7.3.4 土的剪切试验
7.3.4.1 试验目的和适用范围
直接剪切试验是测定土的抗剪强度的一种常用方法。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，求得破坏时的剪应力τ。然后根据库仑定律确定土的抗剪强度参数：内摩擦角φ和黏聚力c。
本试验适用于测定细粒土的抗剪强度参数c、φ及土颗粒粒径小于2mm的砂土的抗剪强度参数。渗透系数K大于10-6cm/s的土不宜做快剪试验。
7.3.4.2 仪器设备
（1）应变控制式直剪仪（见图7.2）：主要部件包括剪切盒（水槽、上剪切盒、下剪切盒）、垂直加压框架、测力计及推动座等。
（2）位移计（百分表）：量程5～10mm，分度值0.01mm。
（3）天平：称量500g，分度值0.1g。
（4）环刀：内径6.18cm，高2cm。
（5）其他：饱和器、削土刀（或钢丝锯）、秒表、滤纸、直尺等。
7.3.4.3 操作步骤
1.试样制备
（1）黏性土试样制备：从原状土样中切取原状土试样或制备给定干密度及含水率的扰动土样，测定试样的密度及含水率。在环刀内壁涂一薄层凡士林，刀口向下放在土样上，用钢丝锯将土样切成略大于环刀直径的土样，环刀垂直下压，边压边削至土样伸出环刀为止。切去两端余土，用直刀修平两端土面，擦净环刀外壁，盖上玻璃片。取环刀两侧少量余土测含水率。称环刀加土总质量，计算土的密度。重复上述步骤，制备4个或4个以上试样。要求各试样的密度差不大于0.03g/cm3。含水率不大于2%。如试样需要饱和时，可进行抽水饱和及测定饱和密度。
（2）砂类土试样制备：
1）取过2mm筛孔的代表性风干砂土样1200g备用；按要求的干密度称取每个试样所需的风干砂量，精确至0.1g。
2）对准上下盒，插入固定销，将洁净的透水板放入剪切盒内。
3）将准备好的砂样倒入剪刀盒内；拂平表面，放上一块硬木板，用手轻轻敲打，使试样达到规定的干密度，然后取出硬木板。
（3）每组试验应取4个试样，在4种不同垂直压力p下进行剪切试验。一个垂直压力相当于现场预期的最大压力p，一个垂直压力要大于p，其他垂直压力均小于p。但垂直压力的各级差值要大致相等。教学试验中可取垂直压力分别为100kPa、200k Pa、300kPa、400k Pa。各个压力可依次轻轻施加，若土质松软，也可分级施加，以防试样被挤出。
2.操作步骤
（1）快剪试验（Q）：
1）对准上下盒，插入固定销。在下盒内放不透水板。将装有试样的环刀平口向下，对准剪切盒口，在试样顶面放不透水板，然后将试样徐徐推入剪切盒内，移去环刀。对砂类土按上述方法制备和安装试样。
2）转动手轮，使上盒前端钢珠刚好与测力计接触。调整测力计读数为零。顺次加上加压盖板、钢珠、加压框架，安装垂直位移计，测记起始读数。
3）施加垂直压力。
4）拔去固定锁。开动秒表，以0.8～1.2mm/min的速率剪切（以4～6r/min的均匀速度旋转手轮），使试样3～5min内剪损。如测力计的读数达到稳定，或有显著后退，表示试样已剪损。但一般宜剪至剪切变形达4mm。若测力计读数继续增加，则剪切变形应达到6mm为止。手轮每转一转，同时测记测力计读数，并根据需要测记垂直位移计读数，直至剪损为止。
5）剪切结束后，吸去剪切盒中积水，倒转手轮，尽快移去垂直压力、框架、钢珠、加压盖板等。取出试样，测定剪切面附近土的含水率。
（2）固结快剪试验（CQ）：
1）试样安装和定位按快剪试验步骤1）和2）操作。但试样上下两面的不透水板改放湿滤纸和透水板。
2）如系饱和试样，则在施加垂直压力5min后，往剪切盒水槽内注满水，如系非饱和土，仅在活塞周围包以湿棉花，防止水分蒸发。
3）在试样上施加规定的垂直压力后，测记垂直变形读数。如每小时垂直变形读数变化不超过0.005mm，认为已达到固结稳定。
4）试样达到固结稳定后，按快剪试验步骤4）和5）规定进行剪切。剪切后取试样测定剪切面附近试样的含水率。
（3）慢剪试验（S）：
1）试样安装和定位按快剪试验步骤1）和2），按固结快剪试验步骤3）进行试样固结。待试样固结稳定后进行剪切，剪切速率应小于0.02mm/min。也可按下式估算剪切破坏时间：
式中 tf——达到破坏所经历的时间；
t50——固结度达到50%的时间。
2）剪损标准同快剪试验步骤4）规定选取。
3）按快剪试验步骤5）规定进行拆卸试样及测定含水率。
由于课时所限，教学试验一般采用快剪试验。(https://www.daowen.com)
7.3.4.4 计算公式和制图
1.计算公式
计算时测力计率定系数单位不同，计算剪应力所采用的公式也不同。
（1）当测力计率定系数单位采用N/0.01mm时按式（7.6）计算试样的剪应力：
式中 τ——剪应力，k Pa；
C——测力计率定系数，N/0.01mm；
R——测力计读数，0.01mm；
A0——试样面积，cm2；
10——单位换算系数。
按式（7.7）计算试样的剪切位移：
式中 n——手轮转速；
Δl——剪切位移，mm。
试验记录见表7.1（一）、（二）。
（2）当测力计率定系数单位采用kPa/0.01mm时按式（7.8）计算试样的剪应力：
式中 C——测力计率定系数，k Pa/0.01mm。
剪切位移计算公式采用式（7.7）。
试验记录见表7.1（一）、（三）。
2.绘图
（1）以剪应力为纵坐标、剪切位移为横坐标，绘制剪应力τ与剪切位移Δl关系曲线（见图7.3）。
（2）选取剪应力τ与剪切位移Δl关系曲线上的峰值点或稳定值作为抗剪强度τf，如图7.3中曲线上的箭头所示。如无明显峰值点，则取剪切位移Δl等于4mm对应的剪应力作为抗剪强度τf，图7.3中p1、p2、p3、p4为相应的垂直压力。
（3）以抗剪强度τf为纵坐标、垂直压力为横坐标，绘制抗剪强度与垂直压力的关系曲线，根据图上各点，绘一直线（见图7.4）。直线上的倾角为土的内摩擦角φ，直线在纵坐标上的截距为土的黏聚力。
图7.3 剪应力与剪切位移关系曲线
图7.4 抗剪强度与垂直应力的关系曲线
7.3.4.5 试验记录
试验记录根据试验内容、试样要求、试验方法选择所需填写的记录表见表7.1（一）、（二）、（三）。
表7.1（一） 直接剪切试验记录
表7.1（二） 直接剪切试验记录
表7.1（三） 直接剪切试验记录
