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抗剪强度（黏聚力、内摩擦角）检测

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发布时间：2025-07-15 02:24:42 更新时间：2025-07-14 02:24:42

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作者：中科光析科学技术研究所检测中心

引言

抗剪强度是土力学和岩土工程中的核心概念，用于评估土体或其他材料在剪切应力作用下的抵抗破坏能力。它主要由两个关键参数组成：黏聚力（c）和内摩擦角（φ）。黏聚力代表土颗粒间的内在吸引力，是一种在零正应力下也能体现的阻力，常见于黏性土；而内摩擦角则反映颗粒间摩擦引起的阻力角度，与土体的密度和颗粒形态相关。在工程实践中，准确检测这些参数对确保结构安全至关重要。例如，在地基设计、边坡稳定性分析、隧道支护或挡土墙工程中，抗剪强度的误判可能导致滑坡、沉降或结构失效。随着城市化进程加速和工程复杂度提高，检测抗剪强度已成为岩土勘察和监测的常规环节。本文将从检测项目、检测仪器、检测方法和检测标准四个方面，系统介绍抗剪强度（黏聚力、内摩擦角）的检测流程，帮助读者理解其科学原理和实际应用。

检测项目

检测项目聚焦于抗剪强度的两个核心组分：黏聚力（c）和内摩擦角（φ）。这些参数共同构成库仑定律公式 τ = c + σ tan φ，其中τ表示剪切强度，σ代表正应力。黏聚力c的单位通常为kPa或MPa，它描述了土体在无外部压力下的内在粘结力，特别适用于黏土类材料；内摩擦角φ的单位为度，它量化了土颗粒间的摩擦特性，在砂土或砾石中更为显著。检测项目需针对具体土样类型（如黏土、砂土或混合土）进行设计，因为这些参数受土体含水率、密度和矿物成分影响极大。例如，高塑性黏土的黏聚力值较高，而松散砂土的内摩擦角较大。检测目标是通过标准化试验获取可靠的c和φ值，为工程计算（如地基承载力预测）提供依据。

检测仪器

检测仪器是抗剪强度测试的基础，主要设备包括直剪仪和三轴压缩仪。直剪仪（如应变控制式直剪仪）结构相对简单，由上下剪切盒组成，可施加垂直压力并通过水平位移系统进行剪切；它适用于快速测定土样在不同正应力下的参数。三轴压缩仪则更为高级，由压力室、轴向加载系统和围压控制系统构成，能模拟真实土体应力状态，通过调整围压和排水条件来精确测定c和φ。辅助仪器包括环剪仪（用于大变形测试）、十字板剪切仪（现场快速检测）以及数据采集设备（如力传感器和位移计）。这些仪器具备自动记录功能，确保测试数据的精度和可靠性。选择仪器时需考虑土样特性：直剪仪适合砂土和低塑性黏土，而三轴仪更适合高塑性黏土或需要复杂应力路径的试验。

检测方法

检测方法依赖于所选仪器，常见的有直接剪切试验和三轴压缩试验。直接剪切试验步骤如下：将土样置于直剪仪的剪切盒中，施加恒定垂直压力（如50kPa、100kPa、200kPa），然后以恒定速率水平剪切土样直至破坏；通过测量剪应力与剪切位移曲线，并绘制不同正应力下的峰值强度点，利用库仑方程计算c和φ值。三轴压缩试验更复杂：土样封装在橡皮膜中放入压力室，施加各向同性围压（如100kPa）后，进行轴向加载（排水或不排水条件下）；破坏后分析应力-应变曲线，结合摩尔圆确定强度参数。其他方法包括环剪试验（用于循环加载）和现场十字板试验（快速原位测试）。方法选择需根据土类和应用场景，例如，砂土常用直接剪切法以节省时间，而黏土多用三轴法以提高精确度；所有方法均强调控制含水率和加载速率以避免误差。

检测标准

检测标准确保测试结果的统一性和可比性，主要参考国际和国内规范。国际标准包括ASTM D3080（用于直接剪切试验，规定试样尺寸、加载速率和数据处理）和ASTM D2850（用于三轴压缩试验，涵盖围压设置和破坏准则）。在欧盟，BS EN ISO 17892系列标准提供详细指南。中国国家标准以GB/T 50123《土工试验方法标准》为主，它明确了抗剪强度检测的采样、制备、试验步骤和报告格式。附加标准如JTG E40（公路土工试验规程）适用于特定工程领域。这些标准规定了关键要求：试样需在饱和或原状条件下测试；数据应通过至少三个不同的正应力水平验证；并在报告中附上误差分析。遵守标准能提高检测的可靠性，确保工程安全性与国际接轨。