胡健，王芳

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 湖州 313000）

直剪實驗可靠性因素分析

胡健，王芳

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 湖州 313000）

從土體抗剪切強度的本質(zhì)著手，介紹了直接剪切實驗的原理、操作方法以及實驗存在的問題，詳細闡明了實驗的關(guān)鍵要點，分別從內(nèi)在的系統(tǒng)誤差和外在的偶然誤差兩個方面分析了誤差的來源，并重點針對實驗偶然誤差提出了改進方法，以期對土工直剪實驗的精準度有更好的提高。

抗剪強度；直剪實驗；實驗偶然誤差；精準度

1 概述

土體區(qū)別于一般的建筑材料，它是一種碎散的三相堆積物，土體的性質(zhì)由于自然界風(fēng)化作用的不確定性造就了其性質(zhì)上的各向異性及沿深度的不均勻性。建筑物建造過程中，土體直接承受的建筑物基礎(chǔ)傳遞過來的基底壓力，理論及經(jīng)驗均表明，土體的破壞是一種顆粒與顆粒之間的相對運動導(dǎo)致的滑移破壞，因此土體的強度實質(zhì)上它的抗剪強度。

目前工程上測定土體的抗剪強度的實驗方法有室內(nèi)實驗和現(xiàn)場實驗方法，室內(nèi)實驗方法包括三軸實驗、直剪實驗、無側(cè)限壓縮實驗以及其他室內(nèi)試驗方法。由于直剪實驗實驗（圖1）設(shè)備簡單、易于操作，目前在我國工程界應(yīng)用最廣。

圖1 應(yīng)變控制式直剪儀

土的抗剪強度是土在外力作用下，其一部分土體對于另一部分土體滑動時所具有的抵抗剪切的極限強度。直接剪切實驗是將同一種土制作的幾個試樣分別在不同的垂直壓力作用下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力，得到破壞時的剪應(yīng)力，然后根據(jù)庫侖定律，確定土的抗剪強度指標：內(nèi)摩擦角和凝聚力，這兩個指標對計算地基承載力、基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計、邊坡穩(wěn)定性分析等應(yīng)用中都必不可少。

2 剪切實驗原理及操作

2.1 實驗原理

土的破壞都是剪切破壞，土的抗剪強度是土在外力作用下，其一部分土體對于另一部分土體滑動時所具有的抵抗剪切的極限強度。土體的一部分對于另一部分發(fā)生位移至極限平衡狀態(tài)時，便認為該點發(fā)生了剪切破壞。無粘性土的抗剪強度與法向應(yīng)力成正比；粘性土的抗剪強度除和法向應(yīng)力有關(guān)外，還決定于土的粘聚力。土的摩擦角φ、粘聚力c是土壓力、地基承載力和土坡穩(wěn)定等強度計算必不可少的指標。

實驗用到的儀器主要有應(yīng)變控制式直剪儀百分表、天平、環(huán)刀、秒表、飽和器、透水石、削土刀等。

2.2 實驗操作

第一步是取樣。按要求的干密度，稱出一個環(huán)刀體積所需的風(fēng)干試樣。實驗采用的是擾動土試樣。制備4份試樣，在4種不同豎向壓力下進行剪切試驗。

第二步是儀器調(diào)試及試樣安裝。

儀器調(diào)試目的主要是調(diào)整杠桿水平、使儀器各部分接觸良好、使百分表和量力環(huán)接觸良好。試樣安裝的操作如下。對準上、下剪切盒并插入固定銷釘。在下盒內(nèi)放入透水石一塊，其上放不透水蠟紙一張。將切取土樣的環(huán)刀刀口向上對準上剪切盒口，在土樣上面放上蠟紙一張，用推土器堆入剪切盒中，移去環(huán)刀，并在蠟紙上放塊透水石，然后依次加上傳壓蓋板，鋼珠及加壓框架。

第三步是施加荷載。每組試驗不少于4個試樣，分別在不同的垂直壓力下剪切。施加完每一級垂直壓力后，應(yīng)當進行水平剪切荷載的施加，根據(jù)工程實際條件可選用快剪、固結(jié)快剪和慢剪這三種實驗方法。水平剪切操作的關(guān)鍵如下：首先轉(zhuǎn)動手輪，使上盒前端鋼鉸與量力環(huán)接觸，調(diào)整百分表計數(shù)為零；其次撥出固定銷釘、開動秒表，按照規(guī)范按照不用的實驗方法選用不同的剪切速度，使試樣在一定的時間內(nèi)剪切破壞，或者沒有發(fā)生剪切破壞剪切位移達到4mm也可以認為破壞，剪切過程中手輪應(yīng)當勻速度轉(zhuǎn)動并使杠桿水平。

第四步是數(shù)據(jù)后處理。首先根據(jù)百分表讀數(shù)計算剪切位移和剪應(yīng)力，從而繪制出剪切應(yīng)力和剪切位移的關(guān)系曲線（圖2），并經(jīng)曲線得出土體在一定垂直壓力下的抗剪切強度，最后可以得出抗剪強度和垂直壓力的關(guān)系曲線（圖3），并由曲線可以計算出土體的抗剪強度指標。

由表3～4可知：垂向動態(tài)相對位移隨著車輛運行速度的增加而增大；曲線軌道工況下，線路扭曲引起電機與車軸間存在側(cè)滾偏角，此角度在驅(qū)動機構(gòu)與車軸間附加了一定的垂向位移，故相同速度等級下，曲線軌道工況的動態(tài)相對位移值較大。上述各工況下3 σ最大值為11.7 mm。

圖2 剪應(yīng)力和剪切位移關(guān)系曲線

圖3 抗剪強度和垂直壓力關(guān)系曲線

3 實驗中存在的問題

土體的直接剪切實驗由于實驗設(shè)備簡單、操作方便，已經(jīng)在建筑工程中廣泛應(yīng)用。實驗有其本身的客觀不足導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差，也有外界主觀導(dǎo)致的偶然誤差。其中系統(tǒng)誤差是無法避免的，除非對儀器的原理進行改進；而偶然誤差采取一定的方法是可以得到控制的，以下分別從這兩個方面進行探討。

3.1 系統(tǒng)誤差

3.1.1 人為固定破壞面

由土體的剪切實驗可知，土體的剪切其實是剪切土體試樣中的水平面，但是土體的剪切破壞面或者說最薄弱面不一定是水平的，實驗人為的限制剪切面得到的剪切強度數(shù)據(jù)可能不一定能反應(yīng)土體的準確情況，但是由于固定剪切面會使得實驗操作起來相對簡便，且所得的數(shù)據(jù)的誤差也在允許的范圍以內(nèi)，因此目前仍然為工程界普遍接受。

3.1.2 排水條件不明確

直剪實驗方法不能嚴格控制試樣的排水，不能量測剪切過程中試樣內(nèi)孔隙水壓力的變化，只能根據(jù)剪切速率大致實際工程中土體的排水條件。

3.1.3 應(yīng)力和應(yīng)變分布不均

在剪切實驗的過程中，隨著剪切位移的不斷增加剪切面積逐漸減小。在實驗資料的分析中，假定試樣中的剪應(yīng)力分布均勻，而這與實際情況并不吻合。當試樣被剪壞時，靠近剪切盒邊緣的應(yīng)變最大，而試樣豎向中軸部分的應(yīng)變相對要小很多，剪切面附近的應(yīng)變大于試樣頂部和底部的應(yīng)變。因此，在剪切過程中，特別是剪切破壞時，試樣內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變，既不均勻又難確定。

偶然誤差的來源主要有土體結(jié)構(gòu)的失真性，試樣密度、含水率的代表性，直剪儀操作的規(guī)范性以及認為讀數(shù)的偶然性，下面分別對其進行探討。

3.2.1 土體結(jié)構(gòu)的影響

土體的結(jié)構(gòu)直接影響著土體的受力狀態(tài)，原味的土體受力狀態(tài)是位于地層以下時的狀態(tài)，當進行室內(nèi)實驗時，不可避免的會對土體進行擾動，現(xiàn)場勘探人員取土不規(guī)范、土樣的放置、運輸?shù)炔坏卯斁鶗ν馏w的結(jié)構(gòu)擾動很大，因此，進行直剪實驗的土體在取樣、運輸、放置過程中如果采取一定的保護措施，那么土體的擾動會更加接近土體的原始狀態(tài)，實驗得出的數(shù)據(jù)會更加可靠。

3.2.2 密度、含水量的影響

試樣的密度和含水量會直接影響土體的抗剪強度，因此，實驗要求所采取的四個試樣的密度和含水量數(shù)值不能有太大差距，超出范圍的試樣不宜采用，因為得出的數(shù)據(jù)不準確也不能應(yīng)用。

直剪儀是測定土體抗剪強度指標的核心部件，因此，操作人員在操作時必須有一套規(guī)范，否則做出的數(shù)據(jù)可能差別較大，比如剪切前沒有施加一定剪切力沒有使儀器各部分緊密接觸，剪切的時候剛開始發(fā)生的讀數(shù)就不是剪切土體；再比如剪切前百分表讀數(shù)沒有歸零，讀出的數(shù)據(jù)也不能如實反映土體剪切的全部過程。還有其他一些要求是操作中一定要做到的，比如轉(zhuǎn)動手輪的時候一定要勻速度的加載，杠桿一定要調(diào)平等等。由此可知，實驗操作人員水平的不同，會直接影響數(shù)據(jù)的可靠性。

3.2.4 讀數(shù)的影響

直剪實驗是一個經(jīng)驗性很強的實驗，不同于密度、含水率實驗的是剪切實驗的讀數(shù)有很大的不確定性，不同的操作人員可能把握的標準也不一定完全一樣，規(guī)范的要求是剪切至土體破壞，或者土體沒有發(fā)生破壞的情況下需要剪切到6mm并取剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線上位移為4mm時的強度為土體的抗剪強度。關(guān)鍵在于土體是否破壞的判定，不同的實驗操作人員可能把握的標準會有區(qū)別。

4 小結(jié)

直剪實驗用來測定土體的抗剪強度參數(shù)，具有一定的工程價值。實驗設(shè)備簡單，操作方便，實驗的系統(tǒng)誤差只能通過改進儀器來達到，而實驗的偶然誤差可以采取一定措施進行有效控制，歸納起來主要有以下幾點。

①為確保土體結(jié)構(gòu)的完整性不被破壞，土樣的選取、運輸、放置以及操作工程中應(yīng)當盡量保證試樣的完整性，減小對試樣的擾動。

②剪切前需要轉(zhuǎn)動手輪使儀器各部分接觸良好，保證杠桿水平同時使百分表初始讀數(shù)歸零。

③剪切試樣過程中，拔掉銷釘?shù)臉O易疏忽，而這可能導(dǎo)致儀器嚴重損壞。

④轉(zhuǎn)動手輪的過程中需要控制加載速率的均勻性，避免時快時慢或者停頓的時間，以避免剪切程度的不同而引起的實驗誤差。

⑤為減小讀數(shù)誤差，應(yīng)采用多次測量求平均值的方法并逐步積累經(jīng)驗。

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TU432

A

1007-7359（2016）06-0173-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.067

胡?。?986-），男，江西九江人，畢業(yè)于東南大學(xué)土木工程學(xué)院，碩士；助教，主要從事地基基礎(chǔ)的教學(xué)與研究工作。