防止直剪试验剪切盒倾斜的方法及初步验证

董均贵,吕海波,郑谨莹

(1桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004；2桂林理工大学研究生院，广西 桂林 541004;3桂林理工大学 管理学院，广西 桂林 541004)



防止直剪试验剪切盒倾斜的方法及初步验证

董均贵1,吕海波2,郑谨莹3

(1桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004；2桂林理工大学研究生院，广西 桂林 541004;3桂林理工大学 管理学院，广西 桂林 541004)

受直剪仪自身缺陷的影响，常规试验试样剪切过程中剪切盒会发生倾斜。对比研究剪切盒倾斜与不倾斜状态下的抗剪强度,提出一种防止剪切过程中剪切盒倾斜的方法，对不同干密度和不同含水率试样进行直剪试验，将试验结果与常规试验下的抗剪强度进行对比分析。结果为：相同含水率下，抗剪强度随干密度的增大而增大；相同干密度下，抗剪强度随含水率增加而减小；2种试验条件下抗剪强度曲线走势一致，防止剪切盒倾斜条件下抗剪强度、内摩擦角和粘聚力均高于常规试验条件下的试验结果。防止剪切盒倾斜方法增加了竖向荷载，导致抗剪强度偏高；防止剪切盒倾斜的试验方法操作简单、结果具有可靠性，为不同研究结果的对比提供相同试验条件，具有一定的实用价值。

直剪仪；倾斜；限制倾斜；抗剪强度；竖向应力

杠杆式直剪仪在土的抗剪强度试验中被广泛使用，由于直剪仪本身的缺陷，试验过程中竖向压力Fv并不是始终垂直于剪切面，而是与垂直方向存在一个夹角a，而且随着竖向压力Fv的增加，夹角a也随之增大，这样得出的抗剪强度与理论强度值偏差较大。诸多学者对减小直剪试验误差、改善试验合理性做了大量研究。赵晓彦[8]等学者进行了相同土样三轴试验强度与直剪试验强度的对比，针对直接快剪试验得到的土体抗剪强度参数(c、Φ)明显高于三轴试验结果的现象进行了分析研究，认为直剪试验过程中法向力与剪切力不是始终保持垂直状态，引起试样的应力状态发生变化，从而导致了抗剪强度参数偏高。詹金林[9]等学者注意到直剪试验过程中有效剪切面积是随剪切的进行而减小的，并从理论上分析了有效剪切面积减小对剪切强度的影响，而现行规范推荐的计算方法并未考虑有效剪切面积减小因素，因此认为现行直剪试验的数据分析方法低估了土体的抗剪强度。刘海波等[10]根据直剪试验过程中剪切面的变化，对剪切强度计算方法进行了改进，并与改进前的试验数据进行对比分析，结合试验实测数据验证该改进方法的可行性，结果显示目前计算方法得到的抗剪强度明显偏高。董云[11]等为分析直剪过程中剪切面积与抗剪强度的关系，借助剪切位移测量系统对直剪仪进行改进，考虑了竖向应力偏心及颗粒运动引起剪切面起伏面积，分析建立新的计算模型，在一定程度上提高了直剪试验精度。余凯[12]等利用单点面积修正和多点面积修正对直剪试验过程中竖向应力和剪切面积进行修正处理，得到强度指标高于未作修正的强度指标。

上述研究大多是从理论角度分析证明误差的存在性，尚未有直剪过程中剪切盒不发生相对倾斜和发生倾斜2种状态下的试验数据对比，对于不发生倾斜的剪切试验缺少相关研究。基于此，本文介绍了一种防止直剪试验过程中上下剪切盒相对倾斜的方法，借助该方法进行直剪试验，对比分析了2种状态下土体抗剪强度指标间的关系。

1 试验装置及方法介绍

1.1 防止剪切盒倾斜方法

本方法是一种防止直剪试验中上下剪切盒相对倾斜的方法，以解决上述引言中提出的问题，提高直剪试验精度，改善试验合理性，方便不同研究结果的对比。目前该方法已在申请国家发明专利，申请号为：201610337267.9。

本方法需要对上剪切盒和盖板进行改造，并借助一个固定架(见图1、图2)来实现的，固定架由固定杆、轴承组成，轴承下表面与上剪切盒上缘光滑接触，固定杆与直剪仪底板用螺栓刚性固定。将上下剪切盒与直剪仪底板之间在竖向固定，由于轴承可以自由转动，使剪切盒可以发生水平方向位移。直剪试验过程中，当上剪切盒向上倾斜时就会受到轴承的竖向约束力，轴承不能发生竖向位移，因此剪切盒不会发生竖向倾斜。如果剪切过程中上剪切盒没有向上倾斜的趋势则不会受到轴承的竖向约束力。另外，对上剪切盒加高至约45 mm，增加盖板的厚度至约35 mm，使盖板在上剪切盒内接触良好，不会发生倾斜，防止直剪过程中试样偏压变形。本方法在使用时按试验规程安装直剪试样，施加对应的竖向压力，移动固定杆至轴承下边缘与上剪切盒刚好接触，将固定杆与直剪仪底板固定，即可开始剪切试验。

本方法中装置材料简单廉价、操作简便、受力合理，能有效解决直剪试验中上下剪切盒相对倾斜问题，有利于提高试验精度，方便不同试验结果对比。

图1 固定架主视图 图2 固定架俯视图

注：1-下剪切盒； 2-上剪切盒；3-轴承；4-固定杆；5-直剪仪底板；6-盖板； 7-试样。

1.2 直剪试验方案设计

本试验用土为取自广西南宁市郊区的灰白色弱膨胀土，其主要特性参数见表1。

表1 南宁膨胀土特性参数

先配置设计含水率的土样，采用静压制样方式按设计干密度制样，干密度分别设为1.4,1.6，1.8，含水率分别设为13%，16%，19%。设计3个不同干密度值与3个不同含水率值的交叉组合，共9种工况组合。由于试验用土渗透系数小于106cm/s，参照《公路土工试验规程》JTG E40-2007[13]相关规定，采用不固结不排水快剪试验，剪切速率为0.8 mm/min,试样在3～5 min内剪切破坏。首先使用普通杠杆式直剪仪进行允许上下剪切盒相对倾斜的直剪试验，每个试样破坏后，用精度为0.5 mm的钢直尺测量上下剪切盒最大竖向相对位移值。然后利用上述1.1中的改进装置进行防止上下剪切盒相对倾斜的直剪试验，将2种条件下的直剪试验数据进行对比分析。

2 直剪试验

试验前检查直剪仪是否正常，标定测力环。选取4个密度差不大于0.03 g/cm3的环刀试样，按规程要求安装好试样，调节传力杆处于水平状态，施加竖向荷载后，立即开动直剪仪进行直剪试验。竖向应力分别为100,200,300,400 kPa共4级荷载。试样剪切试验的实施方法及标准均严格按公路土工试验规程(JTG E40—2007)执行。剪切速度为0.8 mm/min，采集并处理试验数据，剪切应力峰值即为该级荷载下的抗剪强度。

3 试验结果及分析

3.1 直剪试验结果

回归分析的最小二乘法是处理试验数据误差较小的方法[14]。以Excel为工具，借助最小二乘法对其抗剪强度数据进行统计分析，允许剪切盒倾斜条件下直剪试验强度参数见表2，限制剪切盒倾斜条件下直剪试验强度参数见表3。

由表2可知，常规杠杆式直剪仪在试验过程中上下剪切盒会发生不同程度的相对倾斜，其塑性竖向相对位移最大可达5.25 mm，严重影响试验结果的可靠性。不同干密度与不同含水率交叉组合条件下，剪切盒竖向相对位移值波动较大，从而导致实际有效剪切面积存在差异。另外，由于试验操作的差异性，不同试验人员得到的上下剪切盒竖向相对位移也会有区别，因此在使用常规杠杆式直剪仪的前提下，对不同研究人员的试验数据进行对比统计分析往往比较困难。本文介绍的防止直剪试验中上下剪切盒相对倾斜的方法，可以有效地限制试验过程中上下剪切盒发生相对位移，为不同研究人员试验数据的对比提供一个相同的试验条件。根据表2、表3的试验结果可以整理得出2种试验条件下具有相似的剪切强度与含水率变化曲线(图3～图5)。由图3～图5可知在干密度一定的条件下，随着含水率的增加，强度逐渐减小,这与已有研究结论[15]相同。分析原因是，含水率的增加导致土颗粒的水膜变厚，颗粒之间有隔离的趋势，孔隙压力增大，有效应力减小，从而导致强度降低。强度与干密度的关系曲线分别如图6～图8所示。一定含水率条件下，随着干密度的增大，强度也相应增大。因为在含水率相同条件下，干密度越大，试样中土颗粒的含量越大，颗粒直剪越紧密，剪切破坏时需要克服的阻力就越大，因而剪切强度越大。

表2 允许剪切盒倾斜条件下直剪试验强度参数

表3 限制剪切盒倾斜条件下直剪试验强度参数

图3ρd=1.4强度曲线 图4ρd=1.6强度曲线 图5ρd=1.8强度曲线

图6ω=13%强度曲线 图7ω=16%强度曲线 图8ω=19%强度曲线

3.2 强度参数变化规律

根据表2、表3，以直剪试验过程中竖向应力为横坐标，以试样剪切破坏时的剪应力为纵坐标，绘制τ-σ直线，直线的倾角为土的内摩擦角Φ，直线在纵坐标轴上的截距为土的粘聚力c。试样破坏应力随竖向应力的变化关系分别如图9～图17所示。

从图9～图17中可以看出，各组直剪试验数据线性相关性良好，2种剪切条件下强度曲线走势相同，数据可靠性较高。使用本文介绍的防止直剪试验中上下剪切盒相对倾斜的方法得到的试验结果，与常规直剪试验结果具有良好的一致性，也证明了该试验方法具有可行性。限制剪切盒发生倾斜条件下的剪切强度明显都高于未限制剪切盒倾斜条件下的剪切强度。不同的含水率和不同干密度条件下，限制剪切盒倾斜对强度提高程度不同。在干密度较小时(ρd=1.4)，出现c值为负值的情况。分析原因认为，制样过程中试样不能保证完全均匀，一组试样的4个试样存在软硬程度上的差异，当试验顺序正好是软、软、硬、硬时，就容易出现直剪曲线Φ值偏高、c值为负值的情况。粘聚力随干密度变化曲线如图18所示。

图9ω=13%，ρd=1.4 图10ω=13%，ρd=1.6 图11ω=13%，ρd=1.8

图12ω=16%，ρd=1.4 图13ω=16%，ρd=1.6 图14ω=16%，ρd=1.8

图15ω=19%，ρd=1.4 图16ω=19%，ρd=1.6 图17ω=19%，ρd=1.8

参考图9～图18，结合表2、表3可知：无论是倾斜条件还是限制倾斜条件，在给定含水率下，干密度越大，粘聚力值c越大。干密度越大说明土颗粒所占的比重越大，静压制样过程中需要施加一定压力，荷载作用下土体发生一定程度固结，颗粒间距减小。当相邻两颗粒靠近到一定程度时，双电层重叠，形成公共结合水膜，通过阳离子将两颗粒相互吸引，增加了颗粒间的粘聚力。另外，颗粒间距的减小，也有利于颗粒接触点间形成一些化合健，对提高粘聚力也有一定作用。而在干密度一定的条件下，随着含水率的变化，粘聚力c值没有显著的变化。对于内摩擦角Φ值而言，干密度一定时，随含水率的增大而呈减小趋势。含水率增大，土颗粒间的水膜增厚，颗粒间相互滑动的阻力减小。当含水率较低时(13%)，Φ值随干密度的增大而增大；当含水率较高时(16%，19%)，随着干密度的增大，Φ值先表现为轻微的增加然后大幅降低。出现Φ值先升后降的现象，是因为试验所用土为膨胀土，当含水率较低时，膨胀土的膨胀性表现尚不明显，因此表现出与普通粘土相似的性质，即随干密度增大，内摩擦角增大；而当含水率增大到一定值时，膨胀土的膨胀性充分表现出来，通过晶层扩张使颗粒间水膜急剧增厚，Φ值随之减小。

3.3 2种剪切条件下强度参数对比分析

限制剪切盒倾斜和未限制剪切盒倾斜2种条件下Φ值对比曲线如图19所示。从图19可以看出不倾斜条件下的Φ值高于倾斜条件下的Φ值，其中因试验误差原因出现少数2个点的Φ值波动。对于粘聚力指标(图20)，限制倾斜条件下的c值均高于倾斜条件下的c值。

常规直剪试验试样受力如图21所示，限制倾斜直剪试验试样受力如图22所示。分析认为：相比与常规直剪试验，防止直剪试验中上下剪切盒相对倾斜的方法中试样的受力存在一定差别(图22)。

2种剪切条件下，试样都受到竖向荷载Fv和水平剪切荷载Fh、测力环提供的水平荷载Fh1。而在限制上下剪切盒相对倾斜的试验方法中，当上剪切盒有向上倾斜的趋势时，固定架上的轴承就会提供一个向下的约束力Fv1。竖向约束力Fv1一方面减弱了杠杆式直剪仪带来的试样偏压程度，另一方面增加了竖向荷载，使上下剪切盒直剪的摩擦力增大。另外，当试样发生剪切位移后，竖向约束力Fv1通过上剪切盒部分转加在试样上，导致粘聚力和内摩擦角比常规直剪试验数据偏高。

虽然2种剪切条件下抗剪强度指标存在差异，但是数据变化走势相同，且偏差正负性高度一致，这也证明了本文介绍的防止直剪试验中上下剪切盒相对倾斜的方法的可行性。

4 结束语

1)干密度和含水率对强度有重要影响，含水率一定的条件下，强度随干密度的增大而增大；给定干密度下，含水率越高，强度越低。

2)常规杠杆式直剪仪试验过程中上下剪切盒会发生显著的相对倾斜，其倾斜角度大小与试样干密度、试验含水率和剪切竖向应力有关；不同试验人员操作的差异也会影响上下剪切盒的相对倾斜角度。防止直剪试验中上下剪切盒相对倾斜的方法，能有效限制直剪试验中上下剪切盒相对倾斜，减小试验误差，方便不同人员进行试验数据的对比。

3)采用防止直剪试验中上下剪切盒相对倾斜的方法，试验结果与常规直剪试验结果一致性良好，强度及c、Φ值的变化规律是相似的，试验数据规律明显，证明该方法具有可行性，可进一步研究和运用。

4)使用防止直剪试验中上下剪切盒相对倾斜的方法进行试验，试样的竖向荷载存在一定程度的增加，其粘聚力和内摩擦角比常规直剪试验结果偏高。

5)本文的研究仅仅是从机械构造角度进行改进，限制了直剪试验过程中上下剪切盒的相对倾斜，提供了一个较为可靠的共同试验条件。对于如何从根本上解决直剪过程中试样竖向荷载偏压的问题，笔者也尝试借鉴原位测试方法对室内直剪试验进行改进，具体实现方法仍有待进一步深入研究。

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(责任编辑 吴鸿霞)

Method and Preliminary Verification for Preventing Shear Box Tilt of Direct Shear Test

DongJungui1，LvHaibo2,ZhengJinying3

(1School of Civil Engineering,Guilin University of Technology,Guilin Guangxi 541004;2Graduate School,Guilin University of Technology,Guilin Guangxi 541004;3School of Management,Guilin University of Technology,Guilin Guangxi 541004)

Influenced by the defects of the direct shear apparatus,the shear boxes tilts in the process of the conventional test.The shear strength under the condition of tilted and non tilted was studied.This paper presented a method to avoid the tilt of the shear boxes in the shearing process,direct shear tests were done in different dry density and moisture content,and the results have been compared with that analyzed by conventional test.The shear strength increased with the increase of dry density under the same moisture content. At the same dry density,shear strength decreased while the moisture content increased; The shear strength curved under two different kinds of shear conditions coincided well with each other.Strength parameters(angle of internal friction and cohesion values) under the condition of preventing tilt were higher than those obtained from conventional test.Limiting shear box tilt ,which increased the vertical load,resulted higher shear strength;The method provided a same test condition for the comparison of results obtained from different studies.Due to the advantages of simple operation,reliable result,the method for preventing shear box tilt has certain research value.

direct shear apparatus;inclination;limit inclination;shear strength;vertical stress

2016-06-13

董均贵,助理工程师,硕士。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.05.012

TU443

A

2095-4565(2016)05-0056-07