土体抗剪强度参数测定

技术概述

土体抗剪强度参数测定是岩土工程勘察与设计中至关重要的基础性试验工作，其目的在于获取土体的内摩擦角（φ）和黏聚力（c）两个核心力学参数。这两个参数直接反映了土体抵抗剪切破坏的能力，是进行地基承载力计算、边坡稳定性分析、挡土结构设计以及基坑支护设计等工程活动不可或缺的依据。

土体在荷载作用下，当某一面上的剪应力达到土体的抗剪强度时，土体就会沿着该面发生相对滑动，产生剪切破坏。库仑于1776年提出了著名的抗剪强度公式：τf=c+σtanφ，其中τf为土的抗剪强度，c为黏聚力，σ为作用在剪切面上的法向应力，φ为内摩擦角。这一公式至今仍是土力学理论的基础，对于无黏性土，黏聚力c=0，抗剪强度仅由内摩擦角决定；而对于黏性土，两项参数共同发挥作用。

土体抗剪强度参数的准确性直接关系到工程的安全性和经济性。参数取值偏高可能导致工程设计偏于不安全，埋下隐患；参数取值偏低则可能造成工程投资的浪费。因此，严格按照国家标准和行业规范进行土体抗剪强度参数测定，对于保证工程质量、优化设计方案、控制工程成本具有重要的现实意义。

影响土体抗剪强度的因素众多，主要包括土的颗粒组成、矿物成分、密度、含水率、孔隙比、应力历史以及土的结构性等。不同地区、不同成因类型的土体，其抗剪强度参数往往存在较大差异，这就要求在工程建设前必须进行专门的试验测定，而不能简单套用经验值。

检测样品

土体抗剪强度参数测定所用的样品主要分为原状土样和扰动土样两大类。原状土样是指保持了天然结构和含水率的土样，能够真实反映土体在天然状态下的力学性质；扰动土样则是指在取样过程中结构遭到破坏的土样，通常用于制备重塑土样进行试验。

原状土样的采集是保证试验结果可靠性的关键环节。取样时应遵循以下原则：取样点应具有代表性，能够反映勘察场地的地层特征；取样过程中应尽量减少对土样的扰动；样品应及时密封保存，防止水分蒸发或外界物质侵入；样品运输过程中应避免震动和碰撞。

根据取样方法的不同，原状土样可分为：

• 薄壁取土器样：采用薄壁取土器获取的土样，扰动程度小，质量较好，适用于软黏土、一般黏性土等
• 厚壁取土器样：采用厚壁取土器获取的土样，扰动程度相对较大，适用于硬黏土、密实砂土等
• 探井取样：在人工开挖的探井中直接切取块状土样，扰动最小，适用于各种土类
• 双管取样器样：采用双管取土器获取的土样，适用于砂土、粉土等难以保持原状的土类

对于不同类型的土体，样品的规格要求也有所不同。常规三轴试验所需试样直径一般为39.1mm、61.8mm或101mm，高度为直径的2-2.5倍；直接剪切试验所需试样面积一般为30cm²或50cm²，厚度约2cm。样品数量应根据试验项目和工程要求确定，一般每个试验项目不少于3-4个试样。

样品的保管和运输同样重要。原状土样应使用密封容器盛装，周围用软质材料填充，避免运输过程中的振动和碰撞。样品应存放在阴凉处，避免阳光直射和温度剧烈变化。从取样到试验的时间不宜过长，一般应在取样后一周内完成试验，对于易风化或易发生物理化学变化的土样，应尽快进行试验。

检测项目

土体抗剪强度参数测定涉及的主要检测项目包括：

1. 黏聚力（c）

黏聚力是土体颗粒之间的粘结强度，反映了土体在无法向应力作用下抵抗剪切的能力。黏聚力主要来源于土颗粒间的分子引力、胶结作用和毛细管压力等。对于黏性土，黏聚力通常为正值；对于纯净的砂土，黏聚力一般为零；对于某些特殊土，如湿陷性黄土在浸水后，黏聚力可能显著降低。黏聚力的单位为kPa。

2. 内摩擦角（φ）

内摩擦角是土体抗剪强度线与法向应力轴的夹角，反映了土体抗剪强度随法向应力增加而增长的速率。内摩擦角主要取决于土颗粒的矿物成分、颗粒形状、级配组成和密实程度。一般来说，颗粒越粗糙、棱角越分明、级配越好、密实程度越高，内摩擦角越大。内摩擦角的单位为度（°）。

3. 有效应力参数

在三轴试验中，通过测量孔隙水压力，可以得到有效应力条件下的抗剪强度参数，即有效黏聚力（c'）和有效内摩擦角（φ'）。有效应力参数是进行有效应力分析的基础，对于饱和黏性土地基的长期稳定性分析尤为重要。

4. 不排水抗剪强度（Cu）

对于饱和黏性土，在不排水条件下进行试验时，可以得到不排水抗剪强度。该参数在软土地基的短期稳定性分析中广泛应用，如基坑开挖、填土工程等。不排水抗剪强度可通过无侧限抗压强度试验、十字板剪切试验或三轴不固结不排水试验获得。

5. 特殊条件下的抗剪强度参数

针对特定工程需求，还需测定特殊条件下的抗剪强度参数，包括：固结不排水抗剪强度参数、固结排水抗剪强度参数、残余抗剪强度参数、循环荷载下的抗剪强度参数等。

检测方法

土体抗剪强度参数测定的方法主要包括直接剪切试验、三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验三大类，各类方法有其特点和适用范围。

一、直接剪切试验

直接剪切试验是最早采用的测定土体抗剪强度参数的方法，具有设备简单、操作方便的优点。试验时将土样置于剪切盒内，施加竖向压力后推动下盒，使土样在预定的剪切面上发生剪切破坏。根据剪切过程中剪应力与剪切位移的关系，确定土的抗剪强度。

直接剪切试验按剪切速率和排水条件可分为：

• 快剪试验（Q试验）：剪切速度快，不允许排水，适用于模拟黏性土在快速荷载下的受力状态
• 固结快剪试验（CQ试验）：先在竖向压力下固结，然后快速剪切，适用于模拟黏性土地基在自重应力下固结后受快速荷载的情况
• 慢剪试验（S试验）：剪切速度慢，允许充分排水，适用于模拟黏性土在缓慢荷载下的排水受力状态

直接剪切试验的缺点在于剪切面固定，不代表土体最薄弱面；剪切面上剪应力分布不均匀；排水条件不易控制；剪切过程中剪切面积逐渐减小。这些缺点在一定程度上影响了试验结果的准确性。

二、三轴压缩试验

三轴压缩试验是目前测定土体抗剪强度参数最可靠的方法，能够较好地模拟土体在实际受力状态下的应力路径和排水条件。试验时将圆柱形土样用橡皮膜包裹，置于压力室中，施加周围压力，然后施加轴向压力直至土样破坏。

三轴试验按排水条件可分为：

• 不固结不排水试验（UU试验）：试样在周围压力下不固结，剪切过程中不允许排水，适用于模拟饱和黏性土在快速荷载下的受力状态
• 固结不排水试验（CU试验）：试样在周围压力下充分固结，剪切过程中不允许排水，同时测量孔隙水压力，可得到有效应力参数
• 固结排水试验（CD试验）：试样在周围压力下固结，剪切过程中允许排水，始终保持有效应力不变，适用于模拟黏性土在缓慢荷载下的排水受力状态

三轴试验的优点在于：试样受力均匀，应力状态明确；排水条件可控；可测量孔隙水压力；可控制应力路径。缺点是设备复杂，操作技术要求高，试验周期较长。

三、无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度试验是一种简便的测定饱和黏性土不排水抗剪强度的方法。试验时对圆柱形土样施加轴向压力，直至土样破坏，破坏时的轴向压力即为无侧限抗压强度qu，不排水抗剪强度Cu=qu/2。该方法适用于黏性土，不适用于砂土和粉土。

四、其他试验方法

• 十字板剪切试验：现场原位试验，适用于测定饱和软黏土的不排水抗剪强度
• 大型直剪试验：适用于测定粗粒土、碎石土等含大颗粒土体的抗剪强度
• 环剪试验：适用于测定土体的残余抗剪强度，研究土体大变形后的强度特性

检测仪器

土体抗剪强度参数测定所用的仪器设备种类较多，不同试验方法所需的设备也有所不同。以下为主要仪器设备的介绍：

一、直接剪切仪

直接剪切仪由剪切盒、垂直加荷系统、水平剪切系统、量测系统等部分组成。剪切盒分为上下两盒，土样置于盒内。垂直加荷系统通过杠杆或液压方式施加竖向压力。水平剪切系统可采用应变控制式或应力控制式，应变控制式通过匀速推动下盒实现剪切，应力控制式通过逐级施加水平剪应力实现剪切。量测系统用于测量剪切位移和剪应力。

应变控制式直接剪切仪的主要技术参数包括：剪切盒内径（一般为61.8mm）、最大竖向压力（一般为400kPa或更高）、剪切速率（一般为0.8mm/min或可调范围）、最大剪切位移（一般为10mm）等。

二、三轴压缩仪

三轴压缩仪是测定土体抗剪强度参数的核心设备，由压力室、轴向加荷系统、围压系统、反压系统、孔隙水压力测量系统、体积变化测量系统等组成。现代三轴仪通常配备数据采集系统和计算机控制系统，可实现自动化试验。

三轴仪按轴向加荷方式可分为应变控制式和应力控制式。按围压施加方式可分为气压式和液压式。按试样尺寸可分为常规三轴仪（试样直径39.1-101mm）和大型三轴仪（试样直径可达300mm以上）。主要技术参数包括：最大围压（一般为1MPa或更高）、最大轴向压力、最大轴向位移、孔隙水压力测量范围和精度等。

三、无侧限抗压强度仪

无侧限抗压强度仪结构相对简单，由轴向加荷系统、量测系统组成。应变控制式仪器通过手轮或电机驱动加荷板匀速压向土样，同时测量轴向压力和轴向变形。应力控制式仪器通过砝码或液压逐级施加轴向压力。

四、辅助设备

• 制样设备：切土盘、切土器、分样器、击实器等，用于制备标准尺寸的试样
• 饱和设备：真空饱和器、反压饱和装置等，用于试样饱和
• 量测设备：百分表、位移传感器、压力传感器、孔隙水压力传感器、体积变化测量管等
• 环境控制设备：恒温水槽、恒温恒湿箱等，用于控制试验环境条件
• 数据处理设备：数据采集器、计算机及数据处理软件

仪器的校准和维护对保证试验结果的准确性至关重要。应定期对仪器进行校准，包括负荷传感器、位移传感器、压力传感器等关键部件的校准，并做好校准记录。日常使用中应注意仪器的清洁和保养，确保仪器处于良好状态。

应用领域

土体抗剪强度参数在工程建设中具有广泛的应用，几乎涉及所有与岩土相关的工程领域。

一、地基工程

在地基基础设计中，土体抗剪强度参数是确定地基承载力的关键参数。根据《建筑地基基础设计规范》等标准，地基承载力特征值可由土的抗剪强度参数计算确定。对于浅基础，采用汉森公式或魏锡克公式计算地基极限承载力，再根据安全系数确定地基承载力特征值。对于深基础（如桩基础），土的抗剪强度参数用于计算桩侧阻力和桩端阻力。

二、边坡工程

在天然边坡和人工边坡的稳定性分析中，土体抗剪强度参数是计算边坡稳定安全系数的核心参数。采用极限平衡法（如瑞典条分法、毕肖普法、简布法等）或有限元法进行边坡稳定性分析时，需要输入滑面土体的抗剪强度参数。参数取值的准确性直接影响边坡稳定性评价结论和加固设计方案。

三、基坑工程

在基坑支护设计中，土体抗剪强度参数用于计算土压力、基坑稳定性以及支护结构内力。主动土压力、被动土压力的计算需要用到土的内摩擦角和黏聚力。基坑整体稳定性、抗隆起稳定性、抗渗流稳定性的验算也依赖于土的抗剪强度参数。对于软土基坑，还需使用不排水抗剪强度进行稳定性验算。

四、挡土结构

挡土墙、加筋土挡墙、锚杆挡墙等挡土结构的设计需要准确确定墙后填土的抗剪强度参数，以计算土压力和验算结构稳定性。根据库仑或朗肯土压力理论，土压力的计算直接取决于土的内摩擦角和黏聚力。

五、堤坝工程

土石坝、河堤等工程的稳定分析需要测定筑坝材料和坝基土的抗剪强度参数。对于饱和黏性土地基，还需考虑抗剪强度参数随固结度增长的变化规律，采用有效应力法进行稳定分析。

六、地下工程

隧道、地下洞室等地下工程的设计和施工需要了解围岩（土）的抗剪强度特性。土层的抗剪强度参数用于围岩压力计算、支护结构设计以及施工方法选择。在盾构隧道设计中，土体抗剪强度参数用于计算土仓压力和注浆压力。

七、特殊土工程

对于特殊土（如软土、膨胀土、湿陷性黄土、冻土等），抗剪强度参数的测定尤为重要。这些特殊土的抗剪强度特性与一般土类有显著差异，且受含水率、温度、压力等因素影响明显。通过专门的试验测定其抗剪强度参数，才能进行针对性的工程设计和处置。

常见问题

问：直接剪切试验与三轴试验有什么区别？应如何选择？

答：直接剪切试验设备简单、操作方便、试验周期短，但剪切面固定、应力状态不明确、排水条件不易控制，适用于一般工程的初步勘察和大量试样的快速筛选。三轴试验能够模拟真实的应力状态、控制排水条件、测量孔隙水压力，试验结果更可靠，但设备复杂、操作要求高、试验周期长，适用于重要工程、复杂地层条件以及需要进行有效应力分析的情况。对于一级建筑场地、复杂地质条件或有特殊要求的工程，应优先选用三轴试验。

问：如何判断试验数据的可靠性？

答：判断试验数据可靠性可从以下方面入手：检查试样的物理力学指标是否与地质勘察资料相符；检查抗剪强度包线是否合理，是否出现异常偏离点；比较相邻试样或相邻孔位试样的试验结果，看是否存在异常差异；对比同类土的经验值，判断参数是否在合理范围内；检查试验过程记录，确认操作是否规范。如发现异常，应分析原因并判断是否需要重新试验。

问：为什么同一土层的抗剪强度参数会有较大离散性？

答：土是自然地质作用的产物，其物质组成和结构特性存在天然的空间变异性。同一土层内，颗粒组成、矿物成分、密度、含水率等因素可能存在差异，导致抗剪强度参数离散。此外，取样扰动、制样操作、试验条件控制等人为因素也会影响试验结果。为减小离散性，应增加试样数量，采用统计分析方法确定参数代表值。

问：如何选择不固结不排水试验（UU）、固结不排水试验（CU）和固结排水试验（CD）？

答：三种试验对应不同的工程工况。UU试验模拟饱和黏性土在快速加载条件下来不及排水的受力状态，适用于基坑开挖、快速填土等短期稳定问题。CU试验模拟土体在现有应力状态下已固结完成、后续加载时不排水的情况，同时可得到有效应力参数，适用于大多数工程情况。CD试验模拟土体在完全排水条件下的受力状态，适用于加荷速度很慢、孔隙水压力能充分消散的情况，如填土高度增长很慢的堤坝工程。

问：土体抗剪强度参数的测定需要注意哪些问题？

答：首先应确保试样的代表性，取样位置、取样方法、试样保存运输等环节都应严格控制。其次应根据工程要求和土性特点选择合适的试验方法和试验条件。试验过程中应严格按照标准规范操作，确保仪器状态良好。试验后应对数据进行整理分析，剔除异常值，采用合理的统计方法确定参数代表值。最终提出的参数应与工程地质条件相结合，综合考虑地区经验，合理取值。

问：原状土样与重塑土样的抗剪强度参数有何差异？

答：原状土保持了天然结构，其抗剪强度包含颗粒间的原始胶结作用和结构连结，一般具有较高的强度。重塑土经过扰动后，原有的结构连结被破坏，即使重新压实到相同的密度，其强度通常也低于原状土。对于结构性强的土类（如灵敏黏土），这种差异尤为显著。因此，对于需要准确了解土体天然强度特性的工程，应尽量采用原状土样进行试验。