一、实验目的
- 掌握土的直接剪切试验的基本原理和操作方法
- 测定土的抗剪强度指标（粘聚力c和内摩擦角φ）
- 了解土的抗剪强度特性及其在工程中的重要性
- 绘制剪应力与剪切位移关系曲线及抗剪强度包线
二、实验原理
土的剪切试验是测定土的抗剪强度指标的重要方法，直接剪切试验是最常用的一种剪切试验方法。
2.1 库仑定律
τ_f = c + σ_n tanφ
式中：
- τ_f — 土的抗剪强度(kPa)
- c — 土的粘聚力(kPa)
- σ_n — 法向应力(kPa)
- φ — 土的内摩擦角(°)
2.2 直接剪切试验原理
直接剪切试验是在预定的剪切面上，对土样施加法向压力，然后施加水平剪切力，使土样沿预定剪切面发生剪切破坏。通过对同一种土的几个试样分别施加不同的法向压力，测定破坏时的剪应力，然后根据库仑定律确定土的抗剪强度指标c和φ。
直接剪切试验按排水条件可分为三种：
- 快剪（不排水剪）：在施加法向压力和剪切过程中都不允许土样排水
- 固结快剪：先让土样在法向压力下充分固结，然后在不排水条件下进行剪切
- 慢剪（排水剪）：在施加法向压力和剪切过程中都允许土样充分排水
图1：直接剪切试验原理图及抗剪强度包线
三、实验设备
图1：土的剪切试验常用设备
- 应变控制式直剪仪：包括剪切盒、垂直加荷装置、水平推动装置、量力环等
- 环刀：面积30cm²或50cm²，高度20mm
- 切土器：包括环刀、导筒、推土器等
- 天平和砝码：感量0.1g
- 百分表或位移传感器：量程10mm，精度0.01mm
- 测力计：量力环（根据试验土类选择合适的量力环系数）
- 秒表、滤纸、钢丝锯、修土刀、凡士林等
- 干燥器、铝盒、烘箱
图2：直剪仪设备示意图
四、实验步骤
图2：直接剪切试验装置
4.1 土样制备
- 取具有代表性的扰动土样500g，放入蒸发皿中
- 根据土样的天然含水率，适当加水或晾干，使土样达到与天然含水率相近的状态
- 将土样充分拌和均匀，密封放置24小时，使水分均匀分布
- 在切土器中制备4个相同的土样，用环刀（面积30cm²或50cm²）切取
- 测量环刀内径、高度，计算环刀容积
- 称量环刀和土样的总质量，计算土的密度
图3：三轴压缩试验设备
4.2 直接剪切试验操作（以快剪为例）
- 将剪切盒分为上盒和下盒，在下盒内放置一张滤纸
- 将制备好的土样（带环刀）放入剪切盒中，去除环刀
- 在土样上放置一张滤纸和透水石
- 安装垂直加荷装置，调整垂直变形百分表
- 安装水平推动装置和量力环百分表
- 施加垂直压力（通常采用四级压力：100、200、300、400kPa）
- 立即以每分钟0.8mm的剪切速率进行剪切（快剪不允许排水）
- 在剪切过程中，记录量力环百分表读数和剪切位移，初始阶段可记录频繁些（如每0.1mm记录一次），后期可减少记录次数
- 当剪切位移达到4mm或量力环读数达到峰值后稳定或下降时，停止剪切
- 依次对其他三个土样施加不同的垂直压力，重复步骤2-9
- 试验结束后，拆除设备，取出土样，测定试验后的含水率
五、数据记录与处理
5.1 基本数据记录
| 基本数据 | |||
|---|---|---|---|
| 土样编号 | 环刀面积A(cm²) | 量力环系数K(kPa/0.01mm) | 含水率w(%) |
| 1 | -- | -- | -- |
| 2 | -- | -- | -- |
| 3 | -- | -- | -- |
| 4 | -- | -- | -- |
5.2 剪切试验数据记录（以第一个土样为例）
| 垂直压力σ_n = _____ kPa | |||
|---|---|---|---|
| 剪切位移Δl(mm) | 量力环读数R(0.01mm) | 剪应力τ(kPa) | 垂直变形(mm) |
| 0.0 | -- | -- | -- |
| 0.1 | -- | -- | -- |
| 0.2 | -- | -- | -- |
| 0.4 | -- | -- | -- |
| 0.6 | -- | -- | -- |
| 0.8 | -- | -- | -- |
| 1.0 | -- | -- | -- |
| 2.0 | -- | -- | -- |
| 3.0 | -- | -- | -- |
| 4.0 | -- | -- | -- |
5.3 数据处理公式
1. 剪应力计算：
τ = K × R / A
式中：
- K — 量力环系数(kPa/0.01mm)
- R — 量力环读数(0.01mm)
- A — 土样面积(cm²)，注意单位转换
2. 抗剪强度确定：
- 对于峰值明显的土样，取峰值剪应力作为抗剪强度τ_f
- 对于无明显峰值的土样，取剪切位移为4mm时的剪应力作为抗剪强度τ_f
3. 抗剪强度指标确定：
以法向应力σ_n为横坐标，抗剪强度τ_f为纵坐标，绘制τ_f-σ_n关系曲线（抗剪强度包线），该直线的截距即为粘聚力c，斜率即为内摩擦角φ的正切值tanφ。
5.4 曲线绘制
根据试验数据，绘制以下曲线：
- 剪应力与剪切位移关系曲线（τ-Δl曲线）：以剪应力τ为纵坐标，剪切位移Δl为横坐标
- 抗剪强度包线（τ_f-σ_n曲线）：以抗剪强度τ_f为纵坐标，法向应力σ_n为横坐标
| 抗剪强度试验成果汇总 | |
|---|---|
| 粘聚力c(kPa) | 内摩擦角φ(°) |
| -- | -- |
六、注意事项
- 土样制备时应保持其天然结构，避免扰动
- 安装剪切盒时，应确保上、下盒对齐，避免偏心加载
- 施加垂直压力时应缓慢均匀，避免冲击荷载
- 快剪试验时，应在施加垂直压力后立即进行剪切，不允许排水
- 剪切速率应严格控制，确保符合试验要求
- 量力环应定期校准，确保读数准确
- 试验结束后，应及时清理设备，保持实验室整洁
七、思考题
- 土的抗剪强度由哪些因素组成？它们各有什么物理意义？
- 为什么要进行不同排水条件下的剪切试验？它们适用于什么工程情况？
- 直接剪切试验有什么优缺点？与三轴剪切试验相比有什么不同？
- 如何根据土的抗剪强度指标评价地基稳定性？
- 在工程实践中，如何选择合适的剪切试验方法？