張?jiān)崎_ 李詠琪

北京建筑大學(xué)，中國·北京 102616

1 引言

土體的強(qiáng)度是指一部分土體，相對于另一部分滑動土體產(chǎn)生的抵抗力，實(shí)際上是指土體和土體之間產(chǎn)生的摩擦力。對于土體的抗剪強(qiáng)度來說，是指土體在受到剪切破壞時，產(chǎn)生的一種極限能力。這一數(shù)值與發(fā)生剪切破壞時，產(chǎn)生的剪應(yīng)力是相等的。剪切面是指土體在發(fā)生剪切破壞時，某一個面上產(chǎn)生的，與剪切方向完全相同的位移作用。土體的抗剪強(qiáng)度取決于本身的性質(zhì)，也就是土體的組成部分。土體的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)，既與形成環(huán)境某因素存在較大的聯(lián)系，也與當(dāng)前的應(yīng)力狀態(tài)存在一定的聯(lián)系[1]。

2 直剪實(shí)驗(yàn)的開展特點(diǎn)

在進(jìn)行直剪實(shí)驗(yàn)的過程中，可以對土體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行有效的測定，這是一種常用的實(shí)驗(yàn)方法。主要是根據(jù)庫侖強(qiáng)度理論開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。無論是非粘性土壤還是粘性土壤，抗剪強(qiáng)度和法向應(yīng)力都存在線性的關(guān)系，可以通過公式的應(yīng)用開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，并且對其進(jìn)行計(jì)算。

在對土壤抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測定的過程中，首先要從土層某個位置進(jìn)行取樣，將其制作成4 個環(huán)刀試樣，可以采用不同的垂直壓力進(jìn)行試樣的實(shí)驗(yàn)，然后對其施加剪切力，對剪應(yīng)力和位移的關(guān)系進(jìn)行測定。還可以制定一個曲線關(guān)系表，在這個曲線關(guān)系表中，可以得出試樣的極限剪應(yīng)力。將其作為垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度，然后設(shè)為縱向坐標(biāo)，垂直壓力設(shè)為橫向坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)可以繪制一個抗剪強(qiáng)度和垂直壓力的關(guān)系曲線圖，然后明確根據(jù)庫倫定律對粘聚力和內(nèi)摩擦角。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和計(jì)算過程時，要將剪切實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ)作為主要的依據(jù)。結(jié)合工程的實(shí)際要求，對剪切實(shí)驗(yàn)的程序和應(yīng)用模式進(jìn)行具體的選擇，這樣才能保證直剪實(shí)驗(yàn)在開展時更加有效[2]。

3 直剪實(shí)驗(yàn)在工程中的具體應(yīng)用

直剪試驗(yàn)是測定土抗剪強(qiáng)度的一種常用的、古老的、又最簡單的方法。通常采用四個試樣為一組，分別在不同的垂直壓力σ 下，施加水平剪應(yīng)力進(jìn)行剪切，求得破壞時的剪應(yīng)力τ，然后根據(jù)庫侖定律確定土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩擦角φ和凝聚力C 。直剪試驗(yàn)分為快剪（Q）、固結(jié)快剪（CQ）和慢剪（S）三種試驗(yàn)方法。測定土不同壓力下的抗剪強(qiáng)度，得出土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力c 和摩擦角，可以估算地基承載力，評價地基穩(wěn)定性，計(jì)算擋土墻土壓力等。而抗剪強(qiáng)度是土的重要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)之一，它為工程勘察設(shè)計(jì)提供地基評價和計(jì)算承載力的重要參數(shù)。直剪試驗(yàn)是測定土抗剪強(qiáng)度最常用的方法。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

在進(jìn)行直剪實(shí)驗(yàn)的過程中，主要存在快剪和固結(jié)快剪以及慢檢等實(shí)驗(yàn)方法?？旒魧?shí)驗(yàn)是在試樣上施加一個垂直的壓力，然后立即施加水平的剪切；固結(jié)快剪實(shí)驗(yàn)方法在應(yīng)用時，可以通過試樣的垂直壓力施加，等待排水固結(jié)穩(wěn)定之后，施加一個水平的剪切力；慢剪實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用屬于排水剪切實(shí)驗(yàn)方法，是在試樣上施加一個垂直的壓力和水平的剪切力，使試樣能排水固結(jié)。因?yàn)椴捎玫膶?shí)驗(yàn)方法存在較大的差異，所以最終結(jié)果內(nèi)容不同。直剪儀器設(shè)備在應(yīng)用的過程中，無法對排水條件進(jìn)行有效地控制。剪切面積和剪切位移存在一定的聯(lián)系，會導(dǎo)致設(shè)備在使用時受到更多的限制。在應(yīng)用這種實(shí)驗(yàn)方法時，要根據(jù)土體的特性和工作條件，對實(shí)驗(yàn)程序進(jìn)行改善和優(yōu)化。

例如，在施工現(xiàn)場地基很少排水或者不發(fā)生固結(jié)作用時，可以選用快剪實(shí)驗(yàn)方法。反之可以選擇固結(jié)快剪實(shí)驗(yàn)方法或者慢剪實(shí)驗(yàn)方法[3]。

3.2 垂直荷重的影響

粘性土壤的抗剪強(qiáng)度和垂直壓力的關(guān)系，并不完全符合庫侖方程的線性關(guān)系。對于正常固結(jié)的土壤來說，在一般荷重的作用下，可以存在線性關(guān)系。但一些超固結(jié)土壤，先期固結(jié)的壓力比較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自重的壓力。在對垂直壓力進(jìn)行選擇的過程中，要對先期固結(jié)壓力值進(jìn)行綜合考慮，要保證現(xiàn)有的壓力小于先期固結(jié)的壓力值。在施加最大垂直壓力時，要根據(jù)實(shí)際情況。對壓力值進(jìn)行具體的選擇。正常情況下要在室內(nèi)開展直剪實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中的垂直壓力最大值不能超過400kPa。根據(jù)工程的建設(shè)要求開展直剪實(shí)驗(yàn)，尤其是在西北黃土區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，取樣的深度最多高達(dá)40m。在這個深度范圍內(nèi)，自重壓力在800kPa 左右，比垂直壓力值大。在這種情況下，采用垂直壓力得出的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，與土體實(shí)際的抗剪強(qiáng)度存在較大的差異。因此，要在20m 深度下進(jìn)行取樣，然后開展直剪實(shí)驗(yàn)，要根據(jù)預(yù)估的最大壓力進(jìn)行高壓直剪實(shí)驗(yàn)[4]。

3.3 剪切速率的確定

剪切速率會對土體的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生重要的影響。因?yàn)榧羟兴俾蕦紫端畨毫Φ漠a(chǎn)生和傳遞以及消散存在較大的影響，所以會對試樣的排水固結(jié)強(qiáng)度產(chǎn)生影響。剪切速率還會對粘滯阻力產(chǎn)生影響。如果剪切速率比較高，剪切時間比較短，粘滯阻力會不斷增大，表現(xiàn)出來的抗剪強(qiáng)度比較高。如果粘滯阻力變小，表現(xiàn)出來的抗剪強(qiáng)度就會降低。在開展實(shí)驗(yàn)的過程中，需要對粘滯阻力進(jìn)行全面的考慮。在進(jìn)行快剪實(shí)驗(yàn)的過程中，需要盡量避免試樣在剪切過程中產(chǎn)生排水固結(jié)。如果土體的含水率比較高，密度比較低，透水性能比較大。即使加快剪切的速率，也會出現(xiàn)排水固結(jié)的現(xiàn)象。因此，在實(shí)驗(yàn)的過程中，要用三軸儀器對抗剪強(qiáng)度進(jìn)行有效的測定[5]。

3.4 試樣的選擇

在進(jìn)行直剪實(shí)驗(yàn)的過程中，需要采用4 個環(huán)刀試樣，要對結(jié)果進(jìn)行線性回歸，從而得出最終的抗剪強(qiáng)度。需要根據(jù)工程的實(shí)際要求開展直剪實(shí)驗(yàn)，因?yàn)橥临|(zhì)不夠均勻，經(jīng)常會出現(xiàn)抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)聯(lián)性比較差等現(xiàn)象。在進(jìn)行取樣的過程中，如果存在粉土，會出現(xiàn)粘聚力為負(fù)的現(xiàn)象。要按照密度將試樣進(jìn)行從大到小的比較，這種比較對于粘性土的影響比較小，但對于砂性土體和粉土存在較大的影響。在實(shí)驗(yàn)的過程中可以發(fā)現(xiàn)，試樣的密度和含水率會對最終的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生重要的影響。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，要保證試樣的均勻，確保試樣的含水率和密度能保持一致。在這種情況下含水率變化不會很劇烈，要對密度差異值進(jìn)行嚴(yán)格的控制，才能保證最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加合理[6]。

3.5 不同狀態(tài)下土壤抗剪強(qiáng)度指標(biāo)比對

土體在天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果差別比較大，大多數(shù)粘性土體在飽和狀態(tài)下的粘聚力和內(nèi)摩擦角，與天然狀態(tài)下相比較存在較大的差異。所以在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，要做好樣品的選擇。在開展實(shí)驗(yàn)時，還要對各項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行綜合考慮，要選擇最佳的樣品開展這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)語

綜上所述，在進(jìn)行直剪實(shí)驗(yàn)的過程中，儀器設(shè)備的應(yīng)用是非常重要的。需要對儀器設(shè)備進(jìn)行專門的管理，不僅要做好儀器設(shè)備的校正，還需要做好后期的維修養(yǎng)護(hù)。需要保證儀器設(shè)備在應(yīng)用時能發(fā)揮更大的作用，才能提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，為工程的建設(shè)提供有效的支持。尤其是在進(jìn)行建筑工程建設(shè)的過程中，需要事先做好直剪實(shí)驗(yàn)，還要選派專業(yè)的優(yōu)秀人員開展這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。要對實(shí)驗(yàn)的各程序進(jìn)行全面地管理，確保實(shí)驗(yàn)過程更加規(guī)范有序，促進(jìn)工程建設(shè)可持續(xù)的發(fā)展。