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粗粒土抗剪强度试验初探云南省水利水电工程有限公司杨连恩关键词：土工试验、粗粒土抗剪强度、C、φ值。摘要：我省粗粒土抗剪强度试验结果与理论值严重不符，其原因有待进一步研究，本文试图通过与相关数据的比较，引起业界各位同仁重视，以推动粗粒土抗剪强度试验的研究。目录一、前言..........................................................................................................................................1二、土的抗剪强度试验的理论基础...............................................................................................21、库仑定律.............................................................................................................................22、莫尔—库伦强度理论.........................................................................................................3三、抗剪强度的测定方法.....................................................................................................51、直接剪切试验.....................................................................................................................52、三轴剪切试验.....................................................................................................................7四、非粘聚性土抗剪强度试验实际情况.....................................................................................11五、粗粒土抗剪强度试验的建议.................................................................................................12一、前言水利工程中的水库，其挡水建筑物——碾压试土石坝的数量在云南甚至在全国乃至全世界都占有绝对的多数；土石坝的建筑材料从石渣、砂砾、风化料到粘土，储量丰富，分布广泛，价廉物美，为人类的生产和生活作出了巨大贡献；可以说，人类的生产和生活无法离开看似不起眼的各种土石料。因此，了解各种土料的特性，对它们进行各种定性及定量的分析就显得尤为重要。具有代表性、准确的土工试验数据为地质勘查、设计、施工、质量控制等诸多工程建设环节提供可靠的质量保证，它不仅关系到建设成本、工程安全，还直接关系到人民生命财产安全。本人多年从事水利工程施工、试验，对常规土工试验的内涵有一定的认识、理解和体会；目前，土工试验中的粗粒土的抗剪强度试验普遍存在试验结果C值与理论值严重不符的问题，现就云南一些知名实验室粗粒土剪切试验成果数据列举一二，其与库仑定律理论值及《工程地质手册》中全国平均C值相差甚大的原因，希望能引起各位同仁重视、思考、研究，最终找出引起粗粒土C值试验值与理论值严重不符的原因，尽快解决我省粗粒土抗剪强度试验中存在的问题，将我省土工试验推向前进；使我省土工试验具有严密的科学性、可靠性和准确性。二、土的抗剪强度试验的理论基础1、库仑定律粗粒土的抗剪强度试验的理论基础是库仑定律，但库伦公式在研究土的抗剪强度与作用在剪切面上法向应力的关系时，未涉及土体的最主要特征——有效应力问题。随着固结理论的发展，人们逐渐认识到土的抗剪强度并不直接取决于剪切面上的法向总应力，而取决于该面上的法向有效应力，土的抗剪强度应表示为剪切面上法向有效应力的函数。太沙基（Terzaghi）在1925年提出饱和土的有效应力概念，并用试验证明了有效应力σ′等于总应力σ与孔隙水压力u差值。因此，饱和土的渗透固结过程，实际上是孔隙水压力消散和有效应力相应增长的转移过程。土的抗剪强度有两种表达方法：总应力法和有效应力法。由于有效应力才是影响粒间摩阻力的根本因素，因此有效应力法概念明确，反应了抗剪强度的实质。为求得有效应力，则须测求孔隙水应力。实际上，许多土体的抗剪强度线并非都呈直线状，而是随着应力水平不同而有所变化。莫尔(Mohr)1910年提出当法向应力范围较大时，抗剪强度线往往呈非线性，此时就不能用库伦公式来概括土的抗剪强度特性。通常把试验所得的不同形状的抗剪强度线统称为抗剪强度包线。尽管土的强度理论研究现在已得到很大发展，库伦强度公式作为最基本的关系式仍广泛应用于理论研究和工程实践，而且也能满足一般工程的精度要求。2、莫尔—库伦强度理论当土体中某点任一平面上的剪应力等于土的抗剪强度时，该点即濒临破坏的临界状态，亦称为“极限平衡状态”；表征该状态下各种应力之间的关系称为“根限平衡条件”。设某一土体单元上作用着大、小主应力分别为σ1、σ3，见图(a)；则土中一点的某一切面处于极限平衡状态时主应力之间的相互关系式或应力条件即根限平衡条件；见图(b)。σ3dssinα-σdssinα+τdscosα=0（1）σ1dscosα-σdscosα+τdssinα=0（2）现在，我们可把上述强度理论归纳为：1、任一平面上的抗剪强度是该面上法向应力的函数；2、在一定的应力范围内，这一函数关系可用直线近似表示。3、如果通过某点的任一平面上的剪应力达到了它的抗剪强度，就认为该点已被剪坏。通常，人们把这种强度理论称为莫尔—库伦强度理论，而某点处于极限平衡状态时大、小主应力之间的关系，即式（1）、式（2），称为莫尔—库伦破坏准则。参考文献1：肖仁成、俞晓，《土力学》，北京大学出版社。三、抗剪强度的测定方法土的抗剪强度是决定建筑物地基和土工建筑物稳定性的关键因素，因而正确测定土的抗剪强度指标对工程实践具有重要的意义。室内试验常用的方法有直接剪切、三轴压缩、无侧限抗压等；本文仅就室内试验中最常用的直接剪切和三轴剪切试验中普遍存在的某些问题作探讨。1、直接剪切试验直接剪切试验使用的仪器称为直接剪切仪（简称直剪仪），分为应变控制式和应力控制式两种。前者对试样采用等速剪应变测定相应的剪应力，后者则是对试样分级施加剪应力测定相应的剪切位移。国内普遍采用的是应变控制式直剪仪，其构造简图如图3所示；剪切时是将土样放在上、下两部分可以错动的金属盒内，将上盒固定，下盒可沿水平方向滑动；试验时，先通过传压板在土样上施加法向应力σ（σ=P/F(F为土样的横截面积)），然后在下盒上逐级施加水平剪力，使土样沿上、下盒之间的水平面受到剪应力，当水平剪应力增加至土的抗剪强度时，土样发生剪切破坏，此时的剪应力为τ=T/F。即为土样在该法向压应力作用下的抗剪强度τfσ1FTσ1大量试验结果证明：在一般荷载(σ=0.1—0.6Mpa)作用下,土的抗剪强度与法向压应力关系近似为直线一—库仑定律：无粘聚性土:抗剪曲线τf=σtgφ(过坐标原点)粘性土:抗剪曲线,τf=σtgφ+cτf为土的抗剪强度；σ剪切面上的法应力；φ为土的内摩擦角；C为土的内聚力。无粘聚性土的抗剪强度决定于与法向压力成正比的内摩擦力；而粘聚土的抗剪强由两部分组成，一部分是与法向压力成正比的内摩擦力，另一部分与法向压力无关的内聚力。无粘聚性土的抗剪强度与其内摩擦力成正比，而内摩擦力与组成土的矿物性质和土的密度有关；土颗粒越坚硬，颗粒越粗大，表面越粗糙，棱角越多，内摩擦力越大；土的密度越高，内摩擦角也越大。直剪仪具有构造简单，操作简便，并符合某些特定条件，至今仍是工程中常用的一种试验仪器。但该试验也存在如下缺点：（1）剪切过程中试样内的剪应变和剪应力分布不均匀。试样剪破时，靠近剪力盒边缘的应变量大，而试样中间部位的应变相对小得多；此外，剪切面附近的应变又大于试样顶部和底部的应变；基于同样的原因，试样中的剪应力也是很不均匀的。（2）破坏面人为地限制在上、下盒接触面上，而该平面不一定是最软弱的剪切面。（3）剪切过程中试样面积逐渐减小，且垂直荷截发生偏心，但计算抗剪强度时却按受剪面积不变和剪应力均匀分布计算。（4）不能严格控制排水条件，因而不能量测试样中的孔隙水压力。2、三轴剪切试验三轴剪切试验是一种较完善的测定土抗剪强度试验方法，与直接剪切试验相比较，三轴剪切试验试样中的应力相对比较明确和均匀。三轴剪力仪同样分应变控制式和应力控制式两种。应变式三轴剪力仪由压力室、轴向加压系统、周围压力系统和孔隙水压力量测系等构成。目前较先进的三轴剪力仪还配备有自动化控制、电测和数据自动采集系统等。应变式三轴剪力仪的构造简图如图3所示。σrσ3σ3三轴剪切试验是测定土的抗剪强度的另一种常用的方法；该方法首先将用橡皮膜包裹着的圆柱形置于密闭容器中，先在试样四周施加（液体）围压σ3，使试样中无剪应力；然后通过活塞杆在试样顶面按一定速率加压，直至土样被剪坏。这时，作用于土样上的最大主应力σ1=σ3+σr，最小主应力即σ3；用σ1和σ3可画出一个极限应力圆，该应力圆与相邻应力圆的公切线，就是土的抗剪强度曲线；曲线在τ轴上的截距就是C，与σ轴的夹角便是φ。三轴剪切能控制轴向应变的速率，控制排水条件，测量孔隙水压力的变化，没有规定的剪切面，受力条件比较符合实际，试验结果准确。在给定的周围压力作用下，一个试样的试验只能得到一个极限应力圆。一种土样至少需要3个以上试样在不同的围压作用下进行试验，方能得到一组极限应力圆；绘极限应力圆的公切线，即为该土样的抗剪强度包线；它通常呈直线状，与横坐标的夹角即为土的内摩擦角，与纵坐标的截距即为土的粘聚力。由于在三轴试验中可测得孔隙水应力，且各向都是相等的，于是就可算出试验过程中的有效大主应力和有效小主应力。当剪破时的孔隙水应力为正值时有效应力圆在总应力圆的左边；当剪破时的孔隙水应力为负值时有效应力圆就在总应力圆的右边。根据剪破时一组有效应力圆，作公切线，即得有效强度包线，它与坐标轴的截距为有效粘聚力，与横坐标的夹角为有效内摩擦角。三轴压缩试验可根据工程目的的不同，采用不同的排水条件进行试验。在试验中，既能使试样沿轴向压缩，也能令其沿轴向伸长。通过试验，还可测定试样的应力、应变、体积应变、孔隙水压力变化和静止侧压力系数等。如试样的轴向应变可根据其轴向位移量和试样高度算得；试样的侧向应变可根据其体积变化量和轴向应变间接算得；对饱和试样而言，试样在试验过程中的排水量即为其体积变化量。排水量可通过打开排水阀门，让试样中的水排入量水管，并由量水管中水位的变化算出。在不排水条件下，如要测定试样中的孔隙水压力，可关闭排水阀，打开孔隙水压力阀门，待试样施加轴向压力后，调整零位指示器的水银面始终保持原来的位置，从孔隙水压力表中即可读出孔隙水压力值,有的可直接从孔压传感器中显示。三轴压缩试验可供在复杂应力条件下研究土的抗剪强度特性之用，其突出优点是：（1）试验中能严格控制试样的排水条件，准确测定试样在剪切过程中孔隙水压力变化，从而可定量获得土中有效应力的变化情况；（2）与直剪试验相比，试样中的应力状态较为明确和均匀，没有硬性指定破裂面位置；（3）除抗剪强度指标外，还可测定如土的灵敏度、侧压力系数、孔隙水压力系数等力学指标。但三轴压缩试验也存在试样制备和试验操作比较复杂，试样中的应力与应变仍然不够均匀的缺点