测试理论与监测技术

土的抗剪强度试验方法与结果比较

试验指标

抗剪强度指标c、φ值，是土体的重要力学性质指标，正确地测定和选择土的抗剪强度指标是土工计算中十分重要的问题。

举例说明计算地基的极限荷载和承载力时,c、φ的重要性。计算:Pu=γbNr/2+cNc+qNq,式中:Pu———极限荷载,kPa;Nr、Nc、Nq———地基承载力系数,均为tgα=tg(45°+φ/2)的函数,亦即φ的函数。例如:某办公楼采用砖混结构条形基础,设计基础底宽b=1.50m,基础埋深d=1.40m,地基为粉土,天然密度γ=18.0kN/m3,内摩擦角φ=30°,黏聚力c=10kPa,地下水位深7.8m,计算此地基的极限荷载和地基承载力。a)地基的极限荷载：Pu=γbNr/2+cNc+qNq=1060.1kPa。b)地基承载力f：采用安全系数K=3.0,地基承载力为:f=Pu/K=1060.1kPa/3.0≈353.4kPa。c)若上题φ值改为20°,其余条件不变。地基极限荷载Pu=405.4kPa;地基承载力f=Pu/K=405.4kPa/3.0≈135kPa。可见其他条件不变,内摩擦角变化,极限荷载及地基承载力变化很大,与建筑物的安全性、经济性密切相关,尤其是对重大工程或承受倾斜荷载的建筑物更为重要土体的抗剪强度指标是通过土工试验确定的。室内试验常用的方法有直接剪切试验、三轴剪切试验；现场原位测试的方法有十字板剪切试验和大型直剪试验。一、直剪试验：应变控制式和应力控制式直剪试验根据排水条件可分为：快剪、固结快剪和慢剪．优点：直接剪切仪构造简单，操作方便等缺点：①限定的剪切面；②剪切面上剪应力分布不均匀；③在计算抗剪强度时按土样的原截面积计算的；④试验时不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力。二、三轴剪切试验1、试验仪器与基本原理三轴剪切试验仪（也称三轴压缩仪）由受压室、周围压力控制系统、轴向加压系统、孔隙水压力系统以及试样体积变化量测系统等组成。三轴剪切仪

试验时，将圆柱体土样用乳胶膜包裹，固定在压力室内的底座上。先向压力室内注入液体，使试样受到周围压力σ3，并使σ3在试验过程中保持不变。然后在压力室上端的活塞杆上施加垂直压力直至土样受剪破坏。

设土样破坏时由活塞杆加在土样上的垂直压力为Δσ1，则土样上的最大主应力为σ1f=σ3+Δσ1，而最小主应力为σ3f。由σ1f和σ3f可绘制出一个莫尔圆。

用同一种土制成3~4个土样，按上述方法进行试验，对每个土样施加不同的周围压力σ3，可分别求得剪切破坏时对应的最大主应力σ1，将这些结果绘成一组莫尔圆。根据土的极限平衡条件可知，通过这些莫尔圆的切点的直线就是土的抗剪强度线，由此可得抗剪强度指标c、φ值(图-1)。图-1三轴试验基本原理(a)试样围压(b)破坏时试样主应力(c)应力圆与强度包线2.三轴试验验方法分类按剪切前的固固结程度和剪剪切过程中的的排水条件三三轴试验可分分为三种类型型：（1）不固结结不排水试验验（UU试验验）试验过程由始始至终关闭排排水阀门，土土样在剪切破破坏时不能将将土中的孔隙隙水排出。土土样在加压和和剪切过程中中，含水量始始终保持不变变，得到的抗抗剪强度指标标用cu、φφu表示。对应实际工程程条件中饱和和软粘土中快快速加荷的应应力情况观看试验过程程动画演示（2）固结不不排水试验（（CU试验））先对土样施加加周围压力，，将排水阀阀门开启，让让土样中的水水排入量水管管中，直至排排水终止，土土样完全固结结。然后关闭闭排水阀门，，施加竖向压压力Δσ，使使土样在不排排水条件下剪剪切破坏，得得到的抗剪强强度指标用ccu、φcu表示。实用的工程条条件常为一般般正常固结土土层在工程竣竣工或在使用用阶段受到大大量、快速的的活荷载或新新增的荷载作作用时所对应应的受力情况况。观看试验过程程动画演示（3）固结排排水试验（CD试验）在固结过程和和Δσ的施加加过程中，都都让土样充分分排水(将排排水阀门开启启)，使土样样中不产生孔孔隙水压力。。故施加的应应力就是作用用于土样上的的有效应力，，得到的抗剪剪强度指标用用ccd、φφcd表示。。观看试验过程程动画演示3.三轴试验验的优缺点优优点：：（1）可严格格控制排水条条件；（2））可测量孔隙隙水压力；（（3）破裂面面在最软弱处处缺点：（1）受力轴对称；（2）实验验较为复杂三轴试验的结结果还是比较较可靠

三轴轴压缩仪是土土工试验不可可缺少的仪器器设备三、无侧限抗抗压试验无侧限仪无侧限抗压强强度试验是周周围压力σ3=0（无侧侧限）的一种种特殊三轴压压缩试验，又又称单轴试验验，该试验多多在无侧限抗抗压仪上进行行,其结构示示意图如图-2（a）无侧限抗压强强度试验过程程请参见动画演示试验时，在不不加任何侧向向压力的情况况下，对圆柱柱体试样施加加轴向压力，，直至试样剪剪切破坏为止止。试样破坏坏时的轴向压压力以qu表表示，称为无侧限抗压强强度。对于饱和软粘粘土，可以认认为φ=0，，此时其抗剪剪强度线与σσ轴平行，且且有cu=qu/2。所所以，可用无侧限抗抗压试验测定定饱和软粘土土的强度如图-2（b）。四、不同剪切切试验方法及及指标比较1直剪快剪(Q)与三轴轴不固结不排排水剪(UU)快剪与不不排水剪用于于模拟土体来来不及固结排排水就较快加加载以至剪切切破坏的情况况。但由于直剪仪不能有有效地控制排排水条件,直直剪的快剪试试验与三轴剪剪的不排水剪剪试验结果并并不完全相同同,其差别大大小主要取决决于土样的透透水性强弱,对于透水性性很强的砂土,直剪的快快剪可以相当当于三轴剪的的排水剪;而而对于透水性性较差的黏性性土,两种试试验结果相近近。近年来由于工工程建筑施工工周期短,结结构荷载增长长速度快,地基稳定性验验算一般应采用快剪或不排水水剪指标;验算斜坡稳稳定性时,若若土体排水条条件差、透水水性较弱,也也应采用快剪剪或不排水剪剪指标。固结快剪(CQ)与固结不排水水剪(CU)固结快剪(CQ)与固结不排水水剪(CU)试验用于模拟拟土体在自重重或正常荷载载下已充分固固结,而后荷载突然然增加的情况况。CQ与CU的结果是否一一致同样也取取决于土体的的渗透性大小小。对于砂土土,直剪仪的固结结快剪相当于于三轴排水剪剪。在实际工工程中,当建筑物在施施工期间已排排水固结,但竣工后有大大量或突发荷荷载施于其上上时,可采用固结快快剪或固结不不排水剪指标标。慢剪(S)与排水剪(CD)慢剪(S)与排水剪(CD)试验用于模拟拟土体充分固结后才开始始缓慢施加荷荷载的情况。。由于S及CD试验中孔隙水水应力(U)已消散为零,即总应力就等等于有效应力,其强度指标φs、cs与φd、cd一致,可近似替代有效应应力强度指标标φ’、c’,即φs=φd=φ’,cs=cd=c’。五、剪切试验验方法选取原原则在选取强度指指标时要根据据工程实际和土土层情况决定采用总应应力或有效应应力强度指标标,然后选择测试试方法。原则则上选取时以以技术理论合理理性为主,以习惯用法的经经验性为辅。一般认认为,由三轴固结不不排水试验确确定的有效应应力强度参数数c′和φ′值用于分析地地基的长期稳稳定性(例如如土坡的长期期稳定分析,估计挡土结结构物的土压压力、位于软软土地基上结结构物的地基基长期稳定分分析等);而对于饱和和软黏土一般般工程问题多多采用总应力力分析法,其其指标和测试试方法的选择择大致如下:a)若建筑筑物施工速度度较快,而地地基土的透水水性和排水条件不不良时,可采采用三轴仪不不固结不排水水试验或直剪仪快快剪试验结果果。b)地基为为黏性土但层层厚不大且上上下土层透水水性好或采用了排排水措施,可可采用三轴固固结不排水或或固结快剪试验结结果。如果地基荷载载增长速率较较慢,地基土土的透水性不不太小(如低低塑性的黏土土)以及排排水条件又较较佳时(如黏黏土层中夹砂砂层),则则可以采用三三轴固结排水水或慢剪试验验结果,以有有效应力法进进行分析。针对土的短期期稳定问题,则宜采用不不固结不排水水试验的强度度指标,以总总应力法进行行分析。由于于实际加荷情情况和土的性性质是复杂的的,而且在建建筑物的施工工和使用过程程中都要经历历不同的固结结状态,因此此,在确定强强度指标时还还应结合工程程经验。总之,选择强强度指标应按按原则选取,也因工程情情况和设计者者的不同要求求而有所变化化。原则上选选取时以技术术理论合理性性为主,以习习惯用法的经经验性为辅,并注意后者者的有条件和和局限性。当当土体透水性性较强、排水水条件良好,建筑施工速速度较慢时,可采用S或或CD试试验的强度指指标。结束语综上所述,测测试土的抗剪剪强度参数