剪切速率对直剪固结快剪试验指标的影响浅析

程 平

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引 言

所谓直剪试验，是指在原状土试件上某一特定面上进行剪切破坏，直接测定该面上的剪应力和抗剪强度的试验。直剪试验是室内测定土体抗剪强度的一种常用方法，可方便地为岩土工程稳定性与强度分析提供所需的土体抗剪强度参数——黏聚力c和内摩擦角φ。其试验原理如图1所示。

图1 土的受力剪切图

直剪试验与三轴剪切试验相比，由于直剪试验设备简单、制备试样操作方便、试验方法快捷、结果处理简单，因而被工程实践广泛采用，是测定土的抗剪强度最简单和最原始的试验方法。在国家、行业及地方相关的地基基础规范、基坑及边坡规范中，其试验指标被广泛应用于强度及稳定分析，为目前岩土工程勘察报告中最基础的试验数据。

1 直剪试验原理与分类

1.1 试验原理

直剪仪分应变式直剪仪、应力式直剪仪两种。应变式直剪仪能够较准确地测定剪切变形曲线的峰值和最后值，故室内土工试验较多采用应变式四联剪切仪。试验时用环刀制备出厚度为20 mm的相对均质的圆形试样，按试验标准和技术要求施加一定荷载的压力进行固结预压，然后将试样分别推入剪切盒内，分别在不同的垂直压力下施加水平剪切力进行剪切试验，使试样在上下盒之间的水平面上发生剪切破坏，求得破坏时的剪切应力τ，然后根据库仑定律计算确定土的抗剪强度参数，如图2所示。

图2 直剪试验强度与压力关系曲线

1.2 直剪试验分类

按剪切前土的固结程度、剪切时排水条件以及剪切速率快慢，可把剪切试验分为快剪、固结快剪、慢剪。

1.2.1 快剪（不排水剪）

制备好的试样在施加垂直压力后不进行固结预压立即进行快速剪切，试验全过程排水时间不充分，这时垂直压力大部分由孔隙水来承担。该试验得到的天然剪切强度指标黏聚力c较固结快剪小，适用于施工进度快、排水条件差的工程类别中，如用于验算黏性土地基骤然加荷时的稳定性。

1.2.2 固结快剪（固结不排水剪）

将制备好的试样在垂直压力下，按标准要求进行充分固结预压，使土样孔隙中的水全部排出，完全固结后再进行快速剪切。这时的垂直压力全部由土粒承担，故此试验得到的剪切强度指标黏聚力较大，适用于一般建筑物地基稳定性分析、天然地基承载力及边坡稳定性验算。

1.2.3 慢剪（排水剪）

制备好的试样在垂直压力下，充分排水固结后以速率0.02 mm/min缓慢地进行剪切，整个试验过程中孔隙水可自由排出。由于该类试验在实际工程中应用极少，故试验时较少采用。一般用于工程的边坡长期稳定性验算。

2 影响直剪试验结果因素

影响直剪试验结果的主要因素有土体自身性状以及试验操作因素。

2.1土的矿物成分、颗粒形状和级配

根据试验结果来说，黏性土的抗剪强度随着黏粒和黏土矿物含量的增加而增大；在土的颗粒级配中，粗颗粒越多，形状越不规则，其内部摩擦角φ越大，黏聚力c越小。

2.2 密度与含水量

密度与含水量是影响抗剪强度指标的重要因素。一般而言，土的原始密度越大，其试验所得抗剪强度就越高。对于粗粒土来说，密度越大则颗粒之间的咬合作用越强，因而摩阻力就越大；对于细粒土来说，密度越大则意味着颗粒间的距离越小，水膜越薄，因而原始黏聚力也就越大。

而含水量的增高会使土的抗剪强度降低，会减少黏土的原始黏聚力，降低摩阻力，因而亦是影响固结快剪强度指标的因素之一。

2.3 剪切速率

剪切速率是影响土的抗剪强度指标的一个非常重要的因素。根据具体情况分析而言，可以从两个方面影响：一是对土体黏滞阻力的影响，当试验时采用了较快的速率，由于剪切时间短，黏滞阻力随之增大，表现出较高的抗剪强度；反之，黏滞阻力小，所得抗剪强度会降低。这在黏性土的剪切试验中尤为明显。不过在常规试验中，对于黏滞阻力的影响通常不考虑。二是剪切速率的快慢会对试样中的孔隙水压力发生传递与消散的影响，从而影响试样的排水固结强度，进而影响抗剪强度指标。

3 不同剪切速率下直剪试验分析

本文选取上海市浦江镇地区第②层中呈可塑至软塑状的褐黄至灰黄色黏性土、第④层呈流塑状的淤泥质黏土以及上海市长兴岛地区的②3层粉砂（夹片层黏土），分别以0.8 mm/min和2.4 mm/min的剪切速率进行固结快剪试验，用作对比试验以分析剪切速率对强度指标的影响。

3.1 试验过程

直剪对比试验过程如下：

（1）实验室用四块性质相同的试样，密度差不宜大于0.05 g/cm3。

（2）四级垂直压力。第一级垂直压力宜接近土的自重压力，第四级压力宜接近土的自重压力和附加应力之和。

（3）直剪固结快剪的固结时间。施加垂直压力后，每1 h测读垂直变形一次，直至试样固结变形稳定。对于黏性土不宜少于4.5 h，对于粉性土或砂性土不宜少于2 h。

（4）采用预压装置时，经预压固结的试样自预压仪取出推入直剪仪剪力盒后，宜有足够时间进行再固结以消除回弹影响后实施剪切，试验荷重序列为 50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。

3.2 成果整理和分析

对于剪切试验中四个试样的剪应力的采用，在理论和实际试验中具有较多的影响因素，既有人为操作因素的存在，亦有土质差异存在的影响，存在着离散性较大的可能，加上各种如土的渗透性、试验温度及施加的垂直荷重不同等因素的影响，实际试验所得往往不具理论上的线性关系，试验点在抗剪强度与垂直压力关系曲线图上比较分散。因此对于试验成果中那些明显不合理的数据，应仔细甄别、分析原因，进行取舍和有据可查的修正，或可根据同一地区、同一土层或同一土样之间的物理力学指标及相互关系进行修正，使得数据更为合理，数值更为符合土性。

3.3 土直剪试验的破坏值选定

土的破坏值的选择直接决定着抗剪强度的大小。破坏数值的选定常有两种情况：一是剪切应力-剪切位移关系曲线中具有明显的峰值或稳定值，则取其为抗剪强度值；二若剪应力随着剪切位移不断增加，无明显峰值或稳定值，则以相应选定的剪切位移所对应的剪切应力值作为抗剪强度值。

最后抗剪强度参数c、φ值宜用绘制试验强度与压力关系曲线（见图2）进行确定。本文直剪试验对比结果整理后见表1～表3。

表1 不同剪切速率第②层土直剪试验结果

表2不同剪切速率第④层土直剪试验结果

表3 不同剪切速率第②3层土直剪试验结果

根据试验汇总得出以下结论：

（1）黏性土的抗剪强度指标受剪切速率影响较大，一般随着剪切速率的提高而呈增加趋势，而剪切速率的快慢对内摩擦角影响不大。

（2）砂性土的抗剪强度指标基本不受剪切速率快慢的影响。

4 结 语

剪切速率对淤泥质黏性土这类渗透性差的土体的固结快剪强度指标影响较大，应根据工程实际情况合理选择试验时的剪切速率，以获得较为准确的强度指标；而对粉砂粉土等这类渗透性相对较好的土体，抗剪强度指标受剪切速率影响相对较小。

本文研究成果可对生产实践中土工试验操作细则提供借鉴与参考，有利于提高实验室管理水平。