直剪试验和三轴剪切试验对比分析

沈圆

摘要：本文通过对直剪试验和三轴剪试验的比较，借此与同行交流。

关键字：直剪；三轴剪；对比分析

土的抗剪强度定义为土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要力学性质之一。在土力学中，采用摩尔-库仑强度准则，用内摩擦角和内聚力来表现土的抗剪强度规律，即是在土的破裂面上，抗剪强度随法向应力增长的规律。土的抗剪强度在计算承载力、评价地基稳定性以及计算挡土墙土压力时，都有重要的应用。因此，正确的测定土的抗剪强度，在计算和评价土体的性质有重要的意义。根据土体受力面和受力方式不同，测定土的抗剪强度的方法和仪器也不同，常用的方法主要有室内的直接剪切试验、无侧限抗压强度试验和三轴压缩试验及原位的十字板剪切試验等。本文主要针对直接剪切试验和三轴压缩试验进行分析对比。

一、直剪试验

直接剪切试验就是是在某一预订的面上剪切土的试件，测定该面上的剪应力和抗剪强度的试验。我国目前普遍采用的是应变控制式直剪仪。如图1，试样施加某一法向应力σ，然后等速推动下盒，使试样在沿上下盒之间的水平面上受剪直至破坏，剪应力t的大小可借助与上盒接触的量力环而确定。根据试样在剪切过程中剪应力t与剪切位移S之间的关系曲线， （2-a）可以确定抗剪强度τf通常同一种土取4个试样，分别在不同的法向应力（J下剪切破坏，可将试验结果绘制成如图2（2 - b）所示的抗剪强度与法向应力之间的关系曲线。

图2 的（ 2 - a ）是剪应力与剪切位移的关系；图2的 （ 2 - b ） 是抗剪强度与法向应力关系。按照剪切前土的固结程度，剪切时排水的条件以及剪切加荷的快慢，直接剪切试验方法可分3种：

（1）快剪试验（不排水剪）。

（2）固结快剪试验（固结不排水剪）。在法向压力下试样充分排

7JC，待完全固结后，再快速施加水平剪力使试样剪切破坏。

二、三轴试验

三轴压缩试验是测定土的抗剪强度一种比较完善的方法。它通常用3—4个圆柱形试样，分别承受不同的周围压力并保持周围压力不变，然后施加轴向压力，进行剪切直至破坏，再根据摩尔-库仑理论，求得抗剪强度指标。三轴试验能够模拟土体的三轴受力情况如图3 （ 3 - a ） 和可以控制排水条件以及可以量测土样中孔隙水压力的变化。其剪切破坏面不是人为规定的。如果试样土质均勻，剪切破坏面与主应力夹角θ=45+φ/2，如图3 （ 3 - b ）若存在软弱结构面，则剪切破坏面沿着软弱结构面发展。

图3 （3 - a）试样受周围压力；图3 （3 - b）破坏时试样的主应力。根据土样剪切前固结的排水条件和剪切时的排水条件，三轴试验可分为以下三种试验方法：

（1）不固结不排水剪（UU试验），试样在施加周围压力和随后施加偏应力直至剪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。

（2）固结不排水剪（CU试验），在施加某一周围压力时，将排水阀门打开，允许试样充分排水，待固结稳定后关闭排水阀门，然后再施加偏应力，使试样在不排水的条件下剪切破坏。由于不排水，试样在剪切过程中没有任何体积变形。

三、试验实例

杭州地铁1号线Ⅱ标段建华站， 取土样6# 30#吴秀勤不同剪切试验数据差异性比较个， 样品深度自地下4.75 —16.25m，灰色，为粉土—粉砂。比对试验的结果如表5所示。

从表5可以看出， 固结不排水剪（CU）的总抗剪强度和总有效抗剪强度均大于固结快剪的抗剪强度。将表5的c和φ平均值与表4粉土的c与φ平均值进行比较， 两者基本吻合（前者略大一些）。这是由于杭州地铁1号线Ⅱ标段建华站在深度4.75—16.25m的土样为粉土—粉砂， 故表5抗剪强度的平均值略大于表4粉土的平均值。

舟山市北向疏港公路， 取土样6个， 样品深度自地下3.70—7. 80m，灰色，为淤泥—淤泥质黏土。将这6个土样分别进行三轴不固结不排水剪（UU）和直接快剪比对试验。

从表6可以看出，直接快剪测得的抗剪强度均大于三轴不固结不排水剪（UU）测得的抗剪强度。表6的c和φ平均值与表2淤泥质黏土的c与φ平均值数据相近， 表明工程实例样品测得的结果与试验结果相吻合。

四、直接剪切试验和三轴压縮试验优缺点分析

直接剪切试验和三轴压缩试验都是室内常用测定土的抗剪强度的方法，但由于技术条件和设备的原因两种试验方法测定土的抗剪强度存在一定的差异性，这就需要我们正确的认识两种试验的区别，选用合适的试验方式测定土的抗剪强度。

由于直剪仪构造问题，使土样无法完全封闭，这就造成无论剪切速度多快，孔隙水总会沿着土样和环刀之间的缝隙流失，这就不能保证抗剪强度是在严格不排水条件下测定的，也不能量测试样内孔隙水压力的变化。快剪试验的结果特别离散，而且内摩擦角往往偏大，用于工程是偏于危险的。

结语：对同一土样用不同剪切方法进行实验得出的抗剪强度不同，差异是因受荷机理和试验方法的不同。实际工程中地基条件及加荷情况不清晰，而直剪实验和三轴实验的进行是在室内，因此实验结果与实际有差异，所以要提前分析地基的条件并结合之前的经验加以判断，进而提出更好的剪切方法和实验要求得出指标。国际中直接剪切实验只适用于渗透系数小的高塑性黏土。因为简单所以被普遍应用于工程上，而结果表明三轴试验反映土体的抗剪强度更合理。所以一些重要的工程尽量采用三轴剪切实验。

参考文献：

[1]李秉湘：室内剪切试验方法综述和对比[J]建筑科技与管理，2012年2期

[2]吴秀勤：不同剪切试验数据差异性比较[J]渐江建筑，2007年5期