土的抗剪强度试验土的抗剪强度试验建筑工程学院建筑工程学院 土建土建03 103 1班班胡明辉胡明辉 1919号号林雪林雪 1616号号胡君灿胡君灿 1818号号赵子清赵子清 2020号号邢恩波邢恩波 0909号号欢迎各位老师抽出时间来听我欢迎各位老师抽出时间来听我 们的试验们的试验 课，我们非常高兴，试验做的可能存在一些课，我们非常高兴，试验做的可能存在一些 问题，希望老师帮助指正。问题，希望老师帮助指正。一、实验目的和意义：一、实验目的和意义：这是一种快速有效求抗剪强度指标的方法，在一般工这是一种快速有效求抗剪强度指标的方法，在一般工 程中普遍使用。通常采用程中普遍使用。通常采用4 4个试样，分别在不同的垂直压个试样，分别在不同的垂直压 力力P P作用下，施加水平剪切力进行剪切，测得剪切破坏时作用下，施加水平剪切力进行剪切，测得剪切破坏时 的剪应力为的剪应力为f f 。然后根据库仑定律确定土的剪切强度指标。然后根据库仑定律确定土的剪切强度指标 ：内摩擦角：内摩擦角 和粘聚力和粘聚力c c 。抗剪强度指标抗剪强度指标c c、 值，是土体的重要力学性质指标，值，是土体的重要力学性质指标， 正确地测定和选择土的抗剪强度指标是土工计算中十分重正确地测定和选择土的抗剪强度指标是土工计算中十分重 要的问题。要的问题。 土体的抗剪强度指标是通过土工试验确定的。室内试土体的抗剪强度指标是通过土工试验确定的。室内试 验常用的方法有直接剪切试验、三轴剪切试验；现场原位验常用的方法有直接剪切试验、三轴剪切试验；现场原位 测试的方法有十字板剪切试验和大型直剪试验。测试的方法有十字板剪切试验和大型直剪试验。 二、国内研究概况、水平及发展二、国内研究概况、水平及发展直接剪切实验是发展较早的一种测定土的抗剪强度直接剪切实验是发展较早的一种测定土的抗剪强度 的方法，至今已有百年以上的历史，由于其设备简单，的方法，至今已有百年以上的历史，由于其设备简单， 易于操作，在工程实践中应用广泛，并且已经积累了很易于操作，在工程实践中应用广泛，并且已经积累了很 多的宝贵经验数据。多的宝贵经验数据。目前为了克服直剪仪式样因应变不均匀，不能控制目前为了克服直剪仪式样因应变不均匀，不能控制 排水条件及预先规定剪切面等缺点，在直剪仪的结构上排水条件及预先规定剪切面等缺点，在直剪仪的结构上 做了改进，正在向单剪仪发展。单剪仪按其剪切容器结做了改进，正在向单剪仪发展。单剪仪按其剪切容器结 构，可分为叠环式、加筋膜式和刚性板单剪仪三种。构，可分为叠环式、加筋膜式和刚性板单剪仪三种。单剪仪实验方法与直剪仪实验的不同仅在装样方面 包括包橡皮膜和套上套环，其余方面都相同。目前在国 内仅科研及大学等研究单位有这种仪器，作为研究之用 ，尚无定型产品。三、试验方法（一）、直接剪切试验1、试验仪器与基本原理直接剪切试验所使用的仪器称为直剪仪，按照加荷方 式的不同，直剪仪可分为应变控制式和应力控制式两种， 前者是以等速水平推动试样产生位移并测定相应的剪应力 ；后者则是对试样分级施加水平剪应力，同时测定相应的 位移。目前常用的是应变控制式直剪仪（示意图）。试验时，垂直压力由杠杆系统通过加压活塞和透水石传给土样 ，水平剪应力则由轮轴推动活动的下盒施加给土样。土体的抗剪强 度可由量力环测定，剪切变形由百分表测定。在施加每一级法向应 力后，匀速增加剪切面上的剪应力，直至试件剪切破坏（实验演示 动画）。 将试验结果绘制成剪应力和剪切变形S的关系曲线（见 图5-9）。一般地，将曲线的峰值作为该级法向应力下相应的 抗剪强度f。变换几种 法向应力的 大小，测出相 应的抗剪强度 f。在-坐标 上，绘制曲线 ，即为土的抗 剪强度曲线， 也就是莫尔-库 伦破坏包线。2、试验方法分类为了在直剪试验中能尽量考虑实际工程中存在的不同 固结排水条件，通常采用不同加荷速率的试验方法来近似 模拟土体在受剪时的不同排水条件，由此产生了三种不同 的直剪试验方法，即快剪、固结快剪和慢剪。（1）快剪。快剪试验是在土样上下两面均贴以腊纸， 在加法向压力后即施加水平剪力，使土样在35分钟内剪 坏，由于剪切速率较快，得到的抗剪强度指标用cq、q 表示。（2）固结快剪。固结快剪是在法向压力作用下使土样 完全固结。然后很快施加水平剪力，使土样在剪切过程中 来不及排水，得到的抗剪强度指标用ccq、cq表示。（3）慢剪。慢剪试样是先让土样在竖向压力下充分固 结，然后再慢慢施加水平剪力，直至土样发生剪切破坏。 使试样在受剪过程中一直充分排水和产生体积变形，得到 的抗剪强度指标用cs、s表示。3、试验优缺点和适用范围直接剪切试验是测定土的抗剪强度指标常用的一种试 验方法。它的优点是具有仪器设备简单，操作方便等。它 的缺点主要包括以下几点：（2）剪切面上剪应力分布不均匀；（l）剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样 最薄弱的面剪切破坏；（3）在剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而在计算 抗剪强度时仍按土样的原截面积计算；（4）试验时不能严格控制排水条件，并且不能量测孔 隙水压力。直接剪切试验适用于二、三级建筑的可塑状态粘性土 与饱和度不大于0.5的粉土。（二）、三轴剪切试验1、试验仪器与基本原理三轴剪切 试验仪（也称 三轴压缩仪） 由受压室、周 围压力控制系 统、轴向加压 系统、孔隙水 压力系统以及 试样体积变化 量测系统等组 成。三轴轴剪切仪仪试验时，将圆柱体土样用乳胶膜包裹，固定在压力 室内的底座上。先向压力室内注入液体(一般为水)，使试 样受到周围压力3，并使3在试验过程中保持不变。然 后在压力室上端的活塞杆上施加垂直压力直至土样受剪 破坏。设土样破坏时由活塞杆加在土样上的垂直压力为 1 ，则土样上的最大主应力为1f=3+1，而最小 主应力为3f。由1f和3f可绘制出一个莫尔圆。用同一种土制成34个土样，按上述方法进行试验 ，对每个土样施加不同的周围压力3，可分别求得剪切 破坏时对应的最大主应力1，将这些结果绘成一组莫尔 圆。根据土的极限平衡条件可知，通过这些莫尔圆的切 点的直线就是土的抗剪强度线，由此可得抗剪强度指标c 、值(图5-11)。图-1 三轴试验基本原理 (a)试样围压 (b)破坏时试样主应力 (c)应力圆与强度包线2、试验方法分类按剪切前的固结程度和剪切过程中的排水条件三轴试 验可分为三种类型：（1）不固结不排水试验（UU）试验过程由始至终关闭排水阀门，土样在剪切破坏时 不能将土中的孔隙水排出。土样在加压和剪切过程中，含 水量始终保持不变，得到的抗剪强度指标用cu、u表示 。观看试验过程动画演示（2）固结不排水试验（CU）先对土样施加周围压力 ，将排水阀门开启，让土样 中的水排入量水管中，直至排水终止，土样完全固结。然 后关闭排水阀门，施加竖向压力，使土样在不排水条 件下剪切破坏，得到的抗剪强度指标用ccu、cu表示。观看试验过程动画演示（3）固结排水试验（CD）在固结过程和的施加过程中，都让土样充分排水( 将排水阀门开启)，使土样中不产生孔隙水压力。故施加 的应力就是作用于土样上的有效应力，得到的抗剪强度指 标用ccd、cd表示。观看试验过程动画演示3、试验优缺点优点：（1）可严格控制排水条件；（2）可量测孔 隙水压力；（3）破裂面在最软弱处缺点：（1）2=3，轴对称；（2）实验比较复杂（三）、无侧限抗压试验无侧限仪无侧限抗压 强度试验是周围 压力3=0（无侧 限）的一种特殊 三轴压缩试验， 又称单轴试验， 该试验多在无侧 限抗压仪上进行, 其结构示意图如 图5-12（a）。无侧限抗压强度试验过程请参见动画演示 试验时，在不加任何侧向压力的情况下，对圆柱 体试样施加轴向压力，直至试样剪切破坏为止。试样 破坏时的轴向压力以qu表示，称为无侧限抗压强度。对于饱和软粘土，可以认为=0，此时其抗剪强度线 与轴平行，且有cu=qu/2。所以，可用无侧限抗压 试验测定饱和软粘土的强度如图5-12（b）。（四）、十字板剪切试验十字板剪切试验是一种土的抗剪强度的原位测试方法 ，这种试验方法适合于在现场测定饱和软粘土的原位不排 水抗剪强度。十字板剪切试验采用的试验设备主要是十字 板剪力仪。试验时，先将十字板压入土中至测试的深度，然后由 地面上的扭力装置对钻杆施加扭矩，使埋在土中的十字板 扭转，直至土体剪切破坏（破坏面为十字板旋转所形成的 圆柱面）。 图-2 十字板剪力仪图-3由十字板测定的土 的抗剪强度随深度的变化四、实验室条件我们实验室拥有国内先进的尖端实验仪器，剪切实 验的有四联直剪仪、三轴剪切仪等，为我们做实验了解新 知识提供了非常方便的条件。五、实验方法本实验采用的是直接剪切方法测定土体的抗剪强度 ，直接剪切实验是一种快速有效求指标的方法，在一般 工程中普遍使用。直接剪切仪分为应变控制式和应力控制式两种，前 者是等速推动试样产生位移，测定相应的剪应力，后者 则是对试件分级施加水平剪应力测定相应的位移，目前 我国普遍采用的是应变控制式直剪仪，该仪器的主要部 件由固定的上盒和活动的下盒组成，试样放在盒内上下 两块透水石之间。试验时，由杠杆系统通过加压活塞和 透水石对试件施加某一垂直压力，然后等速转动手轮 对下盒施加水平推力，使试样在上下盒的水平接触面上 产生剪切变形，直至破坏，剪应力的大小可借助与上盒 接触的量力环的变形值计算确定。为了近似模拟土体在现场受剪的排水条件，直接剪切 试验可分为快剪、固结快剪和固结慢剪三种方法:快剪试 验是在试样施加竖向压力后，立即快速施加水平剪应力 使试样剪切破坏。固结快剪是允许试样在竖向压力下充分 排水，待固结稳定后，再快速施加水平剪应力使试样剪切 破坏。慢剪试验则是允许试样在竖向压力下排水，待固结 稳定后，以缓慢的速率施加水平剪应力使试样剪切破坏。 我们选择的是快剪方法来测定土的抗剪强度，具体操作步 骤如下：1切取土样，按照要求切取4个原状土样，本方法适 用于细粒土。2仪器检查。上下盒间接触及盒内应涂抹凡士林， 以减少阻力，百分表是否灵敏，插销是否失灵，钢珠是否 脱落。3安装试样对准上下盒，插入固定销，在下盒内放 入透水石一块，放入蜡纸一张（或透水板和滤纸），将带 有土样的环刀刃口朝上、对准剪切盒口，将试样推入盒内 ，然后在试验样上放上蜡纸、透水石及盒盖（湿度与试样 相近），装入仪器内，加上压力，转动手轮，让其接触， 拨掉插销，开始实验。4垂直加压。一般垂直压力分别为0.1、0.2、0.3、 0.4 MPa，若土质松软，可调整加压荷载，以免挤出。5水平剪切。转动手轮，使上盒前端钢珠刚好与量 力环接触。调整量力环中的百分表读数为零。6拔出固定销，开动秒表，慢剪法剪切速率应小于 0.02mm/min，一般采用电动装置。式样每产生剪切位移 0.2-0.4时记测力计和位移读数，直至测力计读数出现峰值 ，应继续剪切至剪切位移为4mm时停机，记下破坏值； 若测力计读数无峰值，应剪切至位移达6mm时停机。同 时测记手轮转数n和量力环测微表读数R0。六、实验数据整理及资料整理实验数据记录如下 土样 编号量力环读数 (0.01mm)剪应力(KPa)垂直压力(KPa)(1)(2)(3)(4)1200.485.61002201.0161.42003188.0216.63004195.0224.0400七、计算及实验误差通过计算的出C=54.23KPa、=25.22并绘出图线，图线的相似度r =0.95，说明曲线还不是 很好，有一定的误差，分析结果如下：1.是试件的应力状态复杂，应变分布不