第五章、土抗剪強(qiáng)度及其參數(shù)確定

6土的抗剪強(qiáng)度土木建筑學(xué)院土體抗剪強(qiáng)度不足造成的山體滑坡。土體抗剪強(qiáng)度不足造成的樓房倒塌。

土的抗剪強(qiáng)度指土體抵抗剪切破壞的極限能力，是土的主要力學(xué)性質(zhì)之一。土體的破壞通常是剪切破壞。

建筑物地基在外荷載作用下將產(chǎn)生剪應(yīng)力和剪切變形。土具有抵抗剪應(yīng)力的潛在能力——剪阻力。

6.1土的抗剪強(qiáng)度概述

剪阻力隨著剪應(yīng)力的增加而逐漸發(fā)揮，剪阻力被完全發(fā)揮時，土就處于剪切破壞的極限狀態(tài)，此時剪應(yīng)力也就到達(dá)極限，這個極限值就是土的抗剪強(qiáng)度。6.3.1直接剪切試驗6.2土的抗剪強(qiáng)度理論

6.2.1庫倫公式及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

1773年C．A．庫倫(Comlomb)根據(jù)砂土的試驗，將土的抗剪強(qiáng)度表達(dá)為滑動面上法向總應(yīng)力的函數(shù)，即

粘性土:τf=c＋

tan砂土:τf=

tan

無粘性土的抗剪強(qiáng)度與剪切面上的法向應(yīng)力成正比，其本質(zhì)是由于土粒之間的滑動摩擦以及凹凸面間的鑲嵌作用所產(chǎn)生的摩阻力，其大小決定于土粒表面的粗糙度、密實度、土顆粒的大小以及顆粒級配等因素。

粘性土的抗剪強(qiáng)度由兩部分組成，一部分是摩擦力(與法向應(yīng)力成正比)，另—部分是土粒之間的粘結(jié)力，它是由于粘性土顆粒之間的膠結(jié)作用和靜電引力效應(yīng)等因素引起的。大量試驗表明，土的抗剪強(qiáng)度不僅與土的性質(zhì)有關(guān)，還與試驗時的排水條件、剪切速率、應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力歷史等許多因素有關(guān)。其中最重要的是試驗時的排水條件．根據(jù)K．太沙基(Terzaghi)的有效應(yīng)力概念，土體內(nèi)的剪應(yīng)力僅能由土的骨架承擔(dān)，由此，土的抗剪強(qiáng)度應(yīng)表示為剪切破壞面上法向有效應(yīng)力的函數(shù)．庫侖公式應(yīng)修改為：τf=’tan’τf=c’

＋’

tan’6.2.2莫爾—庫倫強(qiáng)度理論及極限平衡條件

1910年莫爾(Mohr)提出材料的破壞是剪切破壞，當(dāng)任一平面上的剪應(yīng)力等于材料的抗剪強(qiáng)度時該點(diǎn)就發(fā)生破壞，并提出在破壞面上的剪應(yīng)力τf是該面上法向應(yīng)力的函數(shù)，即τf

＝f（）

土體中任意點(diǎn)的應(yīng)力莫爾—庫倫破壞準(zhǔn)則

——土的極限平衡條件

當(dāng)土體中任意一點(diǎn)在某一平面上的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度時，就發(fā)生剪切破壞。即土體處于極限平衡狀態(tài)，根據(jù)莫爾—庫倫理論和莫爾應(yīng)力圓可得到土體中一點(diǎn)的剪切破壞條件，即土的極限平衡條件。極限平衡狀態(tài)時，大、小主應(yīng)力之間的關(guān)系，稱為莫爾—庫倫破壞準(zhǔn)則。將抗剪強(qiáng)度包線與莫爾應(yīng)力圓畫在同一張坐標(biāo)圖上。它們之間的關(guān)系有以下三種情況。Ⅰ穩(wěn)定狀態(tài)Ⅱ極限平衡狀態(tài)Ⅲ不可能狀態(tài)抗剪強(qiáng)度剪應(yīng)力莫爾圓與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系最大剪應(yīng)力處不發(fā)生破壞？土的極限平衡條件推導(dǎo)破裂面、破裂角破裂面

在土體中取一單元微體。mn為破裂面，它與大主應(yīng)力的作用面成f角。破裂角

說明破壞面與最大主應(yīng)力

1的作用面的夾角為（450＋

/2)。如前所述，土的抗剪強(qiáng)度τf

實際上取決于有效應(yīng)力，所以，

取有效摩擦角′時才代表實際的破裂角。6.3抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的測定方法

土的抗剪強(qiáng)度是土的一個重要力學(xué)性能指標(biāo)．在計算承載力、評價地基的穩(wěn)定性以及計算擋土墻的土壓力時，都要用到土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，因此，正確地測定土的抗剪強(qiáng)度在工程上具有重要意義?？辜魪?qiáng)度的試驗方法:直接剪切試驗三軸壓縮試驗實驗室無側(cè)限抗壓試驗

十字板剪切試驗

大型直接剪切試驗

現(xiàn)場原位測試抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的測定方法抗剪強(qiáng)度的影響因素:1.土的種類；2.土的密度、含水量；3.初始應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力歷史；4.試驗中的排水條件等?？辜魪?qiáng)度指標(biāo):總應(yīng)力指標(biāo)： c，

有效應(yīng)力指標(biāo)：c′，′

在剪切試驗中試樣內(nèi)的有效應(yīng)力(或孔隙水應(yīng)力)將隨剪切前試樣的固結(jié)程度和剪切中的排水條件而異。因此，同一種土如用不同的方法進(jìn)行試驗，求出的總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)是不同的，即便剪破面上的法向總應(yīng)力相同，也未必就有相同的強(qiáng)度。當(dāng)采用有效應(yīng)力表示試驗結(jié)果時，不同試驗方法引起的強(qiáng)度差異是通過′項來反映，而有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)基本不變。直接剪切試驗

直接剪切儀分為應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種，前者是等速推動試樣產(chǎn)生位移．測定相應(yīng)的剪應(yīng)力，后者則是對試件分級施加水平剪應(yīng)力測定相應(yīng)的位移，目前我國普遍采用的是應(yīng)變控制式直剪儀。

對同一種土至少取4個重度和含水量相同的試樣，分別在不同垂直壓力下剪切破壞，一般可取垂直壓力為100、200、300、400kPa，將試驗結(jié)果繪制抗剪強(qiáng)度τf

和垂直壓力之間關(guān)系曲線。一般取峰值作為該級壓力下的抗剪強(qiáng)度τf

。必要時可取終值（殘余強(qiáng)度）作為抗剪強(qiáng)度。直接剪切試驗方法：

為了近似模擬土體在現(xiàn)場受剪的排水條件，直接剪切試驗可分為快剪、固結(jié)快剪和慢剪：快剪試驗——在試樣施加垂直壓力后．立即快速施加水平剪應(yīng)力使試樣剪切破壞。固結(jié)快剪——在試樣施加垂直壓力后，允許試樣充分排水，待固結(jié)完成后，再快速施加水平剪應(yīng)力使試樣剪切破壞。慢剪試驗——在試樣施加垂直壓力后，允許試樣充分排水，待固結(jié)完成后，以緩慢的速率施加水平剪應(yīng)力使試樣剪切破壞。直接剪切試驗優(yōu)缺點(diǎn)

直接剪切儀具有構(gòu)造簡單，操作方使等優(yōu)點(diǎn)，但它存在若干缺點(diǎn)，主要有：①剪切面限定在上下盒之間的平面，而不是沿土樣最薄弱的面剪切破壞；②剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻，土樣剪切破壞時先從邊緣開始，在邊緣發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象；③在剪切過程中，土樣剪切面逐漸縮小，而在計算抗剪強(qiáng)度時卻是按土樣的原截面積計算；④試驗時不能嚴(yán)格控制排水條件，不能量測孔隙水壓力、在進(jìn)行不排水剪切時，試件仍有可能排水，特別對于飽和粘粘性土。

直剪儀內(nèi)試件的應(yīng)力和應(yīng)變

試樣內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，應(yīng)變分布不均勻。在加剪應(yīng)力以前，大主應(yīng)力1就是作用于試樣上的豎向應(yīng)力n。試件處于側(cè)限狀態(tài)，所以

2＝3＝k

1。加剪應(yīng)力τ后，主應(yīng)力的方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，剪應(yīng)力愈大，偏轉(zhuǎn)角也愈大，所以試驗過程中主應(yīng)力的方向是不斷變化的。直剪儀內(nèi)試件的應(yīng)力和應(yīng)變另外，在試驗資料的分析中，假定試件中的剪應(yīng)力均勻分布，但事實上并非如此。當(dāng)試件被剪破時，靠近剪力盒邊緣的應(yīng)變最大，而試件的中間部分的應(yīng)變相對要小得多，剪切面附近的應(yīng)變又大于試件頂部和底部的應(yīng)變。所以，在剪切過程中，特別是在剪切破壞時，試件內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變，既非均勻又難確定。三軸壓縮試驗

三軸壓縮試驗也稱三軸剪切試驗，是測定土抗剪強(qiáng)度的一種較為完善的方法。三軸壓縮儀由壓力室、軸向加荷系統(tǒng)、施加圍壓系統(tǒng)、孔隙水壓力量測系統(tǒng)等組成。

三軸壓縮試驗

常規(guī)試驗方法的主要步驟如下：1.將土樣切成圓柱體套在橡膠膜內(nèi)、放在密封的壓力室中．然后向壓力室內(nèi)壓入水，使試樣各向受到圍壓3，并使液壓在整個試驗過程中保持不變，這時試樣內(nèi)各向的三個主應(yīng)力都相等、因此不發(fā)生剪應(yīng)力。2.然通過傳力桿對試樣施加豎向壓力，這樣，豎向主應(yīng)力就大于水平向主應(yīng)力．水平向主應(yīng)力保持不變。而豎向主應(yīng)力逐漸增大，試件終于至剪切破壞。三軸壓縮試驗

三軸壓縮試驗方法三軸壓縮試驗按剪切前的固結(jié)程度和剪切時的排水條件，分為以下三種試驗方法；

(1)不固結(jié)不排水試驗(UUTest)：試樣在施加周圍壓力和隨后施加豎向壓力直至剪切破壞的整個過程中都不允許排水，試驗自始至終關(guān)閉排水閥門。

(2)固結(jié)不排水試驗(CUTest)：試樣在施加周圍壓力3后打并排水閥門，允許排水固結(jié)，穩(wěn)定后關(guān)閉排水閥門，再施加豎向壓力、使試樣在不排水的條件下剪切破壞。(3)固結(jié)排水試驗(CDTest)：試樣在施加周圍壓力3時允許排水固結(jié)，待固結(jié)穩(wěn)定后，再在排水條件下施加豎向壓力至試樣剪切破壞。三軸壓縮試驗優(yōu)缺點(diǎn)

三軸壓縮儀的突出優(yōu)點(diǎn):能較為嚴(yán)格地控制排水條件，量測試件中孔隙水壓力的變化。此外，試件中的應(yīng)力狀態(tài)也比較明確，破裂面是在最弱處，而不象直接剪切儀那樣限定在上下盒之間。一般說來，三軸壓縮試驗的結(jié)果比較可靠。

三軸壓縮試驗的缺點(diǎn):

是試樣的中主應(yīng)力2＝3。而實際上土體的受力狀態(tài)未必都屬于這類軸對稱情況。真三軸儀中的試樣可在不同的三個主應(yīng)力(1≠2≠

3)作用下進(jìn)行試驗。6.3.3無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗與三軸儀中進(jìn)行3＝0的不排水剪切試驗一樣，試驗時，將圓柱形試樣放在無側(cè)限抗壓試驗儀中，在不加任何側(cè)向壓力的情況下施加垂直壓力，直到使試件剪切破壞為止，剪切破壞時試樣所能承受的最大軸向壓力qu稱為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗

根據(jù)試驗結(jié)果，只能作一個極限應(yīng)力圓(1＝qu、3＝0)，因此對于一般粘性土就難以作出破壞包線。而對于飽和粘性土，根據(jù)在三軸不固結(jié)不排水試驗的結(jié)果，其破壞包線近于一條水平線，即u＝0。這樣，如僅為了測定飽和粘性土的不排水抗剪強(qiáng)度．就可以以利用構(gòu)造比較簡中的無側(cè)限抗壓試驗儀代替三軸儀。此時，取u＝0．則由無側(cè)阻抗比強(qiáng)度試驗所得的極限應(yīng)力圓的水平線就是破壞包線，得：靈敏度：原狀土與重塑土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值。6.3.3十字板剪切試驗十字板剪切試驗室內(nèi)的抗剪強(qiáng)度測試要求取得原狀土樣。但由于試樣在采取、運(yùn)送、保存和制備等方面不可避免地受到擾動，含水量也很難保持、特別是對于高靈敏度的軟粘土，室內(nèi)試驗結(jié)果的精度就受到影響。6.4飽和粘性土的抗剪強(qiáng)度

不固結(jié)不排水試驗是在施加周圍壓力和軸向壓力直至剪切破壞的整個試驗過程中都不允許排水，如果有一組飽和粘性土試件，首先在某一圍壓下固結(jié)至穩(wěn)定．試件中的初始孔隙水壓力為零，然后分別在不排水條件下施加圍壓和軸向壓力至剪切破壞．一般只用于測定飽和土的不排水強(qiáng)度一、不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度

不排水條件下，試樣在試驗過程中含水量不變，體積不變。改變圍壓增量只能引起孔隙水壓力的變化，并不會改變試樣中的有效應(yīng)力，各試樣在剪切前的有效應(yīng)力相等，因此抗剪強(qiáng)度不變。

不固結(jié)不排水試驗的“不固結(jié)”是在三軸壓力室壓力下不再固結(jié)．而保持試樣原來的有效應(yīng)力不變，如果飽和粘性土從未固結(jié)過，將是一種泥漿狀土，抗剪強(qiáng)度也必然等于零。從天然土層中取出的試樣，相當(dāng)于在某一壓力下已經(jīng)固結(jié)，具有一定的天然強(qiáng)度。不排水抗剪強(qiáng)度取決于天然土層有效固結(jié)壓力。二、固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度

正常固結(jié)試樣剪切時體積有減少的趨勢（剪縮）。但由于不允許排水，產(chǎn)生正的孔隙水壓力，超固結(jié)試樣在剪切時體積有增加的趨勢（剪脹）。

強(qiáng)超固結(jié)試樣在剪切過程中．開始產(chǎn)生正的孔隙水壓力．以后轉(zhuǎn)為負(fù)值。

如果試樣所受到的3>pc，屬于正常固結(jié)試樣；如果3<pc，則屬于超固結(jié)試樣。試驗結(jié)果證明，這兩種不同固結(jié)狀態(tài)的試樣，其抗剪強(qiáng)度性狀是不同的。正常固結(jié)飽和粘性土固結(jié)不排水試驗結(jié)果

有效應(yīng)力圓與總應(yīng)力圓直徑相等、僅位置不同。兩者之間的距離為uf，因為正常固結(jié)試樣在剪切破壞時產(chǎn)生正的孔隙水壓力，故有效應(yīng)力圓在總應(yīng)力圓的左方?？倯?yīng)力破壞包線和有效應(yīng)力破壞包線都通原點(diǎn)，說明未受任何固結(jié)壓力的土(如泥漿狀土)不具有抗剪強(qiáng)度?？倯?yīng)力破壞包線的傾角以cu表示，一般在10o～20o之間，有效應(yīng)力破壞包線的傾角′稱為有效內(nèi)摩擦角，′比cu大一倍左右。超固結(jié)土的固結(jié)不排水試驗結(jié)果

超固結(jié)土的固結(jié)不排水總應(yīng)力破壞包線是一條平緩的曲線，可近似用直線ab代替，與正常固結(jié)破壞包線bc相交。bc的延長線仍通過原點(diǎn)，實用上將abc折線取為一條直線。固結(jié)不排水剪的總應(yīng)力強(qiáng)度包線可表達(dá)為：τf=ccu＋

tan

cu

固結(jié)不排水剪的有效應(yīng)力強(qiáng)度包線可表達(dá)為：τf=c′＋′tan′

由于超固結(jié)土在剪切破壞時，產(chǎn)生負(fù)孔隙水壓力，有效應(yīng)力圓在總應(yīng)力圓的右方，正常固結(jié)試祥產(chǎn)生正的孔隙水壓力，故