測試理論與監(jiān)測技術(shù)

土的抗剪強度試驗方法與結(jié)果比較

試驗指標

抗剪強度指標c、φ值，是土體的重要力學性質(zhì)指標，正確地測定和選擇土的抗剪強度指標是土工計算中十分重要的問題。

舉例說明計算地基的極限荷載和承載力時,c、φ的重要性。計算:Pu=γbNr/2+cNc+qNq,式中:Pu———極限荷載,kPa;Nr、Nc、Nq———地基承載力系數(shù),均為tgα=tg(45°+φ/2)的函數(shù),亦即φ的函數(shù)。例如:某辦公樓采用磚混結(jié)構(gòu)條形基礎,設計基礎底寬b=1.50m,基礎埋深d=1.40m,地基為粉土,天然密度γ=18.0kN/m3,內(nèi)摩擦角φ=30°,黏聚力c=10kPa,地下水位深7.8m,計算此地基的極限荷載和地基承載力。a)地基的極限荷載：Pu=γbNr/2+cNc+qNq=1060.1kPa。b)地基承載力f：采用安全系數(shù)K=3.0,地基承載力為:f=Pu/K=1060.1kPa/3.0≈353.4kPa。c)若上題φ值改為20°,其余條件不變。地基極限荷載Pu=405.4kPa;地基承載力f=Pu/K=405.4kPa/3.0≈135kPa?？梢娖渌麠l件不變,內(nèi)摩擦角變化,極限荷載及地基承載力變化很大,與建筑物的安全性、經(jīng)濟性密切相關(guān),尤其是對重大工程或承受傾斜荷載的建筑物更為重要土體的抗剪強度指標是通過土工試驗確定的。室內(nèi)試驗常用的方法有直接剪切試驗、三軸剪切試驗；現(xiàn)場原位測試的方法有十字板剪切試驗和大型直剪試驗。一、直剪試驗：應變控制式和應力控制式直剪試驗根據(jù)排水條件可分為：快剪、固結(jié)快剪和慢剪．優(yōu)點：直接剪切儀構(gòu)造簡單，操作方便等缺點：①限定的剪切面；②剪切面上剪應力分布不均勻；③在計算抗剪強度時按土樣的原截面積計算的；④試驗時不能嚴格控制排水條件，不能量測孔隙水壓力。二、三軸剪切試驗1、試驗儀器與基本原理三軸剪切試驗儀（也稱三軸壓縮儀）由受壓室、周圍壓力控制系統(tǒng)、軸向加壓系統(tǒng)、孔隙水壓力系統(tǒng)以及試樣體積變化量測系統(tǒng)等組成。三軸剪切儀

試驗時，將圓柱體土樣用乳膠膜包裹，固定在壓力室內(nèi)的底座上。先向壓力室內(nèi)注入液體，使試樣受到周圍壓力σ3，并使σ3在試驗過程中保持不變。然后在壓力室上端的活塞桿上施加垂直壓力直至土樣受剪破壞。

設土樣破壞時由活塞桿加在土樣上的垂直壓力為Δσ1，則土樣上的最大主應力為σ1f=σ3+Δσ1，而最小主應力為σ3f。由σ1f和σ3f可繪制出一個莫爾圓。

用同一種土制成3~4個土樣，按上述方法進行試驗，對每個土樣施加不同的周圍壓力σ3，可分別求得剪切破壞時對應的最大主應力σ1，將這些結(jié)果繪成一組莫爾圓。根據(jù)土的極限平衡條件可知，通過這些莫爾圓的切點的直線就是土的抗剪強度線，由此可得抗剪強度指標c、φ值(圖-1)。圖-1三軸試驗基本原理(a)試樣圍壓(b)破壞時試樣主應力(c)應力圓與強度包線2.三軸試驗方法分類按剪切前的固結(jié)程度和剪切過程中的排水條件三軸試驗可分為三種類型：（1）不固結(jié)不排水試驗（UU試驗）

試驗過程由始至終關(guān)閉排水閥門，土樣在剪切破壞時不能將土中的孔隙水排出。土樣在加壓和剪切過程中，含水量始終保持不變，得到的抗剪強度指標用cu、φu表示。對應實際工程條件中飽和軟粘土中快速加荷的應力情況觀看試驗過程動畫演示

（2）固結(jié)不排水試驗（CU試驗）

先對土樣施加周圍壓力，將排水閥門開啟，讓土樣中的水排入量水管中，直至排水終止，土樣完全固結(jié)。然后關(guān)閉排水閥門，施加豎向壓力Δσ，使土樣在不排水條件下剪切破壞，得到的抗剪強度指標用ccu、φcu表示。

實用的工程條件常為一般正常固結(jié)土層在工程竣工或在使用階段受到大量、快速的活荷載或新增的荷載作用時所對應的受力情況。

觀看試驗過程動畫演示（3）固結(jié)排水試驗（CD試驗）

在固結(jié)過程和Δσ的施加過程中，都讓土樣充分排水(將排水閥門開啟)，使土樣中不產(chǎn)生孔隙水壓力。故施加的應力就是作用于土樣上的有效應力，得到的抗剪強度指標用ccd、φcd表示。觀看試驗過程動畫演示

3.三軸試驗的優(yōu)缺點

優(yōu)點：（1）可嚴格控制排水條件；（2）可測量孔隙水壓力；（3）破裂面在最軟弱處

缺點：（1）受力軸對稱；（2）實驗較為復雜

三軸試驗的結(jié)果還是比較可靠

三軸壓縮儀是土工試驗不可缺少的儀器設備

三、無側(cè)限抗壓試驗

無側(cè)限儀無側(cè)限抗壓強度試驗是周圍壓力σ3=0（無側(cè)限）的一種特殊三軸壓縮試驗，又稱單軸試驗，該試驗多在無側(cè)限抗壓儀上進行,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖-2（a）

無側(cè)限抗壓強度試驗過程請參見動畫演示

試驗時，在不加任何側(cè)向壓力的情況下，對圓柱體試樣施加軸向壓力，直至試樣剪切破壞為止。試樣破壞時的軸向壓力以qu表示，稱為無側(cè)限抗壓強度。

對于飽和軟粘土，可以認為φ=0，此時其抗剪強度線與σ軸平行，且有cu=qu/2。所以，可用無側(cè)限抗壓試驗測定飽和軟粘土的強度如圖-2（b）。

四、不同剪切試驗方法及指標比較1直剪快剪(Q)與三軸不固結(jié)不排水剪(UU)快剪與不排水剪用于模擬土體來不及固結(jié)排水就較快加載以至剪切破壞的情況。但由于直剪儀不能有效地控制排水條件,直剪的快剪試驗與三軸剪的不排水剪試驗結(jié)果并不完全相同,其差別大小主要取決于土樣的透水性強弱,對于透水性很強的砂土,直剪的快剪可以相當于三軸剪的排水剪;而對于透水性較差的黏性土,兩種試驗結(jié)果相近。近年來由于工程建筑施工周期短,結(jié)構(gòu)荷載增長速度快,地基穩(wěn)定性驗算一般應采用快剪或不排水剪指標;驗算斜坡穩(wěn)定性時,若土體排水條件差、透水性較弱,也應采用快剪或不排水剪指標。固結(jié)艷快剪(C嘉Q)與固券結(jié)不蔬排水決剪(C撓U)固結(jié)穩(wěn)快剪(C究Q)與固符結(jié)不怪排水鉤剪(C圈U)試驗盟用于勾模擬意土體慌在自攜重或趴正常暴荷載禿下已豪充分嶼固結(jié),而后縱荷載肅突然架增加硬的情養(yǎng)況。CQ與CU的結(jié)債果是瞧否一努致同奴樣也慌取決口于土工體的斑滲透耽性大醋小。帶對于甩砂土,直剪府儀的坊固結(jié)事快剪池相當偽于三歇軸排舅水剪寺。在徹實際茄工程額中,當建苦筑物搶在施墨工期山間已幅排水瀉固結(jié),但竣炸工后晴有大模量或耗突發(fā)并荷載蹈施于遼其上差時,可采腫用固壟結(jié)快宗剪或尖固結(jié)跨不排毅水剪狂指標割。慢剪(S縮慧)與排際水剪(C套D)慢剪(S云)與排盈水剪(C本D)試驗揭用于蛇模擬兵土體惡充分固結(jié)嘩后才鴉開始倡緩慢訪施加樸荷載凳的情樣況。朗由于S及CD試驗誼中孔模隙水查應力(U昆)已消警散為終零,即總造應力件就等于有乓效應什力,其強僵度指把標φs、cs與φd、cd一致,可近似替再代有節(jié)效應晉力強堤度指子標φ’、c’,即φs=φd=φ’,cs=cd=c’。五、羽剪切綁試驗錘方法雷選取音原則在選粱取強綢度指語標時砌要根竊據(jù)工程活實際爽和土耳層情腔況決定旬采用蕉總應煙力或帳有效羅應力跪強度景指標,然后表選擇偶測試袖方法庸。原伸則上汗選取調(diào)時以技術(shù)啊理論棍合理訂性為主,以習慣六用法舞的經(jīng)可驗性為輔墾。一撞般認景為,由三釀軸固法結(jié)不亦排水燈試驗事確定悔的有暫效應矮力強湖度參對數(shù)c′和φ′值用休于分摔析地諸基的矮長期傾穩(wěn)定畜性(舍例如芳土坡貨的長擁期穩(wěn)煤定分矩析,袍估計輕擋土碰結(jié)構(gòu)施物的敲土壓漂力、板位于惰軟土矛地基辦上結(jié)察構(gòu)物壓的地拒基長隸期穩(wěn)囑定分踏析等乒)鑰;而控對于步飽和謎軟黏馳土一討般工叔程問毫題多哥采用候總應約力分托析法表,其明指標候和測賭試方憐法的響選擇掉大致川如下打:a)顛若夜建筑遞物施進工速暖度較兵快,泳而地映基土辨的透跑水性和排答水條少件不捧良時輸,可紋采用要三軸積儀不腳固結(jié)覆不排仆水試驗或支直剪禍儀快構(gòu)剪試棟驗結(jié)己果。b)泰地研基為麥黏性侮土但貌層厚壁不大記且上臣下土泳層透餡水性好或更采用抗了排俊水措誦施,擴可采柴用三肆軸固焦結(jié)不兵排水泊或固結(jié)快爹剪試勉驗結(jié)慣果。如果產(chǎn)地基際荷載撲增長祖速率漸較慢吳,地儀基土痰的透蜜水性精不太柱小(臣如低拍塑性酒的黏黎土)鮮以腐及排渴水條懷件又胳較佳煤時(售如黏癢土層攀中夾問砂層忙)石,則帖可以罷采用駝三軸挎固結(jié)咳排水帥或慢界剪試剝驗結(jié)弟果,芒以有母效應角力法沉進行渾分析秘。針對銀土的動短期鍋穩(wěn)定拉問題尾,則商宜采錢用不蹲固結(jié)軟不排脫水試葵驗的汗強度匯指標華,以蒜總應阻力法堅進行說分析本。由害于實蘆際加絞荷情鎖況和腔土的通性質(zhì)嚼是復森雜的些,而例且在躲建筑堤物的靠施工惕和使擊用過緞程中錫都要汽經(jīng)歷鎮(zhèn)不同乘的固頸結(jié)狀鑄態(tài),貞因此益,在餓確定執(zhí)強度艱指標瀉時還險應結(jié)堪合工依程經(jīng)銀驗?？傊?選冷擇強單度指犁標應船按原懇則選途取,間也因搏工程胖情況舊和設俘計者秤的不泄同要犁求而遵有所頌變化盾。原妖則上載選取領時以侮技術(shù)炎理論別合理搶性為糟主,掌以習疼慣用斷法的質(zhì)經(jīng)驗鏡性為牌輔,閃并注面意后終者的扎有條纏件和殊局限史性。跟當土腥體透福水性街較強雅、排歌水條雹件良脂好,膚建筑競施工殘速度主較慢濕時,束可采碗用S胖或效CD暗試剛驗的修強度癢指標跳。結(jié)束嗓語綜上賽所述撒,測器試土派的抗誓剪強立度參早數(shù)的碗方法壁很多勁,在沈土工杠設計沿計算讓中,權(quán)剪切礦試驗受方法衫及其杏指標愛的具璃體選早用,系應緊科密結(jié)覽合工撕程類店別,贏大致案判定濫影響圾工