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內(nèi)摩擦角Φ檢測(cè)

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發(fā)布時(shí)間：2025-07-29 16:39:52 更新時(shí)間：2025-07-28 16:39:53

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測(cè)中心

內(nèi)摩擦角Φ檢測(cè)

內(nèi)摩擦角（通常用符號(hào)Φ表示）是描述土體、散粒體或巖石碎屑抗剪強(qiáng)度的核心參數(shù)之一，它是庫侖抗剪強(qiáng)度理論中的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)之一（另一個(gè)是粘聚力c）。它本質(zhì)上反映了材料顆粒之間相互滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力特性。在巖土工程、地質(zhì)工程、采礦工程以及土木工程等眾多領(lǐng)域，準(zhǔn)確測(cè)定材料的內(nèi)摩擦角Φ至關(guān)重要。它直接影響著邊坡穩(wěn)定性分析、地基承載力計(jì)算、擋土墻設(shè)計(jì)、隧道支護(hù)設(shè)計(jì)以及土壓力預(yù)測(cè)等關(guān)鍵工程問題的安全性與經(jīng)濟(jì)性。因此，規(guī)范、精確地檢測(cè)內(nèi)摩擦角Φ是工程勘察、設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量控制的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

檢測(cè)項(xiàng)目

內(nèi)摩擦角Φ檢測(cè)的核心項(xiàng)目是確定材料在剪切破壞時(shí)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。具體項(xiàng)目通常包括：

1. 峰值內(nèi)摩擦角 (Φ_peak)： 材料在剪切過程中達(dá)到的最大強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角。
2. 殘余內(nèi)摩擦角 (Φ_res)： 材料在經(jīng)歷大位移剪切后，強(qiáng)度趨于穩(wěn)定時(shí)的內(nèi)摩擦角，對(duì)于評(píng)估滑坡復(fù)活或已滑動(dòng)面的穩(wěn)定性尤為重要。
3. 有效內(nèi)摩擦角 (Φ')： 在考慮孔隙水壓力影響下，作用于土顆粒骨架上的有效應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角。這是進(jìn)行有效應(yīng)力分析的關(guān)鍵參數(shù)。
4. 總應(yīng)力內(nèi)摩擦角 (Φ_u 或 Φ_total)： 在不區(qū)分孔隙水壓力影響，使用總應(yīng)力進(jìn)行分析時(shí)得到的內(nèi)摩擦角（通常用于快剪或不排水剪試驗(yàn)）。
5. 粘聚力 (c 或 c')： 雖然主要檢測(cè)目標(biāo)是Φ，但內(nèi)摩擦角Φ通常與粘聚力c作為一個(gè)整體抗剪強(qiáng)度參數(shù)包（c, Φ）在試驗(yàn)中同時(shí)測(cè)定。

檢測(cè)儀器

內(nèi)摩擦角Φ的檢測(cè)主要依賴專業(yè)的土工試驗(yàn)儀器，常用的有：

1. 直剪儀：

結(jié)構(gòu)： 由上剪切盒和下剪切盒組成，試樣置于其中。通過施加垂直壓力（σ），然后水平推動(dòng)下盒（或固定下盒推動(dòng)上盒）使試樣在預(yù)定的剪切面上發(fā)生剪切破壞。
類型： 包括應(yīng)變控制式（控制剪切位移速率）和應(yīng)力控制式（控制剪切力）。應(yīng)變控制式更常用。
適用性： 操作相對(duì)簡單，成本較低，適用于測(cè)定砂土、粉土、粘土以及含有礫石的土樣的峰值和殘余強(qiáng)度參數(shù)（需配置往復(fù)剪切裝置）。但其應(yīng)力條件和排水控制不如三軸儀靈活。

2. 三軸壓縮儀：

結(jié)構(gòu)： 試樣為圓柱形，包裹在橡膠膜內(nèi)，置于壓力室中。通過施加圍壓（σ₃）模擬原位應(yīng)力狀態(tài)，然后施加軸向偏差應(yīng)力（σ₁ - σ₃）直至試樣破壞。
優(yōu)點(diǎn)：
- 能更真實(shí)地模擬土體在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的變形和破壞。
- 可嚴(yán)格控制排水條件（不排水剪 UU，固結(jié)不排水剪 CU，固結(jié)排水剪 CD）。
- 可測(cè)量孔隙水壓力，從而計(jì)算有效應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)（c', Φ'）。
- 可進(jìn)行應(yīng)力路徑試驗(yàn)、K₀固結(jié)試驗(yàn)等更復(fù)雜的試驗(yàn)。
適用性： 精度高，功能強(qiáng)大，是研究性和重要工程中測(cè)定Φ（尤其是有效應(yīng)力參數(shù)Φ'）的標(biāo)準(zhǔn)儀器。適用于各類土樣，包括原狀土和重塑土。

3. 無側(cè)限壓縮儀：

可視為圍壓σ₃ = 0 的特殊三軸試驗(yàn)。主要用于測(cè)定飽和粘性土的不排水抗剪強(qiáng)度（S_u），理論上Φ_u = 0。對(duì)于其他土類，單獨(dú)用它測(cè)定Φ意義不大。

4. 其他輔助儀器：

固結(jié)儀： 用于測(cè)定土體的壓縮性指標(biāo)，常與三軸儀配合進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)。
休止角測(cè)定儀： 通過測(cè)量干燥散粒體自然堆積形成的斜坡角度（休止角）來近似估計(jì)其內(nèi)摩擦角（通常接近Φ_res），主要用于砂土等無粘性土的初步快速評(píng)估，精度較低。
現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備： 如十字板剪切儀（主要測(cè)粘性土不排水強(qiáng)度）、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（SPT）、靜力觸探試驗(yàn)（CPT）等，其測(cè)得的指標(biāo)可通過經(jīng)驗(yàn)關(guān)系間接估算內(nèi)摩擦角Φ，但不如室內(nèi)試驗(yàn)直接和準(zhǔn)確。

檢測(cè)方法

內(nèi)摩擦角Φ的測(cè)定方法主要取決于所使用的儀器和需要模擬的工程條件（排水條件、應(yīng)力路徑）：

1. 直剪試驗(yàn)：

快剪 (Q)： 施加垂直壓力后，立即進(jìn)行剪切，且剪切速率較快，盡量不讓孔隙水排出。測(cè)得的是總應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù) (c_q, Φ_q)，適用于滲透性低的粘性土在施工期短、荷載快速施加的情況。
固結(jié)快剪 (CQ)： 施加垂直壓力后，讓試樣充分固結(jié)（排水），然后以較快速率剪切，阻止剪切過程中排水。測(cè)得的是總應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù) (c_cq, Φ_cq)。
慢剪 (S)： 施加垂直壓力后固結(jié)，然后以非常緩慢的速率剪切，允許剪切過程中充分排水，孔隙水壓力消散為零。測(cè)得的是有效應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù) (c', Φ')。這是直剪試驗(yàn)中最能反映長期穩(wěn)定性的方法。
反復(fù)剪（殘余剪）： 在慢剪或固結(jié)快剪達(dá)到峰值強(qiáng)度后，繼續(xù)往復(fù)剪切較大位移，直至剪切力穩(wěn)定，測(cè)得殘余強(qiáng)度參數(shù) (c_r, Φ_r)。

2. 三軸壓縮試驗(yàn)：

不固結(jié)不排水剪 (UU)： 施加圍壓σ₃和軸向偏差應(yīng)力過程中均不允許排水（關(guān)閉排水閥）。測(cè)得總應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù) (c_u, Φ_u)，對(duì)于飽和粘性土，通常Φ_u ≈ 0。
固結(jié)不排水剪 (CU)： 施加圍壓σ₃時(shí)允許排水固結(jié)（打開排水閥至孔隙水壓力消散），固結(jié)完成后關(guān)閉排水閥，施加軸向偏差應(yīng)力至破壞（不排水）。試驗(yàn)中通常測(cè)量孔隙水壓力，可得到總應(yīng)力參數(shù) (c_cu, Φ_cu) 和有效應(yīng)力參數(shù) (c', Φ')。廣泛用于評(píng)價(jià)土體在荷載施加過程中不允許排水的穩(wěn)定性（如快速填土、地震荷載）。
固結(jié)排水剪 (CD)： 施加圍壓σ₃時(shí)固結(jié)，施加軸向偏差應(yīng)力時(shí)也允許充分排水（打開排水閥，剪切速率極慢，確?？紫端畨毫榱悖?。直接測(cè)得有效應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù) (c_d, Φ_d)。適用于評(píng)價(jià)土體在荷載緩慢施加、允許充分排水的長期穩(wěn)定性（如擋土墻長期工作狀態(tài)、緩慢施工的邊坡）。