粘土的直接剪切試驗方法有哪些

① 試比較直剪試驗三種方法和三軸壓縮試驗三種方法的異同點和適用性。

目前，室內測定土的抗剪強度指標的常用手段一般是三軸壓縮試驗與直接剪切試驗，在試驗方法上按照排水條件又各自分為不固結不排水剪、固結不排水剪、固結排水剪與快剪、固結快剪、慢剪三種方法。但直剪試驗方法中的“快”和“慢”，並不是考慮剪切速率對土的抗剪強度的影響，而是因為直剪儀不能嚴格控制排水條件，只好通過控制剪切速率的快、慢來近似模擬土樣的排水條件。由於試驗時的排水條件是影響粘性土抗剪強度的最主要因素，而三軸儀能嚴格控制排水條件，並能通過量測試樣的孔隙水壓力來求得土的有效應力強度指標。如有可能，宜盡量採用三軸試驗方法來測定粘性土的抗剪強度指標。
各種試驗方法的實用性：
抗剪強度指標的取值恰當與否，對建築物的工程造價乃至安全使用都有很大的影響，因此，在實際工程中，正確測定並合理取用土的抗剪強度指標是非常重要的。
對於具體的工程問題，如何合理確定土的抗剪強度指標取決於工程問題的性質。一般認為，地基的長期穩定性或長期承載力問題，宜採用三軸固結不排水試驗確定的有效應力強度指標，以有效應力法進行分析；而飽和軟粘土地基的短期穩定性或短期承載力問題，宜採用三軸不固結不排水試驗的強度指標，以總應力法進行分析。
對於一般工程問題，如果對實際工程土體中的孔隙水壓力的估計把握不大或缺乏這方面的數據，則可採用總應力強度指標以總應力法進行分析，分析時所需的總應力強度指標，應根據實際工程的具體情況，選擇與現場土體受剪時的固結和排水條件最接近的試驗方法進行測定。例如，若建築物施工速度較快，而地基土土層較厚、透水性低且排水條件不良時，可採用三軸不固結不排水試驗(或直剪儀快剪試驗)的結果；如果施工速度較慢，地基土土層較薄、透水性較大且排水條件良好時，可採用三軸固結排水試驗(或直剪儀慢剪試驗)的結果；如果介於以上兩種情況之間，可採用三軸固結不排水試驗(或直剪儀固結快剪)的結果。
由於三軸試驗和直剪試驗各自的三種試驗方法，都只能考慮三種特定的固結情況，但實際工程的地基所處的環境比較復雜，而且在建築物的施工和使用過程中都要經歷不同的固結狀態，要想在室內完全真實地模擬實際工程條件是困難的。所以，在根據實驗資料確定抗剪強度指標的取值時，還應結合工程經驗。

② 直接剪切試驗的剪切實驗

（1）本試驗方法適用於細粒土。
（2）本試驗所用的主要儀器設備，應符合下列規定：
① 應變控制式直剪儀：由剪切盒、垂直加壓設備、剪切傳動裝置、測力計、位移量測系統組成。
② 環刀：內徑61.8mm，高度20mm。
③ 位移量測設備：量程為10mm，分度值為0.01mm的百分表或准確度為全量程0.2 %的感測器。
(3) 慢剪試驗，應按下列步驟進行:
①原狀土試樣制備，應按「試樣制備」第4條的步驟進行，擾動±試樣制備按「試樣制備」第6條的步驟進行，每組試樣不得少於4 個。
②對准剪切容器上下盒，插入固定銷，在下盒內放透水板和濾紙，將帶有試樣的環刀刃口向上，對准剪切盒口，在試樣上放濾紙和透水板，將試樣小心地推入剪切盒內。
註：透水板和濾紙的濕度接近試樣的濕度。
③移動傳動裝置，使上盒前端鋼珠剛好與測力計接觸，依次放上傳壓板、加壓框架，安裝垂直位移和水平位移量測裝置，並調至零位或測記初讀數。
④根據工程實際和土的軟硬程度施加各級垂直壓力，對松軟試樣垂直壓力應分級施加，以防土樣擠出。施加壓力後，向盒內注水，當試樣為非飽和試樣時，應在加壓板周圍包以濕棉紗。
⑤施加垂直壓力後，每1h測讀垂直變形一次。直至試樣固結變形穩定。變形穩定標准為每小時不大於0.005mm。
⑥拔去固定銷，以小於 0.02mm/min 的剪切速度進行剪切，試樣每產生剪切位移0.2～0.4mm測記測力計和位移讀數，直至測力計讀數出現峰值，應繼續剪切至剪切位移為4mm時停機，記下破壞值,當剪切過程中測力計讀數無峰值時，應剪切至剪切位移為6mm時停機。
⑦當需要估算試樣的剪切破壞時間，可按下式計算：
tf=50t50
式中： tf—— 達到破壞所經歷的時間(min)
t50—— 固結度達50%所需的時間(min)
⑧剪切結束，吸去盒內積水，退去剪切力和垂直壓力，移動加壓框架，取出試樣，測定試樣含水率。
(4) 剪應力應按下式計算：
式中 —— 試樣所受的剪應力(kPa)
R —— 測力計量表讀數(0.01mm)
(5) 以剪應力為縱坐標，剪切位移為橫坐標，繪制剪應力與剪切位移關系曲線 ，取曲線上剪應力的峰值為抗剪強度，無峰值時，取剪切位移4mm所對應的剪應力為抗剪強度。
(6) 以抗剪強度為縱坐標，垂直壓力為橫坐標,繪制抗剪強度與垂直壓力關系曲線，直線的傾角為摩擦角，直線在縱坐標上的截距為粘聚力。 砂類土的直剪試驗：
(1) 本試驗方法適用於砂類土。
（2） 本試驗所用的主要儀器設備，應與本標准第2條相同。
（3） 砂類土的直剪試驗，應接下列步驟進行：
①取過2mm篩的風干砂樣1200g，按「試樣制備」第5條的步驟制備砂樣。
②根據要求的試樣干密度和試樣體積稱取每個試樣所需的風干砂樣質量，准確至0.1g。
③對准剪切容器上下盒,插入固定銷，放干透水板和干濾紙。將砂樣倒入剪切容器內，拂平表面，放上硬木塊輕輕敲打，使試樣達到預定的干密度，取出硬木塊，拂平砂面。依次放上干濾紙、干透水板和傳壓板。
④安裝垂直加壓框架，施加垂直壓力，試樣的剪切速度為0.8mm/min，使試樣在3～5min內剪損

③ 為什麼直剪試驗要分三種實驗方式

為了近似地模擬實際工程現場土體的剪切條件，即按剪切前的固結程度，剪切時的排水條件以及加荷快慢情況，把直接試驗分為快剪、固結快剪和慢剪三種試驗方法。

快剪試驗方法是用來模擬現場土體的土層較厚，滲透性較小，施工速度較快，基本上來不及固結就迅速載入而剪破的情況。

固結快剪試驗方法，是用來模擬現場土體在自重和正常荷載作用下已達到完全固結狀態，以後又遇到突然施加荷載或因土層較薄，滲透較小，施工速度較快的情況。

慢剪試驗方法是模擬現場土體已充分固結才開始逐步緩慢地承受荷載的情況，一般工程的正常施工進度都不符合這樣的條件。

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直剪試驗基本原理：

土的抗剪強度是土在外力作用下，其一部分土體對於另一部分土體滑動時所具有的抵抗剪切的極限強度。該試驗是將同一種土的幾個試樣分別在不同的垂直壓力作用下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力，得到破壞時的剪應力，然後根據庫侖定律，確定土的抗剪強度指標：內摩擦角和凝聚力。