第三节抗剪强度得试验方法一、直接剪切试验适用范围：室内测定土的抗剪强度，是最常用和最简便的方法仪器：直剪仪直剪仪分类：分应变控制式和应力控制式两种应变控制式直剪仪的试验方法简介：通过杠杆对土样施加垂直压力p后，由推动座匀速推进对下盒施加剪应力，使试样沿上下盒水平接触面产生剪切变形，直至剪破。
通常取四个试样，分别在不同σ下进行剪切，求得相应的τf。
绘制τf -σ曲线。
【讨论】直剪试验为何要取四个原状土样？破坏强度τf的判定：较密实的粘土及密砂土的τ-△l曲线具有明显峰值，如图中曲线1，其峰值即为破坏强度τf；对软粘土和松砂，其τ-△l曲线常不出现峰值，如图中曲线2，此时可按以剪切位移相对稳定值b点的剪应力作为抗剪强度τf。
按排水条件分：快剪（不排水剪）固结快剪（固结不排水剪）慢剪（排水剪）1、快剪（不排水剪）这种试验方法要求在剪切过程中土的含水量不变，因此，无论加垂直压力或水平剪力，都必须迅速进行，不让孔隙水排出。
适用范围：加荷速率快，排水条件差，如斜坡的稳定性、厚度很大的饱和粘土地基等。
2、固结快剪（固结不排水剪）试样在垂直压力下排水固结稳定后，迅速施加水平剪力，以保持土样的含水量在剪切前后基本不变。
试用范围：一般建筑物地基的稳定性，施工期间具有一定的固结作用。
3、慢剪（排水剪）土样的上、下两面均为透水石，以利排水，土样在垂直压力作用下，待充分排水固结达稳定后，再缓慢施加水平剪力，使剪力作用也充分排水固结，直至土样破坏。
适用范围：加荷速率慢，排水条件好，施工期长，如透水性较好的低塑性土以及再软弱饱和土层上的高填方分层控制填筑等等。
直剪仪特点：构造简单，试样的制备和安装方便，且操作容易掌握，至今仍被工程单 位广泛采用，。
【讨论】直剪仪的不足：①剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符合实际情况，也即剪切面不一定是试样抗剪能力最弱的面；②试验中不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水压力的变化；③由于上下盒的错动，剪切面上的剪应力分布不均匀，而且受剪切面面积愈来愈小。
④试验时上下盒之间的缝隙中易嵌入砂粒，使试验结果偏大。
***以下为试验过程1、取样要求：用环刀取，环刀面积不小于30cm 2，环刀高度不小于2cm ，同一土样至少切取4个试样。
2、试验方法（1）快剪（q ）：试样在垂直压力施加后立即进行快速剪切，试验全过程都不许有排水现象产生。
（2）固结快剪（cq ）：试样在垂直压力下经过一定程度的排水固结后，再进行快速剪切。
（3）慢剪（s ）：试样在垂直压力排水固结后慢慢的进行剪切，剪切过程中孔隙水可自由排出。
试验结果：一般情况下，快剪所得的ϕ值最小，慢剪所得的ϕ值最大，固结快剪居中。
3、指标计算直接剪切试验的结果用总应力法按库仑公式ϕστtg c f +=，计算抗剪强度指标。
用同一土试样切取不少于四个试样进行不同垂直压力作用下的剪切试验后，用相同的比例尺在坐标纸上绘制抗剪强度f τ与垂直压力P 的相关直线，直线交f τ轴的截距即为土的内聚力c ，直线倾斜角即为土的内摩擦角ϕ，相关直线可用图解法或最小二乘法确定。
4、残余抗剪强度（1）物理意义：土的剪应力～剪应变关系可分为两种类型：一种是曲线平缓上升，没有中间峰值，如松砂；另一种剪应力～剪应变曲线有明显的中间峰值，在超越峰值后，剪应变不断增大，但抗剪强度确下降，如密砂。
在粘性土中，坚硬的、超压密的粘土的剪应力～剪应变曲线常呈现较大峰值，正常压密土或软粘土则不出现峰值，或有很小的峰值。
超过峰值后，当剪应变相当大时，抗剪强度不再变，此时稳定的最小抗剪强度，称为土的残余抗剪强度；而峰值剪应变则称为峰值强度。
残余抗剪强度以下式表达。
r r fr tg c ϕστ+=式中：fr τ：土的残余抗剪强度（Kpa ）r c ：残余内聚力（一般r c ≈0）KPar ϕ：残余内摩擦角（º） σ ：垂直应压力（Kpa ）在进行滑坡的稳定性计算或抗滑计算时，土的抗剪强度的取值，一般需要考虑土的残余抗剪强度。
（2）试验方法一般采用排水反复直接剪切试验，剪切速率应低于0.02mm/min ，取土要求同上。
二、三轴剪切试验1、三轴试验的基本原理三轴剪切试验的原理是在圆柱形试样上施加最大主应力（轴向压力）1σ和最小主应力（周围压力）3σ。
保护其中之一（一般是3σ）不变，改变另一个主应力，使试样中的剪应力逐渐增大，直至达到极限平衡而剪坏，由此求出土的抗剪强度。
2、三轴试验方法（1）快剪（不固结不排水剪）UU试样在完全不排水条件下施加周围压力后，快速增大轴向压力到试样破坏。
控制方法：应变控制式。
（2）固结快剪（固结不排水剪）CU试样先在周围压力下进行固结，然后在不排水条件下快速增大轴向压力到试样破坏。
控制方法：应变控制式。
（3）慢剪（固结排水剪）CD试样先在周围压力下进行固结，然后继续在排水条件下缓慢增大轴向压力到试样破坏。
控制方法：应力控制式。
适用范围：室内测定土的抗剪强度，是最常用和最简便的方法仪器：三轴剪力仪三轴剪力仪分类：应变控制式和应力控制式两种三轴剪力仪组成：主要由压力室、加压系统和量测系统三大部分组成试验原理：先对土样施加周围压力，达到所需的σ3；逐渐施加轴向压力增量△σ，直至试样剪破。
轴向为大主应力方向，试样剪破面方向与大主应力作用平面的夹角为α f：σσσ∆+=31，2450ϕα+=f按试样剪破时的σ1和σ3作极限应力圆，它必与强度包线相切；三轴试验至少需要3～4个土样，分别在不同的周围压力σ3作用下进行剪切，得到3～4个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切线，由此求得抗剪强度指标c、ϕ值。
***三轴试验特点：优点：（1）试验中能严格控制试样排水条件及测定孔隙水压力的变化；（2）剪切面不固定；（3）应力状态比较明确（4）除抗剪强度外，尚能测定其它指标。
缺点：（1）操作复杂；（2）所需试样较多；（3）主应力方向固定不变，而且是再令'32σσ=的轴对称情况下进行的，与实际情况尚不能完全符合 3、试样控制（1）取土要求：试样制备的数量一般不少于4件。
（2）试样尺寸：4、指标计算将同一土样在不同应力条件下所测得的不少于4次的三轴剪切试样结果，分别绘制应3、三轴试验结果的整理和表达总应力法是用剪切面上的总应力来表示土的抗剪强度，即：φστtg f ⋅=+c有效应力法是用剪切面上的有效应力来表示土的抗剪强度，即：c tg f +⋅=φστ或c tg f '+'⋅'=φστ式中：φ，c 或φ'，c '分别为有效内摩擦角和有效内聚力。
饱和土的抗剪强度与土受剪前在法向应力作用下的固结度有关。
而土只有在有效应力作用下才能固结。
有效应力逐渐增加的过程，就是土的抗剪强度逐渐增加的过程。
剪切面上的法向应力与有效应力之间有如下关系：u +'=σσ土的强度主要取决于有效应力大小，故抗剪强度的关系式中应反映有效应力σ'更为合适。
即：c tg u c tg f '+'⋅-='+'⋅'=φσφστ)(总应力法与有效应力法的优缺点：1．总应力法：优点：操作简单，运用方便。
（一般用直剪仪测定） 缺点：不能反映地基土在实际固结情况下的抗剪强度。
2．有效应力法：优点：理论上比较严格，能较好的反映抗剪强度的实质，能检验土体处于不同固结情况下的稳定性。
缺点：孔隙水压力的正确测定比较困难。
例1 进行土得三轴剪切试验，得到下表关系，求与这个土样有效应力相关得黏着力'c ，内摩擦角'φ。
（这个试验是按固结不排水试验进行的） 固结压力（kg/cm 2）侧压力（kg/cm 2）最大应力差（kg/cm 2） 最大应力差时的孔隙水压力（kg/cm 2）1.01.0 0.571 0.4902.0 2.0 1.101 0.9453.03.01.9381.282解：①侧压力3σ＝1.0 Kg/cm 2时'1f σ＝11u -σ＝0.571＋1.0－0.490＝1.081（kg/cm 2）'3f σ＝u -3σ＝1.0－0.49＝0.510 kg/cm 2②侧压力3σ＝2.0 Kg/cm 2时'1f σ＝11u -σ＝1.101＋2.0－0.945＝2.156（kg/cm 2）'3f σ＝u -3σ＝2－0.945＝1.055 kg/cm 2③侧压力3σ＝3.0 kg/cm 2时'1f σ＝11u -σ＝1.938＋3－1.282＝3.656（kg/cm 2）'3f σ＝u -3σ＝3.0－1.282＝1.718 kg/cm 2绘制莫尔应力图求得：0'=c （kg/cm 2）210'=φ例2 在饱和状态正常固结粘土上进行固结不排水的三轴压缩试验，得到如下值，当侧压力3σ＝2.0 kg/cm 2时，破坏时的应力差5.331=-σσ kg/cm 2，孔隙水压力2/2.2cm kg u w =，滑移面的方向和水平面成60º。
求这时滑移面上的法向应力n σ和剪应力τ和'n σ，另外，试验中的最大剪应力及其方向怎样呢？解：根据在破坏时， 3σ＝2.0 kg/cm 2，231/5.50.25.3cm kg =+=+∆=σσσ∵60=α∴求关于总应力的法向应力和剪应力τ 则：ασσσσσ2cos 223131-++=n875.2120cos 2.25.520.25.5=-++=n σ kg/cm 2 516.1120sin 2.25.52sin 231=-=-=ασστ kg/cm 2 有效应力如下：567.02.2875.2'=-=-=w n n u σσ kg/cm 2 另外，最大剪应力发生在和水平面成45º的方向 其大小为：75.12.25.5231max =-=-=σστ kg/cm 2三、无侧限抗压强度试验适用范围： 测定饱和软粘土的不排水强度仪器：应变控制式无侧限压缩仪试验原理：通过转轮对圆柱形试样施加垂直轴向压力，直至土样产生剪切破坏； 作出一个极限应力圆，03=σ，u q =1σ；【讨论】对于饱和软粘土，其强度包线近似于一水平线；ϕu =02uu f q c ==τ 试验特点：①仪器构造简单，操作方便；②可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度。
饱和粘性土的强度与土的结构有关，当土的结构遭受破坏时，其强度会迅速降低，工程上常用灵敏度S t 来反映土的结构受挠动对强度的影响程度。
'u ut q q S =式中 q u ――原状土的无侧限抗压强度，kPa ；q u '――重塑土（指在含水量和密度不变的条件下，使土的天然结构彻底破坏再重新制备的土）的无侧限抗压强度，kPa 。