土質(zhì)抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)操作流程詳解土質(zhì)抗剪強(qiáng)度是土力學(xué)中的核心概念之一，它直接關(guān)系到地基承載力、邊坡穩(wěn)定性、擋土結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)與安全。準(zhǔn)確測定土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)（黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ），對于工程實(shí)踐具有至關(guān)重要的指導(dǎo)意義。本文將詳細(xì)闡述室內(nèi)測定土質(zhì)抗剪強(qiáng)度的兩種主要試驗(yàn)方法——直接剪切試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)的操作流程，旨在為相關(guān)試驗(yàn)人員提供一份專業(yè)、嚴(yán)謹(jǐn)且實(shí)用的操作指南。一、直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)因其操作簡便、設(shè)備相對簡單而在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。其基本原理是將土樣置于上、下剪切盒之間，通過施加垂直壓力和水平剪切力，使土樣沿預(yù)定的水平剪切面發(fā)生剪切破壞，從而測定土樣的抗剪強(qiáng)度。（一）試驗(yàn)前準(zhǔn)備1.試樣制備：*原狀土樣：對于原狀土，需從土樣筒中小心取出，根據(jù)試驗(yàn)要求的尺寸（通常為直徑61.8mm或50mm，高度20mm左右的圓柱體或立方體），使用環(huán)刀或?qū)Ｓ们型凉ぞ哌M(jìn)行制備。制備過程中應(yīng)避免擾動土樣結(jié)構(gòu)，確保試樣表面平整，上下端面平行。若土樣含有較大顆?；蛞姿榱?，操作更應(yīng)輕柔。*擾動土樣：對于擾動土，需按照預(yù)定的干密度和含水率進(jìn)行拌和、擊實(shí)或靜壓成型。擊實(shí)法應(yīng)注意分層擊實(shí)，保證密度均勻；靜壓法則需控制好壓力和時間，確保試樣達(dá)到要求的密實(shí)度。*每組試驗(yàn)通常需制備3-4個相同的試樣，以施加不同的垂直壓力進(jìn)行試驗(yàn)。2.儀器檢查與調(diào)試：*直接剪切儀：根據(jù)試驗(yàn)控制方式，分為應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式。目前應(yīng)變控制式更為常用。*檢查儀器的剪切盒是否清潔，各部件連接是否緊固，滾珠是否靈活，垂直加載系統(tǒng)和水平驅(qū)動系統(tǒng)是否正常工作。*檢查測力計(jì)（如量力環(huán)）、位移計(jì)（百分表或傳感器）是否在校驗(yàn)有效期內(nèi)，靈敏度是否滿足要求。*對于應(yīng)變控制式直剪儀，需設(shè)定合適的剪切速率。對于黏性土，剪切速率宜慢，通常為0.02-0.06mm/min；對于砂土，剪切速率可稍快，通常為0.06-0.2mm/min。3.其他準(zhǔn)備：準(zhǔn)備好濾紙、透水石（如需排水）、凡士林（用于涂抹剪切盒內(nèi)壁以減小摩擦）、天平等輔助工具和記錄表格。（二）試驗(yàn)操作步驟1.安裝試樣：*將下剪切盒固定在儀器底座上，在盒內(nèi)放置一塊透水石（如需排水剪切），透水石上放置一張濾紙。*將制備好的土樣小心放入下剪切盒內(nèi)，確保試樣中心對準(zhǔn)剪切面。若試樣高度略高，可用削土刀輕輕削平。*在土樣頂部放置一張濾紙，再放上一塊透水石（如需排水）和加壓蓋板。*將上剪切盒套在下剪切盒上，并插入固定銷，使上、下剪切盒暫時固定在一起，保證試樣在垂直壓力施加過程中不發(fā)生錯動。*若進(jìn)行不排水剪切，可不放置透水石，直接放置不透水板或僅放置濾紙。2.施加垂直荷載：*轉(zhuǎn)動垂直加載手輪或啟動液壓系統(tǒng)，使加壓蓋板與上剪切盒接觸，注意避免產(chǎn)生初始沖擊荷載。*根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，施加預(yù)定的垂直壓力。對于常規(guī)直剪試驗(yàn)，垂直壓力通常選取100kPa、200kPa、300kPa、400kPa等檔次（可根據(jù)土的軟硬程度調(diào)整）。施加荷載后，應(yīng)保持荷載穩(wěn)定。*排水剪（慢剪）：對于黏性土的排水剪試驗(yàn)，施加垂直壓力后，需等待土樣充分排水固結(jié)?？赏ㄟ^觀察垂直位移計(jì)讀數(shù)，當(dāng)讀數(shù)在一定時間內(nèi)（如1小時）不再變化或變化量極小時，認(rèn)為固結(jié)完成。*固結(jié)快剪：施加垂直壓力，待土樣固結(jié)完成（判斷標(biāo)準(zhǔn)同排水剪）后，再進(jìn)行快速剪切。*快剪：施加垂直壓力后，立即進(jìn)行剪切，不允許土樣排水固結(jié)。3.進(jìn)行剪切：*確認(rèn)垂直荷載穩(wěn)定后，安裝水平位移計(jì)和測力計(jì)，連接好相關(guān)線路（對于自動化儀器）。*小心拔出上、下剪切盒之間的固定銷。*啟動水平驅(qū)動系統(tǒng)，按照設(shè)定的剪切速率對土樣進(jìn)行剪切。*在剪切過程中，應(yīng)密切觀察測力計(jì)和位移計(jì)的讀數(shù)變化，并按一定時間間隔（或位移間隔）記錄數(shù)據(jù)，如水平剪切力、水平位移、垂直位移等。*持續(xù)剪切，直至土樣發(fā)生明顯破壞，即剪切力達(dá)到峰值后開始下降，或剪切位移達(dá)到一定值（如4-6mm，對于砂土或峰值不明顯的土樣）。對于應(yīng)變軟化型土樣，應(yīng)剪切至剪應(yīng)力穩(wěn)定在某一值（殘余強(qiáng)度）。4.試驗(yàn)結(jié)束與整理：*剪切完成后，停止水平驅(qū)動，卸載垂直荷載。*小心取出剪切后的土樣，觀察剪切面形態(tài)，描述破壞特征。若有需要，可測定破壞后土樣的含水率。*清理剪切盒及儀器臺面，為下一個試樣的試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。（三）數(shù)據(jù)記錄與初步整理及時準(zhǔn)確記錄試驗(yàn)過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，包括試樣編號、土類、初始含水率、干密度、垂直壓力、各級水平位移對應(yīng)的剪切力等。每個試樣試驗(yàn)完成后，應(yīng)立即計(jì)算出該垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度τ（τ=剪切力峰值/試樣剪切面積）。二、三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)相較于直接剪切試驗(yàn)，能夠更好地模擬土樣在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的受力情況，其剪切面是土樣的最弱面而非預(yù)定面，因此試驗(yàn)結(jié)果通常更為精確和可靠，是研究土的抗剪強(qiáng)度特性的重要手段。（一）試驗(yàn)前準(zhǔn)備1.試樣制備：*試樣通常制備成圓柱體，常用直徑為39.1mm、50mm或100mm，高度為直徑的2-2.5倍。*原狀土樣的制備需使用專用的取樣器和切土器，確保試樣的完整性和均勻性。擾動土樣則通過擊實(shí)或靜壓法制備。*制備好的試樣需用卡尺精確測量其直徑和高度，并稱量其質(zhì)量，計(jì)算初始密度和含水率。*每組試驗(yàn)同樣需制備3-4個試樣，以施加不同的周圍壓力。2.儀器檢查與調(diào)試：*三軸儀主機(jī)：包括壓力室、軸向加載系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)、孔隙水壓力測量系統(tǒng)（如需）、體積變化測量系統(tǒng)（如需）等。*檢查壓力室的密封性，確保無漏油、漏水現(xiàn)象。檢查軸向加載系統(tǒng)的加載速率控制是否準(zhǔn)確，圍壓系統(tǒng)的壓力控制精度是否滿足要求。*檢查孔隙水壓力傳感器、軸向力傳感器、軸向位移傳感器、體積變化傳感器等是否正常工作，讀數(shù)是否準(zhǔn)確。*根據(jù)試驗(yàn)類型（不固結(jié)不排水剪UU、固結(jié)不排水剪CU、固結(jié)排水剪CD），準(zhǔn)備好相應(yīng)的試驗(yàn)條件和儀器配置。3.試樣飽和與安裝（根據(jù)試驗(yàn)要求）：*試樣飽和：對于需要測定孔隙水壓力或進(jìn)行有效應(yīng)力分析的試驗(yàn)，土樣在試驗(yàn)前需進(jìn)行飽和處理。常用方法有抽氣飽和法、水頭飽和法或反壓力飽和法。反壓力飽和法效率高、效果好，是目前常用的方法。飽和程度可通過測定試樣的B值（孔隙水壓力系數(shù)）來檢驗(yàn)，B值應(yīng)大于0.95。*試樣安裝：1.在三軸儀底座上依次放置透水石（如需排水）、濾紙，將試樣小心放置于其上。2.在試樣外包裹熱縮膜或橡膠膜，膜的兩端用O型圈密封在底座和試樣帽上，確保密封良好，防止圍壓液體滲入試樣。注意避免膜內(nèi)產(chǎn)生氣泡。3.將安裝好試樣的底座放入壓力室罩內(nèi)，連接好軸向加載桿、孔隙水壓力管、排水管（如需）等。4.向壓力室內(nèi)緩慢注入純凈水或硅油作為圍壓介質(zhì)，直至淹沒試樣帽，排除壓力室內(nèi)的氣泡。5.安裝好壓力室頂蓋，連接好圍壓管路。（二）試驗(yàn)操作步驟（以固結(jié)不排水剪CU試驗(yàn)為例）1.施加圍壓：*通過圍壓控制系統(tǒng)，向壓力室內(nèi)施加預(yù)定的周圍壓力σ3。施加圍壓應(yīng)緩慢均勻，避免對試樣產(chǎn)生沖擊。2.固結(jié)階段：*打開排水閥，允許試樣在圍壓作用下排水固結(jié)。*觀察體積變化或孔隙水壓力消散情況。當(dāng)體積變化基本穩(wěn)定（如每小時變化量小于某一微小值）或孔隙水壓力消散度達(dá)到95%以上時，認(rèn)為固結(jié)完成。*記錄固結(jié)過程中的體積變化總量或最終孔隙水壓力值。固結(jié)完成后，關(guān)閉排水閥。3.剪切階段：*啟動軸向加載系統(tǒng)，以設(shè)定的剪切速率對試樣施加軸向壓力（偏差應(yīng)力Δσ=σ1-σ3）。剪切速率根據(jù)試驗(yàn)類型確定：CU試驗(yàn)的剪切速率通常對于黏性土為0.05-0.1mm/min，對于砂土可稍快。*剪切過程中，同步測量并記錄軸向力、軸向位移、孔隙水壓力（CU試驗(yàn)需測）等數(shù)據(jù)。*持續(xù)剪切，直至軸向應(yīng)變達(dá)到15%-20%，或偏差應(yīng)力達(dá)到峰值后明顯下降并趨于穩(wěn)定。4.試驗(yàn)結(jié)束與整理：*剪切完成后，停止軸向加載，緩慢卸除圍壓。*打開壓力室，取出試樣，觀察試樣的破壞形態(tài)（如柱狀、鼓狀、剪切面等），描述并拍照記錄。*測定破壞后試樣的含水率。*清理儀器，為下一個試樣試驗(yàn)做準(zhǔn)備。（三）數(shù)據(jù)記錄與初步整理記錄試樣基本參數(shù)、圍壓、固結(jié)過程數(shù)據(jù)、剪切過程中的軸向應(yīng)變、偏差應(yīng)力、孔隙水壓力等。計(jì)算各級軸向應(yīng)變對應(yīng)的主應(yīng)力差（σ1-σ3）、孔隙水壓力系數(shù)等。對于CU試驗(yàn)，可得到總應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)（ccu,φcu）和有效應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)（c',φ'）。三、試驗(yàn)成果分析與強(qiáng)度參數(shù)確定無論是直剪試驗(yàn)還是三軸試驗(yàn)，單組試驗(yàn)只能得到一個特定應(yīng)力狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度。為了獲得土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c和φ，需要對同一種土的3-4個試樣在不同垂直壓力（直剪）或圍壓（三軸）下進(jìn)行試驗(yàn)，得到若干組（σ,τf）數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)庫侖定律τf=σtanφ+c，以抗剪強(qiáng)度τf為縱坐標(biāo)，法向應(yīng)力σ（直剪試驗(yàn)為垂直壓力，三軸試驗(yàn)為大主應(yīng)力σ1與小主應(yīng)力σ3的平均值，或有效法向應(yīng)力）為橫坐標(biāo)，將試驗(yàn)點(diǎn)繪于坐標(biāo)系中，通過線性回歸方法得到一條最佳擬合直線，該直線的斜率即為內(nèi)摩擦角φ的正切值，截距即為黏聚力c。四、試驗(yàn)注意事項(xiàng)與誤差控制1.試樣代表性與制備質(zhì)量：確保土樣具有代表性，制備過程中盡量減少擾動，保證試樣尺寸準(zhǔn)確、均勻。2.儀器校準(zhǔn)與維護(hù)：定期對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)和維護(hù)，確保儀器性能穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。3.試驗(yàn)條件控制：嚴(yán)格控制剪切速率、排水條件等試驗(yàn)參數(shù)，確保試驗(yàn)條件符合設(shè)計(jì)要求。4.操作規(guī)范性：試驗(yàn)人員應(yīng)熟悉操作規(guī)程，操作過程應(yīng)細(xì)致、耐心，避免因操作不當(dāng)引入誤差。5.數(shù)據(jù)記錄與處理：數(shù)據(jù)記錄應(yīng)及時、準(zhǔn)確、完整