直剪试验（直接剪切试验）是最古老的剪切试验方法，由库仑于1776年首创。
试验装置： - 剪切盒：上、下两个可相对滑动的盒子 - 加荷系统：竖向压力系统和水平推力系统 - 量测系统：位移传感器、量力环
试验过程： 1. 将土样装入剪切盒 2. 施加竖向压力σ（法向应力） 3. 施加水平推力，使上下盒相对移动 4. 记录剪应力τ与剪切位移Δl的关系 5. 确定抗剪强度τf
根据排水条件，直剪试验分为三种：
快剪（不固结不排水剪，UU）： - 施加竖向压力后立即快速剪切 - 3~5分钟内完成 - 模拟不排水条件 - 测得总应力强度指标cq、φq
固结快剪（固结不排水剪，CU）： - 施加竖向压力，待固结稳定后快速剪切 - 允许竖向排水，但不允许水平排水 - 测得总应力强度指标ccq、φcq
慢剪（固结排水剪，CD）： - 施加竖向压力固结稳定后，缓慢剪切 - 允许充分排水 - 剪切速率很慢（粘土约0.02mm/min） - 测得有效应力强度指标cs、φs ≈ c'、φ'
对同一土样，用4个试样在不同竖向压力下进行剪切，得到4组(σ, τf)数据。
绘制强度包络线，确定： $$\tau_f = c + \sigma \tan\varphi$$
优点： - 设备简单，操作方便 - 试验费用低 - 试样薄，固结快
缺点： - 剪切面固定，不一定是薄弱面 - 剪切面上应力分布不均匀 - 无法控制排水条件 - 无法测孔隙水压力 - 剪切面积逐渐减小
三轴压缩试验是测定土抗剪强度最完善的室内试验方法。
试验装置： - 压力室：装有液体（水）的密闭容器 - 试样：圆柱形，直径39.1mm、61.8mm或101mm，高径比为2:1 - 围压系统：通过压力室液体施加围压σ₃ - 轴压系统：通过活塞施加轴向压力 - 孔压系统：测量孔隙水压力 - 体变系统：测量排水量
试验过程： 1. 将试样包在橡胶膜内，装入压力室 2. 施加围压σ₃（各向等压固结） 3. 施加轴向压力增量Δσ₁（偏差应力） 4. 至试样剪切破坏，记录(σ₁-σ₃)与轴向应变ε₁ 5. 确定破坏时的主应力差(σ₁-σ₃)f
不固结不排水剪（UU试验）： - 关闭排水阀，不允许排水 - 施加围压σ₃，不测孔压 - 立即施加轴向压力至破坏 - 测得总应力指标cu、φu（一般φu≈0）
固结不排水剪（CU试验）： - 施加围压σ₃，打开排水阀，待固结稳定 - 关闭排水阀，施加轴向压力 - 测孔隙水压力 - 可得总应力指标ccu、φcu和有效应力指标c'、φ'
固结排水剪（CD试验）： - 施加围压σ₃，充分固结 - 打开排水阀，以很慢速率施加轴向压力 - 测排水量 - 测得有效应力指标cd、φd（≈c'、φ'）
特点： - 三轴试验的特例，σ₃=0 - 属于不排水试验 - 设备简单，操作方便
试验成果： - 无侧限抗压强度qu - 不排水抗剪强度cu = qu/2
适用条件： - 饱和软粘土 - φu≈0的情况
优点： - 应力状态和应力路径明确 - 可控制排水条件 - 可测量孔隙水压力 - 可测得有效应力强度指标 - 可进行特殊试验（如K₀固结、应力路径试验）
缺点： - 设备复杂，费用高 - 试验时间长 - 试样制备复杂 - 主应力方向固定（轴对称）
有效应力法： - 使用有效应力强度指标c'、φ' - 需确定孔隙水压力 - 理论严格，符合土力学原理 - 适用于各种排水条件
总应力法： - 使用总应力强度指标c、φ - 不需确定孔隙水压力 - 试验条件和工程条件需对应 - 方便实用，但理论上不如有效应力法严格
| 工程情况 | 试验方法 | 强度指标 |
| ——— | ——— | ——— |
| 施工快、透水性差、排水差 | UU试验或快剪 | cu、φu或cq、φq |
| 施工慢、透水性较好、排水好 | CD试验或慢剪 | c'、φ'或cs、φs |
| 介于两者之间 | CU试验或固结快剪 | ccu、φcu或ccq、φcq |
具体选用： - 软土地基快速填方：用UU试验指标 - 土坡长期稳定分析：用CD试验或有效应力指标 - 开挖基坑短期稳定：用UU试验指标 - 饱和砂土：用有效应力指标
应力路径是指土体在外荷载作用下，应力状态变化轨迹在应力坐标图上的表示。
表示方法： - p-q图：p=(σ₁+σ₃)/2，q=(σ₁-σ₃)/2 - s-t图：s=(σ₁+σ₃)/2，t=(σ₁-σ₃)/2 - σ-τ图
UU试验： - 施加围压：p增加，q=0 - 剪切：p不变，q增加（总应力路径） - 有效应力路径向左移动（孔压增加）
CU试验： - 固结阶段：p增加，q=0，有效应力增加 - 剪切阶段：总应力p不变，q增加 - 有效应力p'减小（孔压增加）
CD试验： - 总应力路径与有效应力路径重合 - p先增加，然后p不变而q增加
- 研究土的变形和强度特性 - 模拟实际工程加载条件 - 预测土的应力-应变关系 - 分析地基沉降和稳定性
松砂： - 剪缩（体积减小） - 强度随应变增加而增大 - 峰值强度与残余强度接近
密砂： - 先剪缩后剪胀（体积增大） - 有明显的峰值强度 - 峰值后强度下降至残余强度
临界孔隙比ecr是指在一定围压下，剪切时体积不变的孔隙比。 - e > ecr：剪缩 - e < ecr：剪胀
液化现象： 饱和松砂在动荷载（如地震）作用下，孔隙水压力上升，有效应力降为零，土失去抗剪强度而呈液态。
液化条件： - 饱和松砂 - 动荷载作用 - 排水不畅
防止措施： - 加密（提高相对密实度） - 排水 - 加大围压
例题11-1 某饱和粘土进行三轴UU试验，三个试样结果如下：
| 试样 | σ₃(kPa) | (σ₁-σ₃)f(kPa) |
| —– | ——— | ————— |
| 1 | 100 | 85 |
| 2 | 200 | 82 |
| 3 | 300 | 88 |
求总应力强度指标。
解：
计算σ₁ = σ₃ + (σ₁-σ₃)f：
| 试样 | σ₃(kPa) | σ₁(kPa) |
| —– | ——— | ——— |
| 1 | 100 | 185 |
| 2 | 200 | 282 |
| 3 | 300 | 388 |
绘制莫尔圆，连接公切线得强度包络线。
由于三个莫尔圆几乎相同大小，近似水平切线： $$\varphi_u \approx 0°$$
平均cu = (85+82+88)/2/2 = 41.3 kPa（取半径平均）
或cu = 85/2 ≈ 42 kPa
例题11-2 某粘性土进行固结快剪试验，结果如下：
| σ(kPa) | 100 | 200 | 300 | 400 |
| ——- | —– | —– | —– | —– |
| τf(kPa) | 85 | 125 | 165 | 205 |
求ccq和φcq。
解：
绘制τf-σ曲线，为直线。
用两点计算： $$\tan\varphi_{cq} = \frac{205-85}{400-100} = \frac{120}{300} = 0.4$$
$$\varphi_{cq} = \arctan(0.4) = 21.8°$$
由点(100, 85)： $$85 = c_{cq} + 100 \times 0.4$$
$$c_{cq} = 85 - 40 = 45 \text{ kPa}$$
例题11-3 某饱和软粘土进行无侧限抗压试验，测得qu=45kPa。求不排水抗剪强度cu。
解：
$$c_u = \frac{q_u}{2} = \frac{45}{2} = 22.5 \text{ kPa}$$
1. 直剪试验的三种方法有什么区别？各适用于什么情况？
2. 三轴试验的三种方法各有什么特点？如何选用？
3. 为什么UU试验测得的φu≈0？
4. 比较直剪试验和三轴试验的优缺点。
5. 某粘土CU试验结果：σ₃=200kPa，(σ₁-σ₃)f=180kPa，破坏时u=120kPa。求总应力和有效应力强度指标（设φcu=20°）。
6. 某砂土直剪试验结果：σ=100kPa时τf=65kPa；σ=200kPa时τf=130kPa。求强度指标。
7. 什么是应力路径？有什么工程意义？
8. 某饱和粘土无侧限抗压强度qu=60kPa，求不排水抗剪强度cu。若进行UU试验，估计(σ₁-σ₃)f是多少？
— *本章完*