浅析土工试验确定黄土抗剪强度指标的几种方法

张建辉

(杨凌职业技术学院交通与测绘工程分院，陕西 杨凌 712100)

1 黄土强度指标概述

在工程中，黄土土层发生失稳破坏，我们通常称为土的强度破坏，也就是指土的剪切破坏，所谓土的强度指的是土的抗剪强度。土体在受到外部荷载作用后，地基土中各点土体同时产生垂直的法向应力和作用力平行的剪应力，法向作用力会使土体发生压密效果；而剪应力使得土体发生剪切，在土体剪切面发生相对移动的同时在土体内部产生抗剪力，阻止土体发生破坏。

在实际工程中，影响土的抗剪强度的因素比较多，在这些因素里主要有：土层的性质，土的状态、组成、结构。具体来讲，主要和土的形成环境、受力历史及它当前所受的应力状态相关。如果地基土为粘性土，其粒间的连结比较复杂，胶结物质的连结强度起主要作用，使得粘性土的抗剪强度主要与土粒的连结有关；而无粘性土土粒较大，粒间没有胶结物质，因此也就不存在胶结力，因此无粘性土的抗剪强度主要是由颗粒间的摩擦力组成，其与粒度、土粒的密实度和土层的含水情况等相关。因此在进行土体稳定性的计算分析时，黄土的内摩擦角和粘聚力是衡量土的抗剪强度大小的两个重要指标，能否较为准确地测定土的抗剪强度指标成为工程设计质量和工程成败的关键所在。

2 直接剪切试验

2.1 直剪试验原理

土的抗剪强度指标测定的最简单、实用的方法是直接剪切试验，由于其测定的是土样中上、下盒之间固定剪切面上的抗剪强度，因此其准确性大幅降低。直剪根据外部荷载加荷方式的不同，可分为应变控制式、应力控制式。目前，在我国工程中采用的直剪仪都是应变控制式。仪器的构造比较简单，主要由连接外荷的固定上盒和处于滚珠的活动下盒构成，土样处于上、下盒之间，此外土样上下各有一块透水石，用来阻止在剪接过程中排水、排气时土粒被带出。进行剪切试验时，杠杆系统将外部砝码的重量转换为土样的竖向压力，通过加压活塞和透水石对土样施加竖向应力；通过仪器的变速盒或手轮推动顶针使得下盒等速移动，使得试样能够沿着上、下盒之间的水平面受剪直至被破坏，而剪切面上剪应力τ的大小可用与上盒固定的量力环(已知系数)来测定其应力的大小。

指标在确定时，该试验需要对同一种土进行3～4个在不同的法向应力下进行剪切破坏的试样，试验结束后，可将试验结果整理成抗剪强度包线(τf～σ)之间的关系曲线。则强度包线在纵轴上的截距为该土的粘聚力c，反算强度包线与横轴的夹角为该土的内摩擦角。

2.2 直剪试验方法分类

通过已有的实际工程案例来对比分析，不难得出结论：土的抗剪强度指标与土体受力后的排水固结状况关系密切。[1]按照土样在剪切时的排水条件，直剪试验分为以下三种。

2.2.1 直接快剪

在土样装好后，施加竖向压力，不对土样进行固结，直接进行剪切。以0.8mm/min的剪切速率快速施加水平剪应力使得土样发生剪切破坏。土样从开始剪切到破坏只用3～5min就可以结束。该试验的特点是：剪切速率快，因此地基土在剪切过程中来不及排水固结。通过该试验能够得到饱和或近饱和状态下土的抗剪强度指标，用cq、q表示。

适用工程状况：地基土排水不好，施工加荷较快的情况，如地基土厚度大的饱和粘土、稳定性较差的土质斜坡。

2.2.2 固结快剪

装好土样后，通过砝码和杠杆对试样施加竖向荷载，持续60min左右，让试样中的水分、空气通过下透水石排出，待固结稳定后，再以0.8mm/min的剪切速率快速施加水平剪应力使得试样发生剪切破坏。在这种情况下，土样固结中已经压密，固土的强度也比较大，该试验得到的抗剪强度指标用ccq、cq表示。

适用工程状况：一般无软弱夹层的建筑物地基土层或施工期间工期较慢具有固结作用的工程。

2.2.3 固结慢剪

装好土样后，通过砝码和杠杆对试样施加竖向荷载，持续60min左右，让试样中的水分、空气通过下透水石排出，待固结稳定后，以小于0.02mm/min的剪切速率施加水平剪应力直至试样剪切破坏。由于土样剪切的很慢，故试样在受剪过程中能够一直充分排水、空气，同时在竖向被压密，水平方向产生剪切使得土样发生体积变形。在这种情况下，得到的抗剪强度指标用cs、s表示。

适用工程状况：在施工时上部荷载加荷较慢，地基排水条件好，施工时间比较长，如透水性较好的低塑性土和在软弱饱水土层上的高填土分层控制填筑等等。

3 常规三轴剪切试验

3.1 常规三轴剪切试验原理

该试验通常用3～4个圆柱形(高8cm、直径3.91cm)试样，分别在不同的压力室(通过水施加一定的恒定周围压力)施加不同围压，再通过变速箱齿轮施加轴向压力而使得竖向和水平向产生主应力差，使得土样进行剪切直至试样被破坏；然后根据摩尔-库仑理论，求得至少三个土样的共同抗剪强度包线。同样，强度包线在纵轴上的截距为该土的粘聚力c，强度包线与横轴的夹角为该土的内摩擦角。

3.2 常规三轴的分类

根据建筑物的特点、施工条件与施工方案等要求来调整具体的试验方案，可将常规三轴压缩试验分为三种。

3.2.1 不固结不排水剪

当建筑物修建在饱和度高的粘性土地基上，且施工周期短、荷载大、排水差时，而地基土中的水来不及排出，地基土不能较好的达到固结稳定。故对于这种工程状况进行稳定性分析时所需的参数强度指标c和φ，不固结不排水剪试验能够较为准确地模拟实际工程情况。

3.2.2 固结不排水剪

当建筑物修建在软土地基上时，工期长或经常受水位影响的地段、或堤坝工程时，由于季节性雨水变化导致如堤坝中水位突然下降，在进行稳定性验算分析时采用固结不排水剪试验的强度参数较为符合实际工况。

3.2.3 固结排水剪

当建筑物修建在软土地基土层，工期又很长，地基透水性且较好，比如堤防工程，故设计时一般采用固结排水剪常规三轴试验来测得土体抗剪强度参数进行稳定性分析。

4 真三轴剪切试验

刚柔混合型真三轴仪，国内高校近些年自主研发的新型三轴仪，目前在工程中用的还比较少。该仪器在轴向有一对刚性边界，以此来施加大主应力；在侧向是两对橡胶膜制成的压力腔构成柔性边界。试样为可调可变的正方六面体，试验时试样在一橡胶膜内，安置于压力腔和刚性底座及试样帽之间。试样的中主应力和小主应力由密封压力腔内橡皮膜的油或水来提供，两对压力腔与轴向的压力底座提供固结压力。

进行试验固结时，向密封的橡皮膜压力腔内注入水，提供水压，待土样达到固结稳定。进行试验时，轴向压力通过竖向的变速箱施加，中主应力按中主应力比率b，通过压力腔对土样施加。土样的中主应力比率b和小主应力在同一个试验过程中维持不变。该试验在整个试验过程中小主应力保持不变，大主应力和中主应力一直增大，当达到土样破坏强度时，土样终于因受剪而破坏。

5 结 语

本文以黄土为研究对象，以现有土工测定技术为基础，较全面地分析了测定土的抗剪强度指标的确定方法。直接剪切试验简单、操作方便、成本较低，但存在应力计算不符合实际、无法控制孔隙水压力、截切面积计算不准确等无法克服的缺点。常规三轴剪切试验克服了直剪试验中的缺点，所以在现在的工程中应用较为普遍，但无法模拟在某些情况下土层侧向应力不对等的工况。真三轴剪切仪虽有很大的优势，但其成本较高，目前还难以广泛应用于工程中。