不同抗剪强度试验方法的结果相关性分析
科学之友
Friend of Science Amateurs 2010年08月
不同抗剪强度试验方法的结果相关性分析
王
福
太原030006）
（山西路桥集团有限公司国际公司，山西
摘要：文章通过室内试验数据，对比分析了不同试验方法下的抗剪强度结果，从而指出
在岩土工程设计中，应根据工程实际选择合理的试验方法，使提供的强度指标更符合实际
可根据不同试验方法间的相关性经验推测结果值。情况。在试验条件无法满足实际需要时，
关键词：抗剪强度；三轴；直剪中图分类号：TU411文献标识码：A 文章编号：1000-8136(2010)23-0022-02
目前，土体破坏的标准一直沿用摩尔—库仑强度理论，即极
大量的室内和野外试验资料限平衡理论。但对于土和岩石而言，
表明：抗剪强度理论最符合于土和岩石破坏机理的自然规律。土是一种不连续非均质、各项异性的材料，其变形与强度随颗粒接触面的性质、结构、土粒矿物成分与级配以及微观构造而变化，影响因素很多。因此，即便对于密度和含水率相同的同种土，其抗剪强度指标随试验方法的不同也有很大的差别，可见，抗剪强度是非常复杂的。
土的抗剪强度指标是指土的内摩擦角Φ和黏聚力C ，是土体在外力作用下抵抗剪切破坏的极限强度，也是地基承载力确定、路堤及土坡稳定性分析、挡土墙土压力、地基稳定性计算中
其剪应力由固体颗粒骨架承受，而的重要参数。土体受荷重后，
法向应力由固体骨架、孔隙水和气体共同承受。即σ'=σ-u ，σ' 为有效应力，u 为孔隙压力。土的抗剪强度主要取决于有效应力的
（σ-u ）tg Φ'=c'+σ'tg Φ' 。大小，所以τ=c'+
为此，根据工程情况，选择合理的剪切试验方法，提供适当的指标，科学有效地应用于工程设计是十分必要的。
技术素质及理论水平，作出与设计配套的、精度较高的试验成
果。
2抗剪强度测试手段比较
1强度指标的重要性
举例说明计算地基的极限荷载和承载力时，C 、Φ的重要性。某建筑物采用砖混结构条形基础，设计基础底宽B=3m ，基础埋深D=2m ，地基为粉土，天然重度γ=18kN/m3，内摩擦角Φ=15°，黏聚力C=1.5kPa ，地下水位深7.8m ，计算此地基的极限荷载和地基承载力。
采用公式：γbNr/2+cNc+γDNq 其中，Pu ：指极限荷载，kPa ；
Nr 、Nc 、Nq ：地基承载力系数，均为tg α=tg（45+Φ/2）的
函数。
（1）地基的临界荷载：根据地基土的内摩擦角Φ=30°时，查得Nr 、Nc 、Nq 等为承载力系数值。
计算Pu =γbNr/2+γDNq+cNc=173.4kPa （2）地基承载力：采用安全系数K =3.0，地基承载力为f=Pu/K =173.4kPa/3.0≈57.8kPa
若上题Φ值改为30°，其余条件不变。地基极限荷载：Pu =453.5kPa 地基承载力：f=Pu/K=453.5kPa/3.0≈151.2kPa 可见，在其他条件不变的前提下，内摩擦角变化，影响到极限荷载及地基承载力变化很大。因此，需要提高土工测试人员的-22-
准确测定C 、Φ值，最直接和有效的方法是用原状土做剪切
目前, 室内剪切试验所使用的仪器主要有三轴仪、直剪试验获得。
仪、无侧限抗压强度仪。其中，既能较好地模拟地基实际应力状态，又能较好地满足设计需要的仪器首推三轴仪。2.1三轴试验
三轴试验是在固定土的侧向压力条件下，不断增加轴向压力使土发生破坏的一种剪切试验，能够模仿土体在实际土层中的受力状况。试验中可处于与工程相近的三项受力状态，易于反映土体不连续性和各项异性。具有能控制大小主应力及排水条件，受力状态明确，剪切面不固定，破坏面是土体最薄弱面，准确测定土的孔隙压力及体积变化等优点。2.2直接试验
直剪设备构造简单，具有操作简便、人员容易掌握、所需试件较少、试验速度较快的优点，所以目前在国内的多数岩土试验室，
Φ值指标均由直直剪仪器的使用还是相当普遍，绝大部分的C 、
其缺点为仪器结构的限制，无法控制排水，剪切缝只剪试验得出。
能在中间水平向，剪切破坏面系人为规定，破坏面不一定就是最薄弱面，而且剪切面上应力分布不均匀，不符合土所处的实际应力状态。
2.3无侧限抗压强度试验
无侧限抗压强度试验是试样在侧面不受任何限制的条件下承受的最大轴向压力，间接求得抗剪强度。如遇饱和粘土，可直接用此试验方法求得抗压强度值，是三轴试验在σ3=0时的一种特殊情况。该仪器简单，易于操作。
3剪切试验方法选取原则
在选取强度指标时要根据工程实际和土层情况决定采用总应力或有效应力强度指标，然后选择测试方法，以合理性为主，以经验性为辅，并注意后者的局限性。其选择如下：①若建筑物施工速度较快，而地基土的透水性和排水条件不良时，可采用UU 试验或直剪仪快剪试验结果；②地基为黏性土但层厚不大且上下土层透水性好或采用了排水措施时，可采用CU 试验或固结快剪试验结果。③地基荷载增长速率较慢，地基土的透水性较大、排水条
以有效应力法进行分析。件较好时，可采用CD 试验或慢剪试验结果，
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常用剪切试验指标相关性比较
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表1
土的抗剪强度试验成果表
2010年08月
实际工作中，岩土实验室采用的抗剪强度试验方法最普遍的是直剪快剪（Q ）与三轴不固结不排水剪（UU ），其余方法因为设备复杂或对样品数量要求高或时间过长影响试验速度，而无法
三轴不固结不排水剪试验通常在岩土实验室大规模采用。其中，
多采用一个试件多级剪方法，以减少对试验样品数量的要求。
山西省存在最普遍的是Q2、Q3黄土，此类土含水率低、饱和黏性较小、比较脆硬，若进行不固结不排水剪试验，必须制度小、
否则，在第一级荷载时（通常是50kPa ）备3个及3个以上试件，
样品就开裂，无法继续进行下一级荷载的试验，而且试验过程中碎裂现象严重，无法真实反映土体抗剪强度。这无疑对钻探提出了更高的要求，无法在大规模的岩土试验中采用，所以目前此类土试验室内试验均采用直剪快剪法。
此外，在山西省也存在部分含水率高、饱和度较大、黏性较大、比较黏软的土，主要分布在沿晋中盆地、太谷盆地和沁水盆地一带，绵延至太行山山脉的南部与太岳山之间的长治盆地和
砂页岩风化产物，经水流搬运至盆地富晋城盆地，是由泥灰岩、
集，由湖泊沉积与河流相冲击形成。此类土适宜采用三轴不固结不排水剪试验方法，而且试验结果代表性强。但摆在试验室面前的一个问题就是，大量的三轴不固结不排水剪很难在短时间内全部完成，无法满足工程设计对时间的要求，所以通过室内试验，建立常用试验剪切方法（直剪快剪与三轴不固结不排水剪）之间相关性分析是非常必要的。
以晋南长治、临汾地区土为例，按黏性程度分类，在不同组数的数据中选取指标出现最多的数据作为代表值，分析直剪快剪与三轴不固结不排水剪两种试验方法间相关性。试验结果见表1。
从统计结果可以看出：
Cu 、C 值基本接当液限含水率值介于20.0%～25.0%之间，
近、Φ值约为Φu 的2.5～4倍；
当液限含水率值介于25.1%～27.5%之间，Cu 值约为C 值的0.7～1.8倍、Φ值约为Φu 的2倍左右；
Cu 值约为C 值的当液限含水率值介于27.6%～30.0%之间，
1.5倍、Φ值约为Φu 的3～4倍；
当液限含水率值介于30.1%～35.0%之间，Cu 值约为C 值的0.7～0.8倍、Φ值约为Φu 的1.4～2.2倍；
当液限含水率值介于35.1%～40.0%之间，Cu 、C 值基本接近、Φ值约为Φu 的2倍；
当液限含水率值介于40.0%以上，Cu 值约为C 值的2倍、Φ值、Φu 值基本接近。
样品组含水湿密度饱和黏粒含液限含塑限
含水
编号数率/%/g/cm3度/%量/%水率/%率/%A 25
19.220.223.050B
22.630.424.026.03022.7
27.527.0
C 50
27.530.628.534.6
D 85
26.633.025.8
E 25
36.939.0
2.11
99.4
10.8
20.422.026.326.527.127.528.729.229.430.232.533.234.235.837.138.338.442.442.5
抗剪试验结果C
Φ
Cu
Φu 8.1
15.529.731.824.9
2.11101.413.12.052.061.922.041.99
99.699.997.699.997.9
17.820.722.121.823.0
15.822.826.923.710.816.619.317.914.3
8.2
16.932.219.154.412.217.014.620.616.717.226.613.447.517.615.527.624.517.715.423.222.0
9.08.56.75.9
2.08102.123.51.98100.024.61.801.97
79.998.4
25.126.6
17.828.629.639.210.118.121.111.116.619.149.019.345.9
8.89.3
39.4
6.64.2
1.96102.024.31.97
99.7
27.3
36.310.3
7.77.37.4
19.820.316.814.420.415.312.114.520.921.911.920.3
1.89100.030.11.881.901.961.801.82
86.298.593.293.097.5
32.130.935.535.940.1
21.421.620.322.611.421.533.521.542.012.023.114.323.210.8
9.74.2
27.820.6
8.46.3
5结束语
在土工设计中，剪切指标的选用，应紧密结合工程类别，全面考虑工程土体的透水性、含水率、受荷情况、应力分布及排水条件等因素，尽可能地选择与其一致的剪切试验强度指标。在试验条件无法满足实际需要时，可根据上述相关性经验推测结果值。参考文献：
[1]JTGE40-2007，公路土工试验规程. 北京：人民交通出版2007.10社，
[2]洪毓康主编. 土质学与土力学. 北京：人民交通出版社，2001.11
作者简介:王福，男，1976年出生，山西省偏关县人，1997年毕业于太原理工大学路桥专业，工程师。
Relative Analysis in Defrence of Shearing Strength Test
Wang Fu
Abstract:Combine with test data ，relative analysis in defrence of shearing strength test.Point out design proposal in rock engineering,must to de-cide in the test of engineering construction. Impossibility of performance in test facilities ，you can calculating the effect of relative analysis in de-frence of shearing strength.
Key words:Shearing strenth ；open type triaxial test ；shear test
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