内聚力和内摩擦角的测定

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通过实验室实验确定土壤内阻、粘聚力和内摩擦角等要素的方法有多种，其中最著名的是“直剪”和“三轴压缩”试验。

直剪试验

测试在具有_A型矩形截面的设备上进行。 Casagrandea_ 或在 Hvorsleva 类型的圆形装置上。我们将描述使用最广泛使用的矩形截面装置的实验。在这两种情况下，测试都是使用未受干扰的样品进行的，或者使用处于屈服点的受干扰的样品进行的，在这种情况下测试具有比较值。

用于直接剪切矩形截面的设备（图1）

图。 1_卡萨格兰德直剪装置横截面_

该装置由上框架和下框架两部分组成，其中下框架是静止的，而上框架是可移动的，在作用于上下框架接触平面的水平力_Z_的影响下可以在下框架上移动。

将土样置于钢制矩形环中，通常尺寸为100×100×30 mm，或精确刮削后的尺寸。将滤石放置在样品的顶部和底部，然后将所有东西放入设备的环中，然后将其充满水。将用于垂直加载的装置放置在样品上。上部滤石与样品垂直加载系统相连，下部滤石与水道相连，通过水道可以使样品在测试过程中保持饱和状态，以排除表观内聚力。

为了排除上、下框架接触面的摩擦，有上框架扭转的装置，通过该装置使上框架在水平剪切力的作用下移动。另外，上、下框架的接触面涂有凡士林。设备中还包含另一个用于记录垂直和水平变形的2比较器。

直剪测试

直剪试验主要有2类型：快_和_慢_测试。 快速_测试包括在将样品引入设备后，对样品施加一定的垂直压力，通常为0,50​​； 1,0； 2,0； 3,0和4,0 kp/cm2，等待固结，如果在24小时内沉降_Δh≤0,02 mm，则认为已实现固结，然后施加水平剪力_Z，大小1/20或1/40 垂直力_P_的一部分，每分钟增加相同的值，直到地面破裂。在施加水平剪切力期间，通过比较器上的读数不断监测上框架的运动过程，并且在每次新负载之前立即将水平变形记录在日志中。比较器显示突然运动的时刻被视为突破性的。

快速试验适用于粘土，其在新荷载下的自然固结速度较慢，对应于这种执行试验的方法。

_Slow_测试的执行方式与之前类似，唯一的区别是水平剪力在较长的时间间隔内增加，可以是2、5和15 m分钟或直到固结，即直到水平变形变得完全不显着。在比较器9上监测水平力作用下的固结过程（图1）。

慢速试验适用于沙质或尘土，在短时间内水平剪切力增加的情况下，由于孔隙中受力水的作用，仪器中样品的剪切会加速，这不符合自然过程。因此，时间间隔随着未结合土颗粒的细度而增大，从而使土孔隙内的水压与外界水压达到平衡。这种均衡是通过在每级水平荷载的作用下留出足够的时间，使孔隙中多余的水分通过滤石被挤出来实现的。

除上述试验外，在某些情况下，还进行垂直载荷下不固结的快速试验，即将样品引入设备并加载垂直载荷后立即施加水平剪切力。但该施工方法适用于特殊情况，例如新铺设的粘土路堤，路堤筑好后立即加载，无需事先压实。

内摩擦角和内聚力角的测定

根据测试结果计算剪切应力

τ=Z/A，单位为 kp/cm²，​

它是根据失效时的剪切力_Z_（单位为kp）和样品_A_（单位为cm²）的横截面积获得的。测试是使用 3 至 4 设备进行的，负载不同的法向压力 σ=P/A （单位为 kp/cm2），其中 P 是样品的垂直载荷（单位为 kp）。通常取以下常压值：1,0； 2,0； 3,0 和 4,0 kp/cm²。

SL。 2。 水平变形图

根据内耗要素图，得到1和水平变形图（图2）两种类型。

水平变形图是通过将设备上框架的水平位移_ΔL_（毫米）应用到横坐标轴上的下框架（通过读取比较器9获得），以及纵坐标轴上相应的剪切应力_τ_（kp/cm²）（图2）。

根据土壤的压实情况，获得压实的图表1和松散材料的图表2。

对于压实材料，剪切应力_τ_最初相对于水平位移_ΔL_急剧增加，直到比例极限P，然后更缓慢，从而图表的曲线1增加并达到最大高度B，之后图表在一定长度上减小，最终达到水平流动。水平变形图直线上升的区域，其中剪应力的增加与变形的增加成正比，假设为弹性变形区域。超过极限 P 后，剪切应力的增加将根据变形 ΔL 的增加而减小，直至图表的最高点 B。在该区域中，材料开始“流动”，并被用作塑性变形区域。 1图的最高点B代表最大剪应力max τ，假设该点发生土体破裂，即B点为断裂点。超过B点，材料处于液态，剪切强度下降，并且假设在该区域中，颗粒之间的连接被破坏，仅存在抵抗水平剪切力的滑动阻力。采用图1转向水平方向的G点作为滑动边界。

破坏极限 B 处的剪应力称为剪切强度或_纯剪切强度_ τf，而屈服极限 G 处的剪应力称为滑移强度_τg_。

对于松散材料，水平位移图也有一个具有比例极限 P 的弹性区域，但下游是一个高达滑移极限 G 的塑性区域，即最大剪应力等于极限强度，滑动 (τ=τg)，超过该区域材料呈液态。

！相干和非相干土壤的剪切图，图。 76

图。 3。 剪切图，a) 适用于粘性土，b) 适用于非粘性土

将法向压力_σ_（单位为kp/cm2）应用于横坐标轴，并将相应的剪切强度_τf_（单位为kp/cm2）应用于纵坐标轴时，获得剪切图，从而这两个值应用在同一比例中（图3）。由于土体的抗剪强度τf随着法向压力_σ_的增加而增大，因此对于不同的压力_σ1_，将得到A、B、C、D点，代表相应的抗剪强度。

为了获得粘性土图3上的某些点A、B、C和D（图3a），采用滑动强度_τ_g。然而，对于粘性土，材料在达到滑移极限G之前很久就开始流动，并且倾向于采用比例极限P处的剪切强度来确定土体的粘聚力_c_和内摩擦角，但由于它相对较小，因此通常采用2图上的变形_ΔL_是设备中先前加载水平下变形的两倍的剪切强度。这个强度介于P和B的边界之间，即G（图2）。

将76a图上的A、B、C、D点连接起来，得到剪切图，成功测试后是一条直线。将图延伸到与纵坐标轴的交点，对于 σ = 0，根据库仑模式 τf = c+σ tgphi 得到 τf = c = 土体粘聚力，而图相对于水平面的倾角给出了内摩擦角。通过在纵坐标轴的另一侧延伸剪切图，在横坐标轴上获得由内聚力 pk 引起的应力，此时内聚力 c 的大小表示为摩擦阻力的当量：

c = pk tgphi，因此 pk = c/tgphi

对于不连贯的土壤，例如沙子，如图所示。 3b，穿过坐标原点，因为对于 σ = 0，我们得到 τ = 0。然而，如果沙子是细粒且潮湿的，则会出现类似于图 1 的图表。 3a，内聚力_c_较小，代表表观内聚力。在这种情况下，坐标原点另一侧的延伸横坐标轴上的应力_pk_表示毛细管应力。

需要指出的是，直接剪切试验测定土体粘聚力和摩擦力有几个缺点，其中最重要的是，土体破坏发生在预定的剪切面上，而不是在剪切阻力最小的表面上，试样在装置中剪切时，由于上框架在下框架上的移动而使剪切面减小，只能在很短的长度上监测试样在剪切过程中的变形，从而无法将断裂极限后的滑动阻力控制在足够的范围内，特别是在软土剪切变形较大时的情况等。

三轴压缩试验

测试是在三轴装置上进行的，三轴装置有不同的结构，但都基于相同的原理，如下所示。将未受扰动的滚筒状样品垂直放置在支架上，从各个方向承受液团的侧向压力，然后承受垂直压力，该压力逐渐增加，直到在剪切阻力最小的表面上引起样品断裂。根据断裂剪切强度，计算土体的粘聚力和内摩擦角。

三轴装置说明

！带有腔室、压力表和阀门系统的三轴装置方案，图1。 77

图。 4。 三轴仪

三轴装置（图4）包括放置样品台的腔室底板的下部，以及用于垂直加载样品的活塞的上部和封闭腔室的上板。最常见的样本尺寸是直径 phi=36 mm，高度 h=2,2-2,5_phi_。腔室直径为_D_=135mm，高度_H_ = 180 mm。用于从底部排出样品的窄管 K1 从样品台的中心开始，该细管通过多孔板接收样品中的水，并将其排到室外的垂直玻璃管 C1 中。如果在不排出样品的情况下进行测试，则该通道用于测量孔隙中的水压。在腔室的青铜底座中，有一个通道 K2，用于供应液体质量，以填充腔室并在腔室中对样品实现侧向压力。

通过腔室的上板穿过用于装载样品的活塞手柄。腔室内的样品被橡胶膜包围，橡胶膜两端延伸，通过橡胶圈与活塞和底座连接。活塞中部有一个通道K3，用于从上侧排出样品。

腔室两侧采用有机玻璃圆筒密封，有机玻璃圆筒通过橡胶圈固定在腔室的上下板上。

腔室放置在坚固的底座上。样品的正常加载是通过带有配重的杠杆完成的，其比例通常为1：10。用于在腔室中的样品上实现侧向压力的系统由一个装有液体质量 B 的瓶子（通过一根管子将其引入腔室）、一个用于测量气压的压力计和一个装有压缩空气的瓶子组成。活塞上方放置比较器用于加载样品，以测量样品在负载下的沉降。

可利用B瓶中的气压，通过阀门V1和V2随意调节腔室中液体质量的侧向压力。该压力会在样品中产生水平应力 σ2 和 σ3，由于样品的圆形截面，这些水平应力是均衡的 σ2 = σ3.

液体物质可以是蒸馏水或油，为了更好的密封，最好选择蒸馏水或油，因为水可以通过螺丝。在瓶 B 中气压的影响下，液体物质充满腔室直至阀门 V6，然后阀门关闭。样品_P_的垂直载荷通过活塞手柄几乎无摩擦地传递到样品，除以样品_A_的横截面积，得出垂直应力_σ1 = P/A_

进行三轴压缩试验

对于测试样品，在单独的设备中进行处理，得到直径为36 mm、高度为78 mm或90 mm的滚筒，在其上从顶部和底部放置滤石并拉上橡胶膜。然后将样品与滤石一起放置在腔室中的支架上，将橡胶膜的两端拉过支架和加载活塞并用橡胶环固定。根据某些实验室（例如伦敦 Skempton 教授）的实践，在测试过程中，通过在样品侧面衬上滤纸（在拉上橡胶膜之前放置滤纸）来加速测试过程中样品在室内的排出。当将样品引入设备并将有机玻璃圆柱体固定在上板和下板中时，进行测试，可以通过多种方式进行，例如：

1. 不排水测试。 在这些测试中，在阀门 V4 和 V5 关闭的情况下，在进行横向和垂直测试期间不允许排放样品。

2. 不排水固结实验。在施加侧向压力期间，样品被排水（阀门V4和V5打开），而在施加垂直压力期间，不允许排水（V4和V5关闭）。

3_) 排水测试_。在整个测试过程中，样品都会被排出（阀门 V4 和 V5 打开），以便发生完全固结，并且在施加垂直压力 σ1 期间，孔隙中不会产生应变水。该试验需要很长时间，特别是对于透水性差的土壤，因为垂直荷载_σ1_必须分大量小阶段施加，并且每个阶段都必须等待固结。此外，可以使用_饱和_和_部分饱和_样本_来执行上述测试。_

鉴于上述可能性，三轴压缩试验可以进行不同的变体，并根据负载条件下的土壤类型进行调整。

所描述的设备、程序、单位、数值和模式均来自历史来源。本文不是岩土工程研究、实验室协议、基础项目、边坡稳定性证明或开挖计划。样本和测试方法的选择、排水和固结状态、地下水、荷载状态、地震影响和开挖安全性必须根据现行规定，由适当的实验室和授权的岩土专家确定，用于特定的土壤和建筑物。