摘要：本文从原理与实践两个方面对土工直剪试验进行了深入分析与讲解，对如何做好该试验提出了一些见解与主张，并对试验的局限性也进行了剖析，方便土工试验人员以及勘察设计人员去更好地理解该试验，更加科学地分析、运用本试验指标。
关键词：土工直剪试验 原理 实践 粘聚力 内摩擦角 最小二乘法
1 前言
土工直剪试验是发展较早的一种测定土的抗剪强度的方法，由于设备简单，易于操作，在工程实践中得到了广泛应用。笔者进行过大量的土工直剪试验操作，认真学习了相关理论知识，积累了丰富实践经验，现就土工直剪试验的原理与实践与读者进行一下探讨与分析。
2 土工直剪试验的原理
2.1土工直剪试验单块土抗剪强度的确定
土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏时的能力，是土的重要力学性质之一。在外荷作用下，建筑物地基或土工建筑物内部将产生剪应力和剪切变形，而土体具有抵抗剪应力的潜在能力，它随着剪应力的增加而逐渐发挥，当剪阻力完全发挥时，土就处于剪切破坏的极限状态，此时剪阻力也达到极限。这个极限值就是土的抗剪强度。
室内直剪试验中测定土的抗剪强度时，一组土样至少制备4个试件，按土样实际荷载分别施加多级垂直压力后，沿固定的剪切面直接施加水平剪力依次进行剪切，依次剪切，分别测试出土样在相应荷载下破坏时的抗剪强度，这个抗剪强度是以剪切位移为横坐标，剪应力为纵坐标，绘制剪应力与剪切位移关系曲线（见图1），取曲线上剪应力的峰值为抗剪强度，无峰值时，取剪切位移4mm处所对应的剪应力为抗剪强度，同时要求试验的剪切位移达6mm。如图1中的小箭头分别为4块土样进行剪切试验时的剪应力峰值取值，这4个峰值即分别为试验土样的抗剪强度。
图1 剪应力与剪切位移关系曲线
上图中剪应力 的计算公式如下：
=CR/A0×10
式中
剪应力，kPa；
C 测力计率定系数，N/0.01mm；
R 测力计读数，0.01mm，直剪试验中的测力计一般采用量力环；
A0 试样面积，常量，取30 cm2；
10 单位换算系数。
算例：设某剪切仪的测力环系数为4.79（N/0.01mm），测力环中的百分表某一时刻读数为0.6mm，即60个0.01mm，那么该时刻的剪应力为：
=4.79×60÷30×10=95.8（kPa）
因为试样的剪切面积是固定不变的，所以在对量力环进行率定的时候也可把试样的剪切面积放在量力环率定系数里进行计算，而这样计算出的量力环系数的单位是kPa/mm，因此剪应力公式也可以写成：
=CR，其中R是以mm为单位的测力计读数，这在土工生产中常用的四联剪切仪里一般采用后者计算方式。
2.2 土的抗剪强度参数内摩擦角φ和粘聚力c的确定
地质勘察工作在为设计专业提供土的抗剪强度时，是以内摩擦角φ和粘聚力c的形式提供的，这样便于设计人员计算土在一定压力范围内的抗剪强度。根据库仑强度定律，在常规压力下，直剪试验理论上测得的有效强度线是一条直线（见图2），即S=PtanΦ+C，其中C为强度线与纵坐标的截距，称为土的粘聚力；P为作用在剪切面上的有效法向应力；Φ为强度线的坡角，称为土的内摩擦角。
图2 剪应力与剪切位移关系曲线
由于土本身特殊的物理力学性质，以及受土样扰动、仪器误差和人为因素的影响，各级荷载相对应的S、P并不严格落在一条直线上。对于试验结果，传统上试验室采取作图法去手工拟合四个试验点，画一条直线，这种方法存在一定的误差和随意性，影响到测试结果的准确性和精度。现在生产中常用的四联剪切仪已普遍采用最小二乘法去拟合直线，该方法得到的结果更准确。根据数学公式推导，采用最小二乘法方法时所得到的粘聚力C与内摩擦角Φ分别如下：
把图2剪切试验中的四个试验点（见表1）分别代入上面计算公式就可得到该土的粘聚力C为45.13，内摩擦角Φ为16.2度。
表1 图2中的剪切试验点
3 土工直剪试验的实践
3.1 土工直剪试验的分类及其相应解析
按剪切前的固结程度、剪切时的排水条件及加荷速率，又把直接剪切试验分为快剪、固结快剪和慢剪三种试验方法。每种试验方法适用于一定排水条件下的土体，相应于工程所处的工作状态。因此，在选择试验方法时，应注意所采用的方法尽量反映土的特性和工程所处的工作阶段，并与分析计算方法相匹配。
3.1.1 快剪试验（Q）
对试样施加竖向压力后，立即快速施加剪应力使试样剪破坏。一般从加荷到剪坏用3~5min时间。其目的是使试样承受竖向压力后及在剪切过程中防止试样固结、排水。该强度参数适用于建筑物在很短期内完成或预计施工期内地基土不固结不排水条件下的稳定计算。快剪试验所得的粘聚力和内摩擦角分别用符号Cq和Φq表示。
3.1.2 固结快剪试验（CQ）
对试样施加压力后，试样充分排水，待固结稳定后，再快速施加剪应力使试样剪切破坏。这样测定的强度参数适用于地基或土堤在施工期已完成排水固结，后因突然施加外荷载或土堤前水位骤降等条件下的稳定计算。固结快剪试验所得的粘聚力和内摩擦角分别用符号Ccq和Φcq表示。
3.1.3 慢剪试验（S）
试样放于剪切盒内，试样顶面和底面均放置透水石，施加竖向压力P后，让试样充分排水固结。变形稳定后，启动推动轴，剪切速率很缓慢，保证试样在剪切过程中也充分排水。用于模拟土体充分固结后才开始缓慢施加荷载的情况。
该强度参数适用于土体透水性较强、排水条件良好、建筑施工速度较慢情况时的稳定计算。慢剪试验所得的粘聚力和内摩擦角分别用符号Cs和Φs表示
3.2 土工直剪试验应注意的一些因素
（1）垂直压力的施加方式与大小。一次施加或分级施加对土的压缩是有影响的，其塑性指数愈大，影响也愈大。所以，对于低含水率、高密度的粘性土，应一次施加；对于松软的粘土，为防止试样被挤出，垂直压力宜分级施加。另外，
根据土的密实度与软硬程度可以分别施加图3中的四种荷重序列，一般密实的硬土应加大荷重序列，松软一些的应加小荷重序列，这样可以控制土的排水与变形。
（2）剪切速率的大小。剪切速率是影响土的抗剪强度的一个重要因素，主要表现在以下两个方面：一方面是剪切的快慢影响试样的排水固结强度。二是对粘滞阻力的影响，剪切速率高，粘滞阻力增大，表现出较高的抗剪强度；反之，粘滞阻力小，所得的强度降低。快剪试验应以0.8mm/min的速率剪切，在较短时间内剪损，目的就是为了在剪切过程中尽量避免试样的排水固结。而慢剪试验要以小于0.02mm/min的速率剪切，是为了在剪切过程中充分地排水固结。
（3）仪器的校正与操作。目前的直剪仪都是利用杠杆原理来实现垂直加压的，为了提高垂压精度，必须注意仪器的校正与操作。一方面，直剪仪要水平方向调平衡，方法是不在水平加压杠杆上施加压力的情况下，使竖向加压框架像试验时一样垂直竖立，通过旋转仪器后方的平衡砣，使水平加压杠杆稳定在水平位置。另一方面，在试验时，要确保水平加压杠杆处在水平状态，这样才能保证直剪仪的杠杆比正确，才能保证施加的垂直压力正确。如是四联直剪仪，还要定期检验位移传感器是否正确以及精度是否能够满足规范要求。
3.3 土工直剪试验的局限
直接剪切试验具有设备简单、土样制备及试验操作便捷等优点，因而得到广泛应用。但是也存在一些不足：剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的面剪切破坏；剪切面上剪应力分布不均匀，且竖向荷载会发生偏转（上下盒的轴线不重合），主应力的大小及方向都是变化的；在剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而在计算抗剪强度时仍按土样的原横截面面积计算；试验时不能严格控制排水，并且不能测孔隙水压力；试验时上下盒之间的缝隙中易嵌入砂粒，使试验结果偏大。
4 结语
本文从原理和实践两个方面对土工直剪试验进行了深入的分析与探讨，对直剪试验指标的计算、取值与运用都进行了详细地说明，同时也对做好剪切试验应注意的事项做了一些强调，希望这些讲解与分析能够帮助土工试验人员以及勘察设计人员去更好地理解该试验，更加科学地分析、运用本试验指标。
参考文献：
[1]土工试验方法标准（GB/T 50123 - 1999）
[2]土工试验规程（SL237 – 1999）
作者姓名：牛江波； 出生年月：1985年8月10日； 性别：男； 学历：本科；职称：工程师；单位：安徽省水利水电勘测设计院勘测分院；省市名称：安徽省蚌埠市；邮编：233000；主要从事工作：工程勘测
论文作者:牛江波
论文发表刊物:《基层建设》2018年第25期
论文发表时间:2018/9/17
标签：试样论文; 土工论文; 强度论文; 应力论文; 荷载论文; 摩擦论文; 压力论文; 《基层建设》2018年第25期论文;