砂土剪切试验测定

技术概述

砂土剪切试验测定是岩土工程勘察与地基基础设计中至关重要的基础性试验之一。该试验主要通过特定的仪器设备，对砂土样品施加不同的垂直压力和水平剪切力，以测定砂土的抗剪强度参数，即内摩擦角和粘聚力。由于砂土颗粒之间通常缺乏粘聚力，其抗剪强度主要来源于颗粒之间的摩擦力和咬合力，因此砂土的剪切特性与粘性土存在显著差异。

在土力学理论中，库仑强度理论是砂土剪切试验测定的核心依据。该理论认为土的抗剪强度函数表现为剪切面上的法向应力与土体抗剪强度的关系。对于纯净的砂土而言，其强度包线通常近似为一条通过坐标原点的直线，这意味着在法向应力为零时，其抗剪强度也为零。然而，在实际工程实践中，砂土中往往含有少量的粉粒或粘粒，或者由于颗粒的嵌挤咬合作用，使得强度包线呈现出一定的截距，这在试验数据分析中需要结合具体情况进行判断。

砂土剪切试验测定的主要目的在于获取土体稳定分析所需的关键参数。无论是在边坡稳定性分析、挡土结构土压力计算，还是地基承载力确定中，内摩擦角都是不可或缺的计算指标。通过科学、规范的剪切试验，工程人员能够准确评估砂土在特定应力状态下的强度特性，从而为工程建设提供可靠的设计依据，有效防范滑坡、地基失稳等工程事故的发生。

从试验方法分类来看，砂土剪切试验测定主要分为直接剪切试验和三轴压缩试验两大类。直剪试验具有操作简便、仪器构造简单、试验周期短等优点，是工程勘察中最常用的检测手段；而三轴试验则能更好地模拟土体在实际受力状态下的应力路径，试验结果更为精确，但操作相对复杂，对试验人员的技术要求较高。本文将重点围绕这两种方法展开详细阐述，为相关从业人员提供系统的技术参考。

检测样品

砂土剪切试验测定对样品的代表性有严格要求，样品的采集与制备直接关系到检测结果的准确性。检测样品通常来源于现场钻探取样或探井取样，在取样过程中必须最大限度地保持砂土的天然结构和含水状态。

针对不同的试验方法，样品的制备要求有所不同：

• 原状砂土样品： 对于直剪试验，通常采用环刀切取原状土样。要求样品直径为61.8mm，高度为20mm。在切样过程中，应尽量避免对土体结构的扰动，保证上下两面平整并与环刀边缘齐平。对于松散砂土，取样难度较大，需采用专门的薄壁取土器或冻结法取样。
• 扰动砂土样品： 当无法获取原状样品或进行三轴试验时，常采用扰动样品。制备时需将砂土风干、碾散并过筛，根据试验设计的干密度和含水率要求进行配制。对于三轴试验，样品尺寸通常为直径39.1mm、高度80mm，或直径61.8mm、高度125mm-150mm的圆柱体。
• 重塑砂土样品： 为研究砂土在不同密度状态下的力学特性，常需制备不同相对密度的重塑样。制备方法包括敲击法、静压法或振动法，需严格控制试样的干密度误差在规定范围内。

样品在运送和保存过程中，应采取有效的密封措施，防止水分蒸发和结构破坏。对于易碎或松散的砂土样品，应使用专用样品盒存放，并在试验前进行状态检查，剔除已受严重扰动的样品。样品制备完成后，应测定其密度、含水率等物理性质指标，作为试验数据分析的基础参数。

检测项目

砂土剪切试验测定的核心检测项目主要围绕土体抗剪强度参数展开，同时涉及相关的物理性质辅助测定。通过试验数据的整理与分析，主要获取以下关键指标：

• 内摩擦角（φ）： 这是砂土剪切试验测定最重要的成果参数。内摩擦角反映了砂土颗粒之间摩擦阻力的大小，其数值受颗粒形状、级配、密实度、含水状态及试验条件等多种因素影响。一般来说，颗粒越粗糙、级配越好、密实度越高的砂土，其内摩擦角越大。
• 粘聚力（c）： 对于纯净砂土，理论上粘聚力为零。但在实际试验中，由于砂土中可能含有细粒土，或颗粒间存在毛细水压力及咬合作用，强度包线可能呈现出微小的截距。该参数在工程设计中需谨慎取值，通常安全起见取零或进行折减处理。
• 抗剪强度（τf）： 在特定的法向应力作用下，砂土发生剪切破坏时剪切面上所能承受的最大剪应力。通过一组试样在不同垂直压力下的试验，可绘制出抗剪强度与法向应力的关系曲线。
• 剪应力-剪切位移关系曲线： 该曲线反映了砂土在剪切过程中的变形与强度演化过程。密砂通常呈现明显的峰值强度和残余强度特征，表现出剪胀性；而松砂则无明显的峰值，表现出剪缩性。
• 孔隙水压力系数： 在三轴试验中，可测定孔隙水压力的变化，从而计算有效应力状态下的抗剪强度参数，这对于饱和砂土的工程性质评价尤为重要。

除了上述力学指标外，试验过程中还需测定或记录样品的干密度、含水率、相对密度等物理指标，以便全面评价砂土的状态特征。所有检测项目均应按照现行国家标准或行业规范的要求进行数据处理和结果判定，确保检测报告的科学性与公正性。

检测方法

砂土剪切试验测定的方法选择取决于工程性质、设计要求及设备条件。目前国内主流的检测方法主要包括直接剪切试验和三轴压缩试验，每种方法又可根据排水条件和加载方式细分为不同的试验类型。

一、直接剪切试验

直接剪切试验是最经典的土体抗剪强度测定方法，具有操作简便、试验周期短的特点，广泛应用于一般工程的勘察设计。

• 慢剪试验（固结慢剪）： 试样在垂直压力作用下充分排水固结，待固结稳定后，以缓慢的速率施加水平剪切力，使剪切过程中孔隙水压力完全消散。该方法测得的抗剪强度参数有效，适用于分析砂土在排水条件下的长期稳定性问题。
• 固结快剪试验： 试样在垂直压力作用下排水固结，但在剪切过程中快速施加剪力，不排水。该方法模拟砂土在某种固结状态下受快速荷载的情况，工程应用较为广泛。
• 快剪试验： 试样在垂直压力施加后立即进行剪切，不进行固结，剪切过程也不排水。由于砂土渗透性较大，该试验类型对砂土适用性较差，一般不推荐使用。

直剪试验的操作步骤主要包括：试样安装、施加垂直压力固结、剪切速率设定、剪切力施加与记录、破坏判定及数据整理。试验时通常采用4个试样，分别施加不同的垂直压力（如100kPa、200kPa、300kPa、400kPa），测得相应的抗剪强度，通过线性回归绘制强度包线，从而确定内摩擦角和粘聚力。

二、三轴压缩试验

三轴压缩试验能够更好地模拟土体的三维应力状态，是目前测定土体抗剪强度最精确的方法之一。

• 固结不排水剪（CU）： 试样先在围压作用下排水固结，然后在不排水条件下施加轴向偏应力进行剪切，同时测定孔隙水压力。该试验可同时获得总应力强度指标和有效应力强度指标，是砂土最常用的三轴试验类型。
• 固结排水剪（CD）： 试样在固结和剪切全过程中均保持排水状态，孔隙水压力始终为零。该方法测得的是有效应力强度参数，适用于分析砂土在排水条件下的长期稳定性。
• 不固结不排水剪（UU）： 试样在整个试验过程中均不排水。对于渗透系数较大的砂土，该试验难以控制，一般较少采用。

三轴试验的操作较为复杂，主要包括：试样制备与饱和、反压饱和检查、固结过程控制、剪切加载与数据采集。试验过程中需实时监测试样的轴向变形、体积变化及孔隙水压力，以准确判断试样的破坏状态。三轴试验的破坏标准通常取应力-应变曲线的峰值点，或根据轴向应变（如15%）作为破坏标准。

检测仪器

砂土剪切试验测定的准确性与仪器设备的性能密切相关。根据试验方法的不同，所需的检测仪器设备也存在差异。规范的实验室应配备完整的仪器系统，并定期进行检定与校准。

一、直接剪切试验仪器

• 应变控制式直剪仪： 这是进行直剪试验的核心设备，主要由剪切盒、垂直加压装置、水平剪切装置、测力计及位移计组成。剪切盒分为上下两部分，内置透水石和滤纸。仪器应保证剪切面平整，上下盒对齐。
• 垂直加荷系统： 通常采用杠杆系统或液压系统施加垂直压力，要求压力稳定、准确，误差控制在±1%以内。
• 量测系统： 包括量力环或负荷传感器用于测定剪切力，百分表或位移传感器用于测定剪切位移和垂直位移。量测系统的精度应满足相关规范要求。
• 附属设备： 包括环刀、削土刀、钢丝锯、修土刀、滤纸、透水石、保湿器等。

二、三轴压缩试验仪器

• 应变控制式三轴仪： 主要由压力室、轴向加压系统、围压控制系统、反压控制系统及量测系统组成。现代三轴仪通常配备计算机自动控制系统，可实现数据自动采集与处理。
• 压力室： 透明有机玻璃制成的密封容器，用于放置试样并施加围压。压力室应具有良好的密封性和耐压性能。
• 孔压量测系统： 用于测定试样内部孔隙水压力的变化，要求系统响应灵敏、体积因数小。
• 体变测量装置： 用于测定排水条件下试样的体积变化，通常采用排水管法或体积变化计量装置。
• 制样设备： 包括对开模、承膜筒、橡皮膜、密封圈、真空抽气装置等，用于制备饱和砂土试样。

三、辅助仪器设备

• 土工标准筛： 用于砂土的颗粒分析试验，确定土样的级配曲线。
• 密度测定装置： 包括环刀法密度测定装置或蜡封法测定装置。
• 烘干设备： 电热恒温干燥箱，用于测定土样含水率。
• 电子天平： 称量精度应达到0.01g，用于试样质量的精确称量。

所有检测仪器设备应建立完善的档案管理制度，定期进行维护保养和计量检定，确保仪器处于良好的工作状态。试验前应检查仪器的各部件是否正常，量测系统是否归零，以保证试验数据的可靠性。

应用领域

砂土剪切试验测定作为岩土工程检测的基础项目，其应用领域极为广泛，几乎涵盖了所有涉及土体强度与稳定性的工程建设领域。

一、建筑工程地基基础设计

在工业与民用建筑的地基基础设计中，砂土的内摩擦角是计算地基承载力特征值的关键参数。无论是浅基础还是桩基础，设计人员都需依据剪切试验结果进行持力层强度验算。对于地基稳定性验算，如基坑边坡、土坡稳定性分析，也必须依赖准确的抗剪强度参数。

二、交通土建工程

• 公路铁路路基： 路堤填筑和路堑开挖过程中的边坡稳定性分析，路基承载力计算，均需开展砂土剪切试验。对于以砂性土作为填料的路基，还需通过试验确定压实控制标准和强度指标。
• 桥涵工程： 桥梁基础（尤其是扩大基础和沉井基础）的地基承载力计算，桥台后背土压力计算，均需获取地基土的抗剪强度参数。
• 隧道工程： 隧道穿越砂性地层时，围岩稳定性分析、支护结构设计均需参考砂土的力学参数。

三、水利水电工程

土石坝的坝体和坝基稳定性分析是水利工程的重大课题。坝壳料、反滤料等砂性材料的抗剪强度参数直接关系到坝坡的稳定安全系数。此外，水闸、溢洪道等水工建筑物的地基稳定性分析也离不开砂土剪切试验数据。

四、岩土工程勘察

在工程地质勘察阶段，砂土剪切试验是室内土工试验的重要组成部分。勘察单位通过系统的试验工作，查明场地土层的工程地质特性，为设计和施工提供地质依据。特别是对于特殊性地基土（如饱和砂土），还需通过剪切试验评估其动力特性，判别地震液化可能性。

五、地质灾害防治工程

在滑坡、崩塌等地质灾害的勘查与治理设计中，需查明滑带土的抗剪强度参数。对于由砂性土构成的不稳定斜坡，通过剪切试验确定残余强度参数对于滑坡稳定性评价和治理方案设计具有重要的工程意义。

六、其他领域

此外，砂土剪切试验还广泛应用于港口码头工程、地下空间开发、基坑支护工程、矿山工程以及各类科研课题研究。随着工程建设规模的扩大和深度的增加，对砂土抗剪强度参数的精度要求也越来越高，推动了试验技术的不断进步。

常见问题

在砂土剪切试验测定的实际操作过程中，经常会遇到各种技术问题和困惑。以下针对常见的疑问进行解答，以期指导试验操作和结果分析。

问：为什么砂土的直剪试验结果有时会出现粘聚力不为零的情况？

答：从理论上讲，纯净砂土由于颗粒之间缺乏胶结作用，粘聚力应为零。但在实际试验中出现粘聚力不为零的原因主要有以下几点：首先，砂土中可能含有少量的细粒土（如粉粒或粘粒），这些细粒土提供了一定的粘聚力；其次，饱和砂土在非饱和状态下，颗粒间的毛细水压力会产生表观粘聚力；再次，紧密砂土颗粒间的咬合作用在强度包线上可能表现为截距；最后，试验误差或数据拟合方法也可能导致计算结果出现粘聚力。在工程设计中，对此类粘聚力取值应极为谨慎，通常建议不予考虑或进行大幅折减。

问：直剪试验和三轴试验测定的内摩擦角有何区别？

答：两种试验方法测定的内摩擦角在数值上可能存在差异，主要原因在于试验条件的不同。直剪试验的剪切面是人为限定的水平面，破坏面可能并非土体最薄弱的面，且剪切过程中应力状态不明确，存在应力集中现象。三轴试验中，试样在三维应力状态下破坏，破坏面自然发展，更符合土体实际破坏机理。一般而言，三轴试验测得的内摩擦角更能真实反映砂土的强度特性，但直剪试验因其简便经济，在一般工程中仍被广泛采用。

问：如何选择砂土剪切试验的试验类型？

答：试验类型的选择应依据工程设计工况和土体渗透特性确定。对于饱和砂土，当分析地基长期稳定性时，宜采用固结排水剪或慢剪试验，测定有效应力强度指标；当分析施工期或短期荷载作用下的稳定性时，可采用固结不排水剪或固结快剪试验。对于非饱和砂土，需考虑基质吸力的影响，可进行控制吸力的非饱和土剪切试验。总之，试验条件应尽可能模拟工程实际工况。

问：砂土剪切试验中如何判断试样破坏？

答：试样破坏的判定标准因试验类型而异。在直剪试验中，当剪应力-剪切位移曲线出现峰值时，取峰值剪应力作为抗剪强度；若无峰值，则取剪切位移为4mm或6mm（视规范规定）对应的剪应力作为抗剪强度。在三轴试验中，当主应力差-轴向应变曲线出现峰值时，取峰值点作为破坏点；若无峰值，则取轴向应变达到15%或20%时的主应力差作为破坏强度。

问：哪些因素会影响砂土内摩擦角的测定结果？

答：影响砂土内摩擦角测定结果的因素众多，主要包括：砂土本身的颗粒形状、级配和矿物成分；试样的密实度或相对密度；试验时的含水状态和饱和度；试验方法及排水条件；剪切速率；仪器设备及操作规范性等。其中，密实度是最显著的影响因素，密实度越高，内摩擦角越大。因此，在试验报告中应详细说明试样的状态和试验条件，以便设计人员正确选用参数。