固结快剪检测：评估土体抗剪强度的关键试验

固结快剪检测是岩土工程中一项至关重要的室内试验，主要用于测定土体（特别是饱和粘性土）在特定条件下的抗剪强度参数——黏聚力（c）和内摩擦角（φ）。其核心在于模拟土体在工程实践中可能遇到的一种工况：土体在荷载作用下经历了充分的排水固结（孔隙水压力消散完毕，有效应力增加，体积压缩），随后在加载过程中不允许孔隙水排出（即不排水条件），并快速施加剪切力直至土样破坏。这种试验条件常见于地基在建筑物长期荷载作用下已固结稳定，之后又遭遇突加荷载（如地震、快速堆载）的情况。准确获取固结快剪强度指标对于评价地基承载力、边坡稳定性、挡土墙土压力以及预测建筑物沉降等具有决定性的意义，是岩土工程设计计算不可或缺的基础数据。

主要检测项目

固结快剪检测的核心目标是获得土体在经历固结后的不排水抗剪强度指标，具体检测项目包括：

1. 抗剪强度参数： 通过绘制摩尔-库仑强度包线，确定土体的黏聚力（c，单位：kPa）和内摩擦角（φ，单位：°）。这是评价土体抗剪切破坏能力的根本指标。
2. 剪应力-剪切位移关系曲线： 记录剪切过程中剪应力随剪切位移变化的全程曲线，用于分析土样的破坏模式（如渐进破坏、脆性破坏）、峰值强度以及可能的残余强度。
3. 峰值抗剪强度： 试样在剪切过程中所能承受的最大剪应力（τ_max，单位：kPa）。
4. 残余抗剪强度： 对于某些土体（如超固结粘土），在发生大位移剪切后强度可能降低并趋于稳定，此稳定值即为残余强度（τ_res，单位：kPa）。

核心检测仪器

进行固结快剪试验需使用专门的仪器设备，以保证试验条件的精确控制和数据的准确可靠：

1. 直剪仪： 这是进行固结快剪试验最常用的仪器，尤其是指环式应变控制直剪仪。其核心部件包括：
    • 剪切盒： 通常由上盒和下盒组成，用于放置土样。下盒固定，上盒可水平移动。盒内具有透水石和滤纸，允许固结阶段的水排出。
    • 垂直加载系统： 通过杠杆砝码、气压或伺服电机施加并维持恒定的垂直压力（法向应力σ），模拟土体所受的上覆压力。
    • 水平剪切系统： 通常由电机驱动，以恒定的位移速率推动上盒，对土样施加剪切力。采用应变控制方式（如0.8-1.2 mm/min）。
    • 量测系统：
        – 垂直位移传感器（百分表/电子位移计）： 测量固结过程中的竖向变形（压缩量）和剪切过程中的轻微起伏。
        – 水平位移传感器（百分表/电子位移计）： 精确测量剪切位移量。
        – 剪切力传感器（测力环/电子荷载传感器）： 测量施加在土样上的水平剪切力。
2. 数据采集系统： 现代直剪仪通常配备自动数据采集系统，能够实时记录垂直位移、水平位移和剪切力数据，并绘制相关曲线。
3. 饱和装置： 用于制备和饱和土样的设备（如真空饱和装置、水头饱和装置）。
4. 试样制备工具： 切土环刀、钢丝锯、削土刀、重塑土样模具等。

标准检测方法

固结快剪试验需严格按照标准规程操作，主要步骤包括：

1. 试样制备：
    • 原状土样： 使用规定尺寸（通常直径61.8mm，高度20mm或直径79.8mm，高度20mm）的薄壁取土环刀小心切取，尽量减少扰动，保持天然结构。修平试样两端。
    • 重塑土样： 按所需干密度和含水率，在环刀内分层击实制备。
2. 试样饱和： 对于需要饱和的试样，将其连同环刀置于饱和器中进行真空抽气饱和或水头饱和，确保孔隙中气体被水替代。
3. 安装试样： 将装有试样的环刀放入剪切盒的下盒内（通常环刀顶面与剪切盒上沿齐平）。依次放置透水石、滤纸（或透水石）。将剪切盒上盒对准合上，插入固定销，防止剪切盒在固结时相对移动。
4. 施加垂直压力（固结阶段）：
    • 通过垂直加载系统施加第一级选定的垂直压力（如50kPa, 100kPa, 200kPa, 300kPa）。
    • 打开排水阀，让试样在垂直压力下排水固结。
    • 连续监测垂直位移（压缩量）。当满足固结稳定标准（如国家标准通常规定1小时内位移变化量不超过0.005mm）时，认为该级压力下固结完成。
5. 进行快剪（剪切阶段）：
    • 关键点： 拔掉固定销，关闭排水阀（确保后续剪切为不排水条件）。
    • 启动水平剪切系统，以选定的、较快的恒定应变速率（通常为0.8-1.2 mm/min）施加剪切位移。
    • 连续自动或手动记录剪切力（P）和对应的剪切位移（Δl）。
    • 当剪切力达到峰值后出现明显下降（脆性破坏）或当剪切位移达到试样直径的1/5~1/6（通常6-10mm）或应变达到15-20%时（视标准而定），停止剪切。
6. 更换试样与下一级压力试验： 卸除垂直压力和剪切力，取出已破坏的试样。更换新试样，重复步骤1-5，但施加下一级更大的垂直压力进行固结和快剪试验。通常至少需要3-4个不同垂直压力下的试验结果来绘制摩尔-库仑包线。
7. 数据处理与绘图：
    • 计算每个试样的剪应力 τ = P / A (A为试样初始截面积)。
    • 绘制各试样的 τ - Δl 曲线。
    • 确定各垂直压力σ下对应的峰值抗剪强度τ_f（或残余强度τ_r）。
    • 在 τ - σ 坐标系中，以每个试样的σ为横坐标，τ_f为纵坐标，绘制点。通过这些点拟合一条直线（摩尔-库仑破坏包线）。
    • 该直线的截距即为黏聚力 c (kPa)，倾角即为内摩擦角 φ (°)。

主要检测标准

为确保试验结果的可比性和可靠性，固结快剪试验必须严格遵循国家或国际认可的标准规范。常用的标准包括：

1. 中国国家标准 (GB/T):
    •

检测机构资质证书

CMA认证

检验检测机构资质认定证书

证书编号：241520345370

有效期至：2030年4月15日

CNAS认可

实验室认可证书

证书编号：CNAS L22006

有效期至：2030年12月1日

ISO认证

质量管理体系认证证书

证书编号：ISO9001-2024001

有效期至：2027年12月31日