谈土工试验中的直剪试验在实际工程中的应用

谈土工试验中的直剪试验在实际工程中的应用

李云龙

广东省地质实验测试中心，广东省广州市， 510080

摘要：在现代建设工程中，影响土体抗剪强度的因素较多，应对土体的综合指标进行全面和精确的计算和测定。考虑到直剪试验操作简便、应用成本低、检定效率高的优势，为了更好地通过土体强度与稳定性计算准确测定土的相关指标，本文就土工试验中的直剪试验在工程中的应用进行分析。

关键词：土工试验；直剪试验；强度测定

引言：影响土体抗剪强度的因素众多，其中包括土层性质、构成、状态等主要因素。作为重要力学性质指标，为了确保现代建设工程的安全性与承载力，应做好对土体抗剪强度的测定，保证试验结果的准确性与结果生成的时效性。

1直剪试验原理

在土工试验中直剪试验是测定土的抗剪强度指标的最适用方法，不同于其他试验方法，直剪试验的实用性在于其能够测定土样中的固定剪切面抗剪强度，可以有效保证测定结果的准确性。在土工试验中的直剪试验，根据外部荷载加荷方式的不同，还可以进一步分为应变控制式与应变控制式。相关直剪试验仪器的构造也比较简单，一般由连接外荷的固定上盒和滚珠活动的下盒构成，处于上下盒之间的土样可以被透水石阻隔，以保证在排水排气时土粒不被带出。

2不同直剪试验方法及其所适用的实际工程

在实际工程案例的对比和分析中，可以发现，土的抗剪强度指标主要受土体受力排水固结状况影响，因此，根据排水条件和工程类型，可以将直剪试验方法分为以下三类：

2.1直接快剪

直接快剪适用于地基排水能力不佳以及施工加荷较快的工程状况，其中包括地基土厚度大的饱和黏土以及不够稳定的土质斜坡。在应用直接快剪的土工试验方法时，需要在土样填装后，将竖向施加压力，在不对土样进行固结的过程中直接进行剪切。将剪切速率控制在0.8mm/min的同时，快速施加水平方向的剪应力，使土样得到剪切破坏，整个剪切过程可以保持在3-5min。直接快剪试验的最大优势与特点在于剪切的速度足够快，由于地基土剪切速度远远超过排水固结的速度，所以在剪切过程中来不及排水固结。此外，通过直接快剪试验可以得到近饱和甚至饱和状态的下土抗剪指标^[1]。

2.2固结快剪

固结快剪适合无软弱夹层的建筑物地基土层，施工周期长、建设速度慢且已存在固结作用的工程状况。在实际工程应用中，需要在装好土样后，通过使用砝码和杠杆向土样施加竖向荷载，持续时间60min，使土样中的水分、空气在下透水石的作用下尽数排除，待固结完全稳定后，再以0.8mm/min的直接快剪方式快速施工水平方向的剪应力，使试样得到有效的剪切破坏。

2.3固结慢剪

固件慢件试验适合施工时上部荷载加载速率较慢，地基排水条件相对较好且工程周期长，施工速度慢的工程，可以有效地剪切测定透水性强的低塑性土，有效提高在软弱保水土层上的高填土分层填筑控制效果。将这一土工直剪试验应用在工程中，需要先装好试样，借助砝码和杠杆产生的竖向荷载对试样施压，持续约60min，使土样内部的水分和空气通过下透水石尽数排出，待试样固结稳定后，以0.02mm/min以下的低速剪切速率施加水平方向的剪应力，直到试样被有效剪切破坏。土样在剪切速率较慢的状态下，可以保证整个受剪过程能够充分排水、排气。相应地，在进一步被竖向压密的过程中，借助水平方向产生的剪切力，使试样发生体积变形。

3在实际工程中提高直剪试验质量的有效措施

3.1加强对剪切试验影响因素的管控

首先，在实际工程开展中应重点把握剪切试验的应力变化特点。根据土方直剪试验实际要求，确保剪切主应力大小处于恒定状态，使土样在水平推力的作用下被有效剪切破坏，避免产生剪切位移与试样位移，降低试样发生斜剪的概率。

其次，应严格控制剪切速率。正如上文所述，剪切速率除了影响土样的排水固结强度和效果，还会对粘滞阻力产生较大影响。应根据不同工程的实际需要，严格按照各类剪切实验的相关要求，控制剪切速率和直接试验结果，如表1所示。在设置和控制剪切速率的过程中，当剪切变形在4-6mm时，则可将这一时刻的剪应力作为有效破坏值。

表1 不同剪切速率的直剪试验结果

再者，还要全面仔细地分析土样密度与含水率。天然土质的密度越大，整体的抗剪强度就越高，对于粗粒土来说，密度越大，摩擦阻力也就越大；而对于细粒土来说，土样密度越大则表示颗粒之间的距离越小，原始粘聚力。土样的含水率越大，抗剪强度也会降低。

最后，还应结合土质软硬状态和实际工程需要，合理地控制垂直荷重。以非饱和粘性土和饱和粘性土为例，非饱和粘性土一次施加与分次施加的垂直压力对土样试验的最终结果影响较小；而饱和粘性土如果采用一次施加荷重的方式则会挤出试样，因此，应根据工程需要合理控制分级垂直压力，形成由低到高的垂直压力序列，更好地满足不同工程对土的抗剪强度指标的要求。

此外，除了上述加强对上述几点影响因素的合理把控，在具体工程应用中还应从土的蠕变、渗透性、实验温度等条件的分析和控制入手，尽可能地降低其对直剪试验的影响。

3.2掌握直剪试验质量的控制科学办法

为了更好地提高在工程开展中提高土方直剪试验质量，要从保证土体结构的完整性入手，避免其遭受严重破坏，影响试验开展。在进一步分析工程客观情况的过程中，合理设计取土方法，保证相关设备的性能与作用，同时，做好土样的运输，保证室内试验方法的科学性，防止土样被扰动^[2]。

由于土体属于不均匀的状态，在进行制样的过程中也要充分考虑到试样密度、含水量以及其他因素对抗剪强度试验的影响，在制作试样的过程中，应保证土质的均质状态，确保各个试样的含水率与密度处于相对一致。考虑到一般性土体的含水率变化不明显，应重点控制试样密度的差异性，使其密度在0.03g/cm³，以此来保证试验结果的合理性。

此外，还要保证剪切试验操作的规范性，例如应及时将销钉拔掉，避免损坏试验仪器。为了更好地发挥直剪仪器的试验测定精度，相关试验人员还应做好对仪器设备的检修和维护，在每次测定之前进行校正，通过有效减少仪器所带来的误差，提高保证试验的精度水平，全面提高实际工程开展中的试验质量。

结语：综上所述，土体测定试验结果的精确性和操作的效率水平，影响着建筑工程、道路工程以及岩土工程等现代化建设工程的实际开展质量。为了更好地开展相关试验与检定工作，工程试验及研究人员应充分认识到直接剪切试验操作简单、便捷且成本较低的优势。同时，还应在深入研究的基础上，克服缺点，提高应用水平。

参考文献：

[1]王立军,王泽新,刘吉永.水利工程中土体抗剪强度指标的选用[J].人民黄河,2021,43(S1):142-143+145.

[2]张禄乾.细粒含量和饱和度对非饱和土剪切特性影响的试验研究[D].北京交通大学,2020.