时，先要对试样进行围压处理，处理过程中尽量保持围压不变，并逐渐增加轴向应力，且随着主应力的加大，相应的应力摩尔圆也随之增大至极限应力圆，直到完成试样的剪损处理。此外，在进行三轴试验时，要保证一个试样对应一个摩尔圆，不能出现其他情况。同时，为提高实验结果的客观性与说服力，应避免出现单一试样试验的情况，试验时要以 3 ～ 4 个试样在不同围压下进行试验，以此保证最终试验结果【5】。
2.2三轴实验分类与处理过程
按照不同的排水条件，可将三轴试验分为固结不排水试验、不固结不排水试验以及固结排水试验三种，这三种试验各有参考的技术标准以及相关注意事项。其中，固结不排水实验是在进行试验时，首先向试样施加稳定的围压，之后将排水阀打开，使试样在围压下排水固结，等到试样的含水率与固结程度符合相关标准后，将排水阀关掉并对试样施加一定大小的轴向应力，达到实验目的。而不固结不排水试验是为试样施加围压，在此基础上直接向试样施加轴向应力，在施加应力过程中避免出现排水现象，将试样的含水率保持在稳定状态，在此情况下测得土体的抗剪强度【6】。固结排水试验是在施加围压后，打开排水阀，使试样在围压下排水固结，试样完全固结排水之后，施加轴向应力，在试验过程中保持排水阀处于打开状态，测量此条件下的土体抗剪强度，达到试验目的。
3两种试验方法比较
直剪试验与三轴试验各有优缺点，具体分析如下：
直剪试验的优点是操作简单，对技术要求低，操作过程容易控制。而该种试验方法的缺点是在试验过程中，随着试验的推进，剪切面面积会不断缩小，但这一面积变化并未能考虑到实际的计算过程中去，导致最终计算结果存在失真、失准的情况。同时，在试验过程中，也不能有效控制排水条件，导致土体的抗剪强度受到影响。
三轴试验则正好与直剪试验相反，在采用三轴试验法测量土体的抗剪强度时，可以有效控制试验过程中的排水条件，并能真实模拟出土体受剪破坏的过程以及相关应力状态，因此试验结果更加准确、真实。但缺点是三轴仪结构复杂，对技术要求高，不易操作。同时在试验过程中，围压随孔压变化，对孔压测量有较大影响。
4 结语
综上所述，在计算地基承载力，挡土墙土压力、土坡稳定性时，土的抗剪强度是重要参考指标。为准确获得土体抗剪强度，我们可以采用直剪试验与三轴试验法。但这两种试验方法均各有优缺点，在实际测量时，还需技术人员根据实际情况、测量要求科学选择试验方法，实现高效试验。
参考文献：
[1]张晓昀，李培顺.港口地质勘察中直剪试验与三轴试验的对比研究[J].中国水运（下半月），2019，19（02）：159-160.
[2]杨升，李晓庆.考虑不同颗粒形状的PFC~（3D）砂土直剪试验模拟[J/OL].水利水电技术：1-9[2019-04-15].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.1757.TV.20190115.1646.002.html.
[3]王洪绪，张卫华，刘永胜.江苏沿海饱和粉土三轴试验的研究[J].港工技术，2018，55（02）：111-115.
[4]唐雪峰.三明市水舞半山郡开挖边坡现场直剪试验和边坡治理效果模拟分析[D].中国地质大学（北京），2018.
[5]牛茗，张兴旺，刘胜全，蒋俊良.土体含水率对三轴与直剪试验抗剪强度指标的影响研究[J].江西建材，2017（23）：1+7.
[6]牛茗，张兴旺，刘胜全，蒋俊良.直剪与三轴试验抗剪强度指标理论上的分析研究[J].江西建材，2017（22）：8+11.
论文作者:刘海
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第24期
论文发表时间:2019/6/21
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