直剪实验可靠性因素分析

胡健，王芳

（湖州职业技术学院，浙江 湖州 313000）

直剪实验可靠性因素分析

胡健，王芳

（湖州职业技术学院，浙江 湖州 313000）

从土体抗剪切强度的本质着手，介绍了直接剪切实验的原理、操作方法以及实验存在的问题，详细阐明了实验的关键要点，分别从内在的系统误差和外在的偶然误差两个方面分析了误差的来源，并重点针对实验偶然误差提出了改进方法，以期对土工直剪实验的精准度有更好的提高。

抗剪强度；直剪实验；实验偶然误差；精准度

1 概述

土体区别于一般的建筑材料，它是一种碎散的三相堆积物，土体的性质由于自然界风化作用的不确定性造就了其性质上的各向异性及沿深度的不均匀性。建筑物建造过程中，土体直接承受的建筑物基础传递过来的基底压力，理论及经验均表明，土体的破坏是一种颗粒与颗粒之间的相对运动导致的滑移破坏，因此土体的强度实质上它的抗剪强度。

目前工程上测定土体的抗剪强度的实验方法有室内实验和现场实验方法，室内实验方法包括三轴实验、直剪实验、无侧限压缩实验以及其他室内试验方法。由于直剪实验实验（图1）设备简单、易于操作，目前在我国工程界应用最广。

图1 应变控制式直剪仪

土的抗剪强度是土在外力作用下，其一部分土体对于另一部分土体滑动时所具有的抵抗剪切的极限强度。直接剪切实验是将同一种土制作的几个试样分别在不同的垂直压力作用下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力，得到破坏时的剪应力，然后根据库仑定律，确定土的抗剪强度指标：内摩擦角和凝聚力，这两个指标对计算地基承载力、基坑支护结构设计、边坡稳定性分析等应用中都必不可少。

2 剪切实验原理及操作

2.1 实验原理

土的破坏都是剪切破坏，土的抗剪强度是土在外力作用下，其一部分土体对于另一部分土体滑动时所具有的抵抗剪切的极限强度。土体的一部分对于另一部分发生位移至极限平衡状态时，便认为该点发生了剪切破坏。无粘性土的抗剪强度与法向应力成正比；粘性土的抗剪强度除和法向应力有关外，还决定于土的粘聚力。土的摩擦角φ、粘聚力c是土压力、地基承载力和土坡稳定等强度计算必不可少的指标。

实验用到的仪器主要有应变控制式直剪仪百分表、天平、环刀、秒表、饱和器、透水石、削土刀等。

2.2 实验操作

第一步是取样。按要求的干密度，称出一个环刀体积所需的风干试样。实验采用的是扰动土试样。制备4份试样，在4种不同竖向压力下进行剪切试验。

第二步是仪器调试及试样安装。

仪器调试目的主要是调整杠杆水平、使仪器各部分接触良好、使百分表和量力环接触良好。试样安装的操作如下。对准上、下剪切盒并插入固定销钉。在下盒内放入透水石一块，其上放不透水蜡纸一张。将切取土样的环刀刀口向上对准上剪切盒口，在土样上面放上蜡纸一张，用推土器堆入剪切盒中，移去环刀，并在蜡纸上放块透水石，然后依次加上传压盖板，钢珠及加压框架。

第三步是施加荷载。每组试验不少于4个试样，分别在不同的垂直压力下剪切。施加完每一级垂直压力后，应当进行水平剪切荷载的施加，根据工程实际条件可选用快剪、固结快剪和慢剪这三种实验方法。水平剪切操作的关键如下：首先转动手轮，使上盒前端钢铰与量力环接触，调整百分表计数为零；其次拨出固定销钉、开动秒表，按照规范按照不用的实验方法选用不同的剪切速度，使试样在一定的时间内剪切破坏，或者没有发生剪切破坏剪切位移达到4mm也可以认为破坏，剪切过程中手轮应当匀速度转动并使杠杆水平。

第四步是数据后处理。首先根据百分表读数计算剪切位移和剪应力，从而绘制出剪切应力和剪切位移的关系曲线（图2），并经曲线得出土体在一定垂直压力下的抗剪切强度，最后可以得出抗剪强度和垂直压力的关系曲线（图3），并由曲线可以计算出土体的抗剪强度指标。

由表3～4可知：垂向动态相对位移随着车辆运行速度的增加而增大；曲线轨道工况下，线路扭曲引起电机与车轴间存在侧滚偏角，此角度在驱动机构与车轴间附加了一定的垂向位移，故相同速度等级下，曲线轨道工况的动态相对位移值较大。上述各工况下3 σ最大值为11.7 mm。

图2 剪应力和剪切位移关系曲线

图3 抗剪强度和垂直压力关系曲线

3 实验中存在的问题

土体的直接剪切实验由于实验设备简单、操作方便，已经在建筑工程中广泛应用。实验有其本身的客观不足导致的系统误差，也有外界主观导致的偶然误差。其中系统误差是无法避免的，除非对仪器的原理进行改进；而偶然误差采取一定的方法是可以得到控制的，以下分别从这两个方面进行探讨。

3.1 系统误差

3.1.1 人为固定破坏面

由土体的剪切实验可知，土体的剪切其实是剪切土体试样中的水平面，但是土体的剪切破坏面或者说最薄弱面不一定是水平的，实验人为的限制剪切面得到的剪切强度数据可能不一定能反应土体的准确情况，但是由于固定剪切面会使得实验操作起来相对简便，且所得的数据的误差也在允许的范围以内，因此目前仍然为工程界普遍接受。

3.1.2 排水条件不明确

直剪实验方法不能严格控制试样的排水，不能量测剪切过程中试样内孔隙水压力的变化，只能根据剪切速率大致实际工程中土体的排水条件。

3.1.3 应力和应变分布不均

在剪切实验的过程中，随着剪切位移的不断增加剪切面积逐渐减小。在实验资料的分析中，假定试样中的剪应力分布均匀，而这与实际情况并不吻合。当试样被剪坏时，靠近剪切盒边缘的应变最大，而试样竖向中轴部分的应变相对要小很多，剪切面附近的应变大于试样顶部和底部的应变。因此，在剪切过程中，特别是剪切破坏时，试样内的应力和应变，既不均匀又难确定。

偶然误差的来源主要有土体结构的失真性，试样密度、含水率的代表性，直剪仪操作的规范性以及认为读数的偶然性，下面分别对其进行探讨。

3.2.1 土体结构的影响

土体的结构直接影响着土体的受力状态，原味的土体受力状态是位于地层以下时的状态，当进行室内实验时，不可避免的会对土体进行扰动，现场勘探人员取土不规范、土样的放置、运输等不得当均会对土体的结构扰动很大，因此，进行直剪实验的土体在取样、运输、放置过程中如果采取一定的保护措施，那么土体的扰动会更加接近土体的原始状态，实验得出的数据会更加可靠。

3.2.2 密度、含水量的影响

试样的密度和含水量会直接影响土体的抗剪强度，因此，实验要求所采取的四个试样的密度和含水量数值不能有太大差距，超出范围的试样不宜采用，因为得出的数据不准确也不能应用。

直剪仪是测定土体抗剪强度指标的核心部件，因此，操作人员在操作时必须有一套规范，否则做出的数据可能差别较大，比如剪切前没有施加一定剪切力没有使仪器各部分紧密接触，剪切的时候刚开始发生的读数就不是剪切土体；再比如剪切前百分表读数没有归零，读出的数据也不能如实反映土体剪切的全部过程。还有其他一些要求是操作中一定要做到的，比如转动手轮的时候一定要匀速度的加载，杠杆一定要调平等等。由此可知，实验操作人员水平的不同，会直接影响数据的可靠性。

3.2.4 读数的影响

直剪实验是一个经验性很强的实验，不同于密度、含水率实验的是剪切实验的读数有很大的不确定性，不同的操作人员可能把握的标准也不一定完全一样，规范的要求是剪切至土体破坏，或者土体没有发生破坏的情况下需要剪切到6mm并取剪切应力-应变曲线上位移为4mm时的强度为土体的抗剪强度。关键在于土体是否破坏的判定，不同的实验操作人员可能把握的标准会有区别。

4 小结

直剪实验用来测定土体的抗剪强度参数，具有一定的工程价值。实验设备简单，操作方便，实验的系统误差只能通过改进仪器来达到，而实验的偶然误差可以采取一定措施进行有效控制，归纳起来主要有以下几点。

①为确保土体结构的完整性不被破坏，土样的选取、运输、放置以及操作工程中应当尽量保证试样的完整性，减小对试样的扰动。

②剪切前需要转动手轮使仪器各部分接触良好，保证杠杆水平同时使百分表初始读数归零。

③剪切试样过程中，拔掉销钉的极易疏忽，而这可能导致仪器严重损坏。

④转动手轮的过程中需要控制加载速率的均匀性，避免时快时慢或者停顿的时间，以避免剪切程度的不同而引起的实验误差。

⑤为减小读数误差，应采用多次测量求平均值的方法并逐步积累经验。

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TU432

A

1007-7359（2016）06-0173-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.067

胡健（1986-），男，江西九江人，毕业于东南大学土木工程学院，硕士；助教，主要从事地基基础的教学与研究工作。