土力学试验指导书之-直剪试验

试验项目三

直剪试验

试验目的：

测定土样在不同正压力下的抗剪强度指标——内摩擦角和粘聚力，为估算地基承载力、评价地基及土坡的稳定性、计算挡土墙土压力等提供必需的资料。

试验方法：

通常采用4个试样，分别在不同的垂直压力p下，施加水平剪切力进行剪切，测得剪切破坏时的剪应力τ。然后根据库仑定律确定土的抗剪强度指标：内摩擦角φ和粘聚力c。

根据试验时的剪切速率和排水条件不同，直接剪切试验可分为：快剪、固结快剪和慢剪三种方法。试验方法的选择，原则上应该尽量模拟工程的实际情况，如施工情况，土层排水条件等(学生试验一般采用快剪方法)。

试验指导书：

直接剪切试验

一、目的

1、掌握应变控制式直剪仪快剪的操作方法；

2、测定土样在不同正压力下的抗剪强度并确定土的内摩擦角和内聚力；

3、巩固抗剪强度的理论概念。

二、试验原理

当地基上施加外荷载后，如取出一单元体来分析时，在单元体任意角度a的平面上（主应力面除外），如图7-1上m－n平面，作用着法向

应力σn和剪应力τn,而剪应力有使m-n面以上土体向

左滑动的趋势。因此，土颗粒之间的阻力便要阻止

它滑动，这阻力称为抗剪强度τf。

因此，剪应力τn和抗剪强度τf在不同的荷载作

用下有可能出现下列三种情况：

⑴当荷载较小时，τn<τf，土体尚处于弹性压缩阶

段，土体内尚未形成剪切滑动面；

⑵当荷载继续增加，使τn＝τf，这时土体内已开

始形成剪切滑动面；但尚未滑动而是处于极限平衡

状态。从理论上说只要外载稍有增加，土体内某面

m-n上便开始剪切滑动。

⑶如荷载继续加大，使τn>τf，这时剪应力超过

土的抗剪强度（实际这是不可能的，因当τn>τf时土

中应力将重分配），直至在土体内某一面上的剪应力

大于抗剪强度时，便形成了剪切滑动面，使土体沿滑动面滑动。

而在工程上所关心的是土体在什么情况下处于极限平衡状态，如何求得土的抗剪强度。

剪切试验便是解决这个问题，可在同一种土样上施加不同的法向力，进行剪切，将剪切

破坏时的剪应力作为土的抗剪强度。按照库伦定律，剪应力与法向应力近似成线性关系。因此可根据不同的法向应力和相应的抗剪强度得τf～σn曲线。同时该曲线可用直线来代替，在直线上任意一点的纵坐标表示在土体内某一个平面处于极限平衡状态时土的抗剪强度。

三、主要仪器设备

应变控制式直剪仪——1（图7-2）砝码若干；

测微表（量程10mm，精度0.01mm）——1；秒表——1；

切土环刀——1；切土刀——1；

铝盒——2；推土塞——1；

方玻璃——2；腊纸——2；

螺丝起子——1。

四、试验步骤：

1、取下加压框架，了解剪刀盒的构造。剪刀盒分上、下盒，下盒放在钢珠滑槽上，下盒中有一内圈，中间圆孔直径与上盒孔径相同，土样放在中间。上盒侧面有传压块及钢珠，使其顶在测力环上。剪切前为了固定上下盒，用固定插销销住。

2、将下盒内圈对准放入下盒。在下盒内圈孔中放一透水石并在上面放一张腊纸，防止水分散失（如排水剪时放滤纸）。套上土盒，并插入固定插销，使上、下盒暂时不能相对位移。

3、将切有土样的环刀刃口向上，反放在土盒上（切土方法同前，切好的土要测定容重），并使环刀顶边嵌入上盒顶面的浅槽中对准孔位。在环刀上面的土面上，放一张腊纸后，用推土塞将试样轻轻地压入剪切盒中，并依次放上透水石，活塞和传力钢珠。

4、在测力环中装上测微表。

5、调整垂直压力加压系统，它由加压框架、加压杠杆（杠杆比为1：10）和砝码组成（有时为了知道垂直压力下的压缩和剪切时的垂直变形，在框架顶上装有测微表，本次实验不要求）。试验前检查一下框架上下螺丝帽是否上紧、加压杠杆滑动是否正常。而后将加压框架上横梁的中间圆孔对准钢珠放下（装加压框架时，需先将杠杆抬高），这时杠杆尾端必须挂在钩上。

图7－4 抗剪强度与垂直压力的关系曲线

6、加垂直压力：本试验每组试样4个，分别加垂直压力为1.0公斤/厘米2

（把杠杆系统从钩上取下，它们的自重相当于在试样上加的压力为0.5公斤/厘米2，再加上1.608公斤小砝码一个）、1.5公斤/厘米 2 （杠杆系统和3.21公斤大砝码一个）、2.0公斤/厘米 2 （杠杆系统、 1.608公斤大砝码一个和3.21公斤大砝码一个）和2.5公斤/厘米2(杠杆系统、3.21公斤大砝码二个)。

7、如推轴离下盒的距离较大时，可拔出推轴插销（见图7-3）并旋转推轴，使其靠近下盒，再插回插销，并缓缓转手轮，使推轴与剪切盒及测力环正好接触，但尚未加力（可由测微表指针微动得知）。而后拔去上、下盒固定插．．．．．．．．．销．

（切勿忘记），这时，试样已安装完毕。将杠杆尾从钩子上放下（即加上垂直压力），立即进行剪切。

8、在转动手轮的同时，开动秒表并以每分钟6转的速度均匀地摇转手轮进行剪切试验，每转一圈应读数一次（负责剪切者在手轮旋转3/4圈时应预告读数者准备读数）。一般在3～5分钟内测微表读数已不再增加甚至减少时，土样已被剪坏，但读数还需继续读3～5次后便可停止这一试样的试验。

9、卸除垂直荷载，取出试样，并在剪切面附近切取约30～40克土样，分装在三个小铝盒中，以测定试验后的含水量（本次实验不要求），而后重复第2步～第9步，对其余3个试样进行试验。试验完毕后，拆除测微表，并除去剪切盒内和仪器上的余土，然后将仪器装置复原。

五、计算与绘图

1、计算各个试样得抗剪强度

τf ＝AR

式中 A ——测力计率定系数（N/0.01mm ），已由

实验室事先对测力环进行校正后求得；

R ——测微表读数，以0.01mm 计。本试验取峰值。

2、以垂直压力为横坐标，抗剪强度τf 为纵坐标，绘制τf ～σn 关系曲线，从图上求得粘聚力和内摩擦角，如图7－4所示。