李海娜
广东省水利水电科学研究院广东省水动力学应用研究重点实验室广东广州510000
摘要：土的抗剪强度作为土的一个重要力学性质，是水利工程设计中的一个重要参数。本文结合笔者多年试验经验，介绍了试验中剪切速率与剪损标准的选择，探讨了剪切试验常遇到有关土质的特性，对几种剪切试验方法及相关性进行分析，并提出了试验指标的选取及应用。供类似试验分析参考与借鉴。
关键词：土；抗剪强度；剪切速率；剪损标准；试验分析
土的抗剪强度指的是土体抵抗剪切破坏的极限能力，它是评价建筑物安全标准之一。由于土的结构、含水率、组成成分和密实度的差异性，设计者在水利工程设计中应慎重的选择试验的剪切速率与剪损标准。在复杂的工程地质试验成果整理时，单一的试验成果数据不能完成体现出土地性质，试验过程过程中也会有试验数量、取样误差、试验误差等因素的存在。因此，为解决影响土的抗剪强度的因素，通过对抗剪强度试验中的一些问题进行探讨，分析试验方法间的关联性，选取合理的代表性指标，避免由于人为因素选取的方法不适而产生的误差，提供设计计算抗剪强度的准确性，从而提高试验成果质量的科学性。
1试验中剪切速率与剪损标准的选择
1.1直剪试验剪切速率
规范规定以0.8～1.2mm/min的速率剪切,但在实践中可根据土质的情况，选择适当的转速控制剪切速率。
1.2直剪试验剪损标准
用直剪仪快剪和固结快剪，其剪损标准的确定应考虑以下二种情况：剪应力～剪切位移关系曲线上有明显峰值和稳定值；无明显峰值和稳定值时应以剪切位移4mm时的剪应力值来确定抗剪强度。
1.3三轴试验剪损标准
选择破坏强度，是三轴试验资料整理中的重要问题。
破坏强度是从应力应变关系中分析后选取的。土的应力应变关系可归纳为三种曲线。应力曲线1和2有峰值和稳定值，而曲线3则是随应变的增大，剪应力逐渐增加。有峰盾和稳定值易确定破坏强度，曲线3就比较难于选定破坏点，因此目前对于曲线3这种曲线可用如下三种方法来确定破坏点。
图1应力-应变关系曲线
(1)以15%应变时的主应力差作为破坏值，其破坏条件是：
(2)采用最大有效主应力比作为破坏值，也能正确反映强度特性。值得提出的是，较软的粘质土，在较大的应变范围内，孔隙水压力会随着主应力差的渐增而等比例的增加，因而有效主应力比不一定会出现峰值，也不易能准确选定破坏点。
(3)应用有效应力路径，来选择破坏点。
试验表明主应力达到一定值后，呈现塑流，这时Δ(σ1－σ3)＝0，Δμ=0，反映路径曲线上有密集点。
高灵敏的饱和粘土，由于剪胀效应的影响，主应力差的增量在一定程度下趋于零，孔隙水压力继续增加，反映在有效应力路径上有一曲线和水平线相交的转折点。
超固结饱和粘土，试样在剪切过程中先剪缩，后剪胀，反映在有效应力路径上有以拐点，该点之后，有效应力路径沿破坏线上升。
2剪切试验常遇到有关土质的特性
2.1重塑土和天然状态下的原状土
密度大的土，一般是出现最大剪应力值，但在最后接近剪损时出现的值略低。
密度小的土，一般不容易出现最大剪应力值，随着剪切位移的增加，剪应力不断提高，但不出现峰值。
2.2坝体填筑土(粘性土)
从坝体填筑土的应力应变关系，剪切位移与剪应力的关系中反映出：峰值不明显，剪应力不规律，剪切破坏标准很难选取，一般最后只能采用位移4mm时的剪应力代替该土的强度。
坝体填筑土的密实度离散性较大往往出现土质软硬不均，含水量有大有小，局部有水平层理，透水性变化大。
2.3粉土
一般粉土颗粒级配较均匀，不均匀系数、曲率系数都不很大，但其试验指标和性质完全不同于粘性土，也不完全和砂土一样，介于二者之间。粉土的特点是一经轻微震动，土的结构会发生明显变化，水分迅速排除，孔隙体积减少，当土体变形时，土体表面水分立刻消失在剪切过程中，颗粒移动，孔隙增大，会出现剪涨现象，在外力的作用下变形敏感，一般采用的剪切速率要快一些。
粉土抗剪强度的变化与位移关系是良好的，能反映土破裂后的抗剪强度，有峰值出现，一般最大剪应力在剪切位移2mm左右时发生。
2.4风化砂土
风化砂土是一种不稳定性土，常常是按室内颗粒分析试验成果来定名，一般都定名粗砾土。其特点为：
剪切时，低荷重50—200kPa下出现的峰值较多，200—400kPa下基本没有明显峰值，剪损标准一般按两种情况确定，即峰值和4mm剪切位移时的剪应力。
风化砂土在自然状态下测得的强度分量和饱和状态下测得的强度分量差值不大，最大相差5°。容重相差0.1—0.05g/cm3时，测得强度最大相差5°左右。
2.5软粘土
软粘土一般属沉积土，其含水量可达40%左右，干容重在1.1g/cm3以下，天然孔隙比1.5左右压缩系数大，αv=1.0MPa-1左右，有机含量高，在15%左右。
在固结和剪切过程中不应被挤出，且在低荷重下剪切和固结。应测定前期固结压力，快剪时，应预压一定荷重。软土剪切位移2mm和4mm所得的强度分量相差不大，有峰值和稳定性。
3几种剪切试验方法及相关性
3.1慢剪和快剪
采用直剪仪做慢剪试验，要求试样在法向应力作用下达到固结，试样收到水平力作用发生剪切时，试样孔隙水分得以充分排出。
在进行慢剪试验时，关键问题是剪切速率的选择。剪切速率选择适当，效果就好。自然界土体是千差万别的，有透水性较好的，有透水性较差的，还有介于二者之间的，土体受到法向应力作用时，土自身的孔隙压力变化速度与土的渗透性能的关系是十分密切的。试验中应根据不同的土类，采用不同的剪切速率，才能使剪应力达到和接近有效应力。
我们在比较试验中，采用如下的剪切速率：
粘土、粉质粘土为15—20min/n,剪切位移为0.013—0.01mm/min。壤土为10—15min/n,剪切位移为0.013—0.02mm/min。
在施加较小的法向应力做慢剪时，粘土和壤土的剪切速率可控制在4min/n，剪切位移为0.02mm/min。
3.2剪切历时和剪损标准
剪切时应绘制剪应力和剪切历时关系曲线、剪应力和剪切位移关系曲线，根据二者关系确定剪损标准。
控制相同条件下，随法向应力作用的增大，试样出现的剪应力峰值也越来越不明显。土的强度分量，随着土样受剪历时的增加而变化。这主要是试样受剪时，孔隙压力随剪切历时的增加而不断消散，使得剪应力不断增加，同时剪切面孔隙水压力消散也迅速。
3.3慢剪与快剪的强度分量比较
由此可见试验方法不同，其结果有较大差距。快剪时不允许试样中孔隙水排除，其强度分量中的凝聚力则大于慢剪时的凝聚力，这主要是由于粘土矿物与孔隙水发生物理化学作用的结果。
3.4直剪试验的慢剪法与三轴剪试验指标的比较
从理论上讲，直剪的慢剪法试验与三轴试验是有差别的，但除应力变化不能改变外，其他因素还是可以模拟的，尽量保证两种仪器在一定条件下做试验。如试验方法、饱和时间、固结时间、控制同一参数等。
两种试验仪器实验成果比较表如下：
表1两种实验仪器成果比较表
从表1中可以看出，应变式直剪仪做慢剪试验得出的强度分量与三轴仪固结不排水测孔压所得到的强度分量结果相差不大，这说明用应变式直剪仪做慢剪试验，当土体处于固结稳定、土内孔隙水能较充分的排除、孔隙压力得以消散时，试验结果是趋于土的有效强度的，因此，可用直剪仪测慢剪强度以代替有效强度指标。
4试验指标的选取及应用
土工试验强度分量的选取很重要，需要根据工程的不同情况，工程的不同时期等认真分析选取。如施工期，其强度计算均用有效应力法，可用下式表示：
在有些工程中，土体是在几乎完全不排水条件下剪破的，这就可以用不排水试验来模拟实际情况，并利用测得的总强度指标Cu和Φu来确定土的强度。可用下式表示：
如检查土坝的填筑质量，就要模拟实际情况，先固结，然后再剪切。测的总强度指标CcuΦcu以及土体剪切前的固结压力σ′后即可。
用下式来计算土的强度：
式中σ′为剪切前的固结压力。
按上式确定强度方法也属总应力法，因为Ccu和Φcu中反映了孔隙压力的作用。
无论室内用什么方法确定的强度指标，均应在施工中通过现场监测进行验证，为修改设计提供充分依据。
5结语
综上所述，土的抗剪强度试验分析是一项技术性较强的综合性工程，影响土的抗剪强度试验的因素有很多，包括试验数量、取样误差、试验误差等。因此，在试验过程中，应严格按照有关规定操作，不断积累经验，消除主要影响因素，确保试验结果的可靠性。
参考文献
[1]王甲春；许金鼓；夏丹丹，固化软土的抗剪强度测试与分析[J]低温建筑技术，2011.01
[2]王淑侠，粉土物理性质及抗剪强度试验分析[J]今日科苑，2010.10