直剪试验和三轴剪切试验对比分析
土的剪切试验和强度指标
工程常识之土的剪切试验和强度指标1、直接剪切试验在直剪仪中分别施加不同竖向压力，然后分别对施加水平剪切力进行剪切，求得破坏时的剪应力τ，根据库仑定律确定土的抗剪强度参数：内摩擦角ψ和黏聚力c。
试验方法分三种：（1）快剪Q（Quick shear）：在试样上施加垂直压力后，立即加水平剪切力。
在整个试验中，不允许试样的原始含水率有所改变（试样两端敷以隔水纸），即在试验过程中孔隙水压力保持不变（3~5min内剪坏）。
对透水性强的土（渗透系数大于10-6cm/s）不适用。
（2）固结快剪CQ（Consolidation Quick shear）：在垂直压力下土样完全排水固结稳定后，以很快速度施加水平剪力。
在剪切过程中不允许排水（规定在3~5min内剪坏）。
得到的强度指标适用于总应力法。
（3）慢剪S（Slow shear）：在加垂直荷重后，使其充分排水（试样两端敷以滤纸），在土样达到完全固结时，再加水平剪力；每加一次水平剪力后，均需经过一段时间，待土样因剪切引起的孔隙水压力完全消失后，再继续加下一次水平剪力。
得到的强度指标适用于有效应力法。
上述三种试验方法的受力条件不同，所得抗剪强度值也不同。
因此，必须根据土所处的实际应力情况来选择试验方法。
2、三轴剪切试验在三轴仪中，分别在不同的恒定周围压力（即小主应力）下，施加轴向压力（即产生主应力差-），进行剪切直至破坏，然后根据摩尔-库伦理论确定土的抗剪强度参数：内摩擦角ψ和黏聚力c。
试验方法分三种：（1）不固结不排水剪UU（Unconsolidation Undrained）：试样在施加周围压力和随后施加轴向压力力直至剪坏的整个试验过程中都不允许排水，这样从开始加压直至试样剪坏，土中的含水量始终保持不变，孔隙水压力也不可能消散，可以测得总应力抗剪强度指标c u，φu。
（2）固结不排水剪CU（Consolidation Undrained）：试样在施加周围压力时，允许试样充分排水，待固结稳定后，再在不排水的条件下施加轴向压力，直至试样剪切破坏，同时在受剪过程中测定土体的孔隙水压力，可以测得总应力抗剪强度指标c cu，φcu和有效应力抗剪强度指标c’，φ’。
直剪饱和固结快剪与三轴固结不排水剪切试验比较
技术与应 用・ ２ ０ １ ３ 年第 １ 期
直剪饱和固 结快剪与三轴固 结不排水剪切试验比 较
宋效兰
（ 山西 省 水 利 水 电勘 测 设 计研 究 院 ， 山西 太原 ０ ３ ０ ０ ２ ４ ）
［ 摘要 ］ 在水利工程 中，通常采用直剪试 验的饱 和固结快剪和三轴 固结不排水剪切试验测定土的抗剪强度指
的选用提供依据。
２ 直 剪饱 和 固结快 剪试 验
取峰值作为抗剪强度 ； 无峰值时， 以剪切位移 ４ ｍ ｍ对 应 的剪应力作为抗剪强度值。
２ ． ４ 计 算 方 法
直剪饱和 固结快剪试验是对饱和后的试件施加 垂直荷重 ， 让孔隙水压力消散 ， 再施加水平剪力 ， 在３ ～ ５ ｍ ｉ ｎ内将土剪坏 ， 不让含水率发生变化。因孔 隙水压 力不好测定 ， 该试验测出的强度为总应力抗剪强度 。
１ 引言
气压后 ， 继续抽气 ｌ ｈ ， 然后缓慢注入清水 ， 并使真空 度保持稳定。 待饱和架完全淹没后 ， 停止抽气 ， 解除饱 和罐内真空 ， 让试件在饱和罐 内静置 １ ０ ｈ以上 。
２ ． ３ 试 验 方 法
土的抗剪强度是土的一个重要力学性质。 在试验 室 内测定土的抗剪强度的常用方法有直接剪切试验 和三轴压缩试验。 试验任务是测定土 的强度指标 内摩 擦角和凝聚力。这些指标在计算 地基承载力 、 评价地 基和边坡稳定性 以及计算挡墙压力 和基坑支护 中都 是不可缺少的重要参数 。在水利工程 中， 土坝修建完 成后 ， 坝身在 自重压力下完全 固结 ， 通常采用直剪试 验 的饱和 固结快剪或三轴试 验中固结不排水剪切试 验测定土的抗剪强度指标。 这两种试验都是要对试件 进行饱和 ， 然后 施 加 外 力 ， 对 土 样 进行 固结 后 在 不 排 水的情况下进行 的剪切 。 本文取 ４ 组土样分别进行直 剪饱和 固结快剪 、 三轴 固结不排水剪切试 验 ， 并对这 两种方法及测定的总应力抗剪强度进行 比较 ， 为指标
直接快剪与三轴剪切的区别
直接快剪与三轴剪切的区别
直剪试验：用直接剪切仪来测定土的抗剪强度的试验，直剪仪一般分为：应力式和应变式，一般我们国家应用较多的都是应变式的。
根据加荷的速率的快慢将直剪试验划分为：1、快剪，本方法适用于渗透系数小于10的-6次方的细粒土，试验时在施加垂直力以后，拔去固定销钉，立即以0.8mm/min的剪切速度进行剪切，使试样3~5分钟剪破，试样每产生0.2~0.4mm剪切位移时，记录测力计和位移读数，直到出现峰值或者剪切位移达到4mm记录破坏值，试样得的抗剪强度为快剪强度。
2、固结快剪，本方法适用于渗透系数小于10的-6次方的细粒土，试验时在施加垂直力后，每小时读一次变形，直至固结稳定，然后拔去销钉，进行与快剪同样的剪切过程，所得抗剪强度为固结快剪强度。
慢剪：试验时加垂直力后，待固结稳定后，再拔去销钉，以小于0.2mm/min的速度使试样充分在排水条件下剪切，得到的是慢剪强度。
对于三种试验所得结果：粘聚力快剪>固快>慢剪，内摩擦角快剪<固快<慢剪。
三轴试验：直接量测的是试样在不同恒定围压下的抗压强度，然后根据摩尔库伦原理推求土的抗剪强度。
三轴根据固结和排水条件分为：不固结不排水（uu）固结不排水（Cu）固结排水（CD），在进行三种不同方法试验时，都要先使试样在一定的围压下固结稳定，若是UU就是在不排水条件下围压增加一个增量，然后在不允许水进出的条件下逐渐施加轴向力q直至试样破坏；若是CU在允许排水条件
下围压增加一个增量固结稳定，然后再不允许水进出的条件下逐渐施加轴向力直至试样破坏；若是CD在允许排水条件下围压增加一个增量固结稳定，然后在排水条件下逐渐施加轴向力直至试样破坏。
所以固结不固结是相对于围压增量来说的，排水不排水是相对于轴向力来说的。
土工试验直接剪切试验和三轴剪切试验的优缺点和适用范围
土工试验直接剪切试验和三轴剪切试验的优缺点和适用范围摘要：在建筑工程中，土的抗剪强度测试是一项十分重要的工作，土的抗剪强度关系到工程地基的稳定性与工程结构的稳固性。
当前常用的土的抗剪强度测试方法有直接剪切试验以及三轴压缩试验。
本文联系实际，对这两种试验方法的原理、优缺点与适用范围进行分析论述，以供参考。
关键词：土的抗剪强度；直接剪切试验；三轴剪切试验土的抗剪强度指的是土体抵抗剪切破坏的极限能力，抗剪强度是土的一大重要力学性质。
土的的抗剪强度并非固定不变，它是不断变化的，且这一变化具有规律。
研究证明，在土的破裂面上，抗剪强度随法向应力增长。
在测试土的抗剪强度时，要根据土的受力方式以及受力面选择相应的测试方法与仪器，方能保证测试结果科学准确【1】。
下面就土工试验直接剪切试验和三轴剪切试验的优缺点与适用范围做具体分析。
1土的直接剪切试验所谓直接剪切试验，是指直接在某一预定的面上剪切土的试件，在剪切过程中记录、测算这一预定面的抗剪强度与剪应力。
在进行土的直接剪切试验时，最常用的仪器是应变控制式直剪仪。
在试验时，通过该仪器向试样的预定面施加法向应力，等速推动下盒，试样在沿上下盒之间的水平面上受剪切直到被破坏。
试验过程中的剪应力通过与上盒接触的量力环确定。
在试验过程中，随着法向应力的增加会出现剪切位移，且剪切位移与剪应力之间会产生一个关系曲线，借助这一关系曲线了解试样在受剪切破坏时其性能的变化。
当前，直接剪切试验被具体分为不排水剪切试验也称为快剪试验、固结不排水剪切试验也称为固结快剪试验以及慢剪试验等几种。
这三种剪切试验的不同点是剪切时的排水条件、土的固结程度以及剪切加荷速度不同。
通过土的直接剪切试验可知，当剪应力与剪切位移关系曲线中有明显的峰值或是稳定值时，取其作为抗剪强度破坏值，此时试样发生的是脆性破坏。
随着剪切位移发生变化，剪应力不断增长，峰值消失或是峰值不再稳定，此时的剪切强度破坏值一般是取剪切位移为4mm时的剪应力。
三轴剪切试验
桂 林 理 工 大 学
三 轴 压 缩 试 验
SY30-20型应变控制式三轴仪 型应变控制式三轴仪
桂 林 理 工 大 学
三 轴 压 缩 试 验
TSZ-3型应变控制式三轴仪 型应变控制式三轴仪
桂 林 理 工 大 学
三 轴 压 缩 试 验
天平：称量 天平：称量200 g，感量 ，感量0.01 g；称量 ；称量1000 g，感量 ， 0.1 g。 。 橡皮膜：应具有弹性，厚度应小于橡皮膜直径的1 橡皮膜：应具有弹性，厚度应小于橡皮膜直径的 ／100，不得有漏气孔。 ，不得有漏气孔。 其他：橡皮膜，烘箱，秒表，干燥箱，称量盒， 其他：橡皮膜，烘箱，秒表，干燥箱，称量盒， 切土刀。钢丝锯，滤纸，游标卡尺等。 切土刀。钢丝锯，滤纸，游标卡尺等。
二、三轴压缩试验与直剪试验的对比
桂 林 理 工 大 学
三 轴 压 缩 试 验
直接剪切仪的缺点主要有： 直接剪切仪的缺点主要有： 剪切面限定在上下盒之间的平面， ① 剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土 样最薄弱的面剪切破坏； 样最薄弱的面剪切破坏； 剪切面上剪应力分布不均匀， ② 剪切面上剪应力分布不均匀，土样剪切破坏时 先从边缘开始，在边缘发生应力集中现象； 先从边缘开始，在边缘发生应力集中现象； 在剪切过程中， 土样剪切面逐渐缩小， ③ 在剪切过程中， 土样剪切面逐渐缩小，而在 计算抗剪强度时却是按土样的原截面积计算； 计算抗剪强度时却是按土样的原截面积计算； 试验时不能严格控制排水条件， ④ 试验时不能严格控制排水条件，不能量测孔隙 水压力、在进行不排水剪切时， 水压力、在进行不排水剪切时，试件仍有可能排 水，特别对于饱和粘粘性土。 特别对于饱和粘粘性土。 由于土的抗剪强度受排水条件的影响显著。 由于土的抗剪强度受排水条件的影响显著。故试 验结果不够理想。但由于它具有结构简单， 验结果不够理想。但由于它具有结构简单，操作 方使等优点， 方使等优点，故仍为 一般工程广泛采用
不同剪切试验数据差异性比较
不同剪切试验数据差异性比较土作为常用工程材料，其特性的研究有实际的工程意义。
通过土的压缩实验可测定土体的压缩变形与荷载的关系；土的液塑限联合测试实验可计算土的天然稠度及塑性指标；土的抗剪强度是建筑物安全稳定的重要力学性质指标，是研究土的强度特性的重要指标之一。
土的抗剪强度过高或过低都会破坏工程，并带来浪费。
一般在岩土工程勘察中测定土的抗剪强度指标要采用直接剪切或者三轴试验。
但不同要求需选择不同的剪切试验手段，所得的结果也不同。
标签：三轴实验；直接剪切实验；抗剪强度1 常规三轴实验测定天然土体试件在某一固定周围压力下的抗剪强度，是根据摩尔-库仑破坏准则测定土体的强度参数：凝聚力、内摩擦角；三轴压缩试验是测定土样试件在某一固定周围压力下的抗剪强度，后在不同周围压力下根据三个以上试件测抗剪强度，利用摩尔-库仑破坏准则来确定强度参数。
一般地，土体的破坏条件用摩尔-库仑破坏准则较符合实际情况。
即在各向主应力的作用下，土体作用在某一应力上的法向应力与剪应力之比达到某一比值，土体沿该面发生剪切破坏，而与作用的各向主应力的大小无关。
摩尔-库仑破坏准则的表达式为：施加垂直压力通过试样孔隙排出水，增大了固结快剪的试样密度，抗剪强度随试样含水率增大而增大。
垂直静止压力无法排出粉土水分，唯有通过震动及扰动将水液化，因此抗剪强度变化较小。
试样为硬塑时，土骨架结构即使是垂直加压也不能破坏，所以抗剪强度变化较小。
4 直接快剪和三轴不固结不排水剪直接快剪的剪切面是固定，剪切位移的增加使剪切面积相应减小，不均匀分布的剪应力及剪应变，也无法严格控制排水，剪切盒缝隙拓排出部分水分，使试样内摩擦角偏大。
三轴不固结不排水剪切面是不固定的，沿着土样抗剪能力最弱的地方面剪切面破坏，均匀分布剪应力及剪应变，严格控制排水，其结果接近土的实际理论值。
5 不固结不排水剪与固结不排水剪固结不排水剪排水固结过程是三轴方向的，滤纸条的粘贴更是充分地排水固结了土样。
直剪试验和三轴剪切试验对比分析
直剪试验和三轴剪切试验对比分析直剪试验（also known as the shear test）和三轴剪切试验（also known as the triaxial shear test）是土力学领域常用的试验方法，用于确定土壤的剪切强度参数和剪切应力-应变关系。
虽然这两种试验方法都是用于研究土壤的剪切性能，但它们在试验原理、试验设备、试验变量和试验结果方面存在一些不同之处。
下面将针对这些方面进行比较分析。
在试验原理方面，直剪试验是通过施加垂直于土体剪切平面的应力来实现的。
试样以垂直于剪切平面的方向应用剪切力，应变量通常是剪切位移，试验过程直观简单。
而三轴剪切试验则是通过施加三个相互垂直的应力来进行的。
试样在垂直剪切平面上施加垂直于该平面的应力，应变通常位移是沿三个方向的应变量。
这两种试验的原理差异使得它们在不同的试验条件下分析土壤剪切行为提供了不同的途径。
在试验设备方面，直剪试验设备相对简单，通常由剪切装置、变形计和荷载平台组成。
而三轴剪切试验设备则较为复杂，试验框架、油压装置和压力孔等组成。
三轴试验中的油压装置可以提供不同应力状态下的试验条件，更加灵活和全面。
但同时也需要更高的试验设备和成本。
在试验变量方面，直剪试验主要考虑的是土体的剪切强度参数，如极限剪切强度和剪切模量等。
而三轴剪切试验则可以研究土体的剪切强度参数，同时还可以获得土体的应力-应变关系。
三轴剪切试验可以模拟不同应力路径下的剪切行为，更全面地研究土体的力学性质。
在试验结果方面，直剪试验结果比较直观，可以获得土壤的抗剪强度和摩擦角等重要参数。
而三轴剪切试验结果可以获得土壤的强度参数，并可以绘制应力-应变曲线以研究土壤的应变特性。
三轴试验给予的应力状态，用于土体工程力学中的现象和问题更丰富和准确。
综上所述，直剪试验和三轴剪切试验在试验原理、试验设备、试验变量和试验结果等方面存在一定的差异。
选择合适的试验方法取决于所研究的土壤的力学性质以及实际应用的需要。
土的抗剪强度测定方法
土的抗剪强度测定方法土的抗剪强度是指土壤在受到剪切力作用下抵抗剪切破坏的能力。
测定土的抗剪强度可以帮助工程师分析土体的稳定性，为土工工程设计提供依据。
下面将介绍几种常用的土的抗剪强度测定方法。
一、直接剪切试验法直接剪切试验是一种常用的测定土的抗剪强度的方法。
该试验首先将土样制备成规定尺寸的试样，然后在试样上施加相应的剪切应力，通过测量土样的抗剪力和剪应变来计算土的抗剪强度。
直接剪切试验法可以测定土的各个应力状态下的抗剪强度参数，如剪切强度、摩擦角等。
二、扭转剪切试验法扭转剪切试验是一种适用于饱和黏土的抗剪强度测定方法。
该试验使用一个具有刚性表面的圆柱形试样，在试样表面施加剪切应力后进行扭转，通过测量试样的弯矩和旋转角度来计算土的抗剪强度。
扭转剪切试验法适用于较细粒土，可以快速测定土的抗剪特性。
三、动三轴试验法动三轴试验法是一种适用于软土和粘性土的抗剪强度测定方法。
该试验使用一个装有土样的圆柱形试样，在试样上施加一定的压应力并施加一定的剪切应力后，通过测量试样上的应力和应变来计算土的抗剪强度。
动三轴试验法可以测定土的固结特性和抗剪特性，适用于研究土对动应力的响应行为。
四、静力触探法静力触探法是一种快速且经济的测定土的抗剪强度的方法。
该方法利用静力触探仪在地面上进行试验，通过测量钻杆在土中的下沉阻力和侧摩阻力来计算土的抗剪强度。
静力触探法适用于浅层土壤的抗剪强度测定，能够快速获取大量的土壤参数。
以上是几种常用的土的抗剪强度测定方法，每种方法都有其适用范围和优缺点。
在实际工程设计中，可以根据具体情况选择合适的方法进行土的抗剪强度测定，以便更好地评估土的力学性质和工程稳定性。
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直剪试验和三轴剪切试验对比分析
【摘要】土的抗剪强度是指地基土抵抗外荷载破坏的能力。
抗剪强度指标是确定地基土承载力的关键指标，在地基与基础设计及办坡工程设计中至关重要。
土的抗剪强度指标主要是通过室内试验获得。
试验方法主要有直接快剪、固结快剪和固结不排水剪。
本文通过在室内对同一土体进行固结快剪和固结不排水剪试验，探研两种试验方法所得结果的差异。
【关键词】抗剪强度；固结快剪；固结不排水剪
为了确定建筑物地基承载力、预测边坡的稳定性、确定渠道和基抗的坡角等，都需要研究土的抗剪强度。
抗剪强度指标是工程计算中需要的直接计算指标。
土在外力作用下在剪切面单位面积上所能承受的最大剪应力称为土的抗剪强度。
土的抗剪强度是由颗粒间的内摩擦力以及胶结物和水膜的分子引力所产生的粘聚力共同组成。
1. 土的抗剪强度的基本理论
1773年，库仑根据砂土的摩擦试验，砂土的抗剪强度决定于砂土的内摩擦角，即决定于砂土颗粒之间的内摩擦力。
它与压应力成正比。
砂土的抗剪强度曲线为一过原点的直线，可用τf=σtgφ表示。
后来又提出粘性土的抗剪强度表达式为：
τf=c+σtgφ
式中：τ f ——土的抗剪强度，kpa；
σ——作用于剪切面上的法向应力，kpa；
φ——土的内摩擦角，（°）
c——土的粘聚力，kpa。
据库伦定律求土的抗剪强度指标是很简单。
但由于土的抗剪强度受许多因素影响，如试验时的排水条件、试样的受压历史、剪切的速度、仪器的类型和操作方法等，所以c、φ值随着影响因素的不同而异，实际上，它是表示在一定条件下的抗剪强度。
2. 试验方法对比
2.1 固结快剪。
试验仪器采用直接剪刀切仪。
首先将制备好的3～4个高2cm面积30cm2的圆柱形土体分别置于剪切盒内，使其承受一定的竖向压力σ下排水，待固结稳定后快速施加水平剪应力使其剪破，在剪应力施加过程中记录下剪应力的峰值强度，若未出现峰值取剪位移为4mm相对应的剪应力作为它的抗剪强度（一般最大位移为试样直径的1/15～1/10。
对于直径61.8mm的试样，其最大剪切位移为4～6mm，所以规定取剪切位移为4mm对应的剪应力为抗剪强度值。
同时要求试验的剪切位移达6mm）。
2.2 固结不排水剪。
试验仪器采用三轴压缩仪。
首先将3～4个制备好的高8cm面积12cm2的圆柱形土体在周围压力σ3下排水，待固结稳定后，开始剪切，过程中按一定变形量测记测力计、轴向变形和孔隙水压
力，剪切至轴向变形量达15%～20%停止试验。
然后根据三轴压缩试验结果绘制某一σ3下的主应力差(σ 1 ～σ3)与轴向应变的关系曲线，以曲线峰值(σ 1 ～σ3)作为该给定σ3下的极限应力圆的直径。
如果曲线未出现峰值则取轴向应变为15%对应的主应力差为极限应力圆的直径。
根据不同的围压σ 3 下的试验结果确定抗剪强度。
3. 试验结果对比
本次对比试验的土样选自武汉某工程，分别对不同的土性做了对比试验，每种土性选取具代表性土样6个。
粉土试验结果列于表1。
内聚力最小差值1.4，最大差值10.7；内摩擦角最小差值9.4，最大差值11.6。
粉质粘土的试验结果列于表2。
粉质粘土内聚力最小差值1.5，最大差值4.2；内摩擦角最小差值2.1，最大差值11.3。
粘土试验结果列于表3。
粘土内聚力最小差值2.4，最大差值7.4；内摩擦角最小差值3.7，最大差值12.3。
由表3中数据可以看出直前剪固结快剪试验比三轴固结不排水剪试验所得的内聚力偏小1.4～10.7 kn/m 2 （个别数据偏大），其中粉质粘土差异最小，粉土差异最大。
内摩擦角偏小2.1°～
12.3°，其中粉质粘土和粘土差异较小，粉土差异最大。
表4按土类分别列出了两种试验方法所得的抗剪强度参数平均值。
4. 试验结果分析
直接剪切试验的优点：仪器构造简单，操作方便。
直接剪切试验的缺点：剪切过程中，试样内应力分布不均，试样的密度与含水率不易控制，有效剪切面在试验过程中逐渐变小。
而且由于剪切面是预先指定的，在客观上往往与土样的软弱面不合，不是实际的剪切面。
三轴压缩试验与直接剪切试验相比具有以下优点：能控制试样排水条件，受力状态明确，可以控制大小主应力，剪切面不固定，能准确地测定土的孔隙压力及体积变化。
三轴压缩试验缺点：主应力方向固定不变，试验在轴对称情况下进行，这些与工程实际情况有所不同。
不同试验方法所测的试验数据存在一定的差异，这是不争的事实，产生的差异的主要原因是直剪试验排水程度是靠“快”，“慢”来控制的。
所以严格的不排水是难以做到的，特别是对透水性强的土。
同时在试验过程中不能进行孔隙水压力测量，而且试验是在小主应力σ3假定为零的条件下，测定的预定剪切面的抗剪强度与土体的实际应力状态差别较大。
而且直剪试验还存在着试验过程中的试样有效面积逐渐减小，主应力方向变化，剪切面上应力分布不均以及预定剪切面未必是试样最弱面等特点。
而三轴剪切试验正是克服了直接剪切试验的缺点而进行的试验。
所以三轴压缩试验能更好的模拟土体受力情况，其所提供的数据更为准确可靠。
5. 结语
三轴压剪切试验数据准确可靠但周期较长，操作复杂，所需试样较多，而且主应力方向固定不变，是在σ2=σ3的轴对称情况
下进行的，与实际情况尚不能完全符合。
直接剪切试验由于其设备简单，操作方便，掌握试验历时短仍被广泛应用。
所以对于有经验地区的乙、丙级建筑地基中的粘性土可采用固结快剪试验替代固结不排水剪试验，以缩短试验周期，降低成本。
对于新地区或重要建筑应采用三轴试验。
由于影响土的抗剪强度的因素（如剪切应变速率、橡皮膜对试验的影响等）很多，本文未对两种试验方法的具体相关性做出准确的结论，以后还需继续进行分析总结。
参考文献
［1］南京大学水文地质工程地质教研室编：《工程地质学》，地质出版社，1982.
［2］《工程地质手册》编委会：《工程地质手册》（第四版），中国建筑工业出版社，2007.
［3］南京水利科学研究院土工研究所编著：《土工试验技术手册》，人民交通出版社，2003.
［4］铁道部第一勘测设计院编：《工程地质试验手册》（修订版），中国铁道出版社，1995.。