土的抗剪強(qiáng)度王英浩內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院巖土教研組概述土的破壞主要是由于剪切引起的，剪切破壞是土體破壞的重要特點(diǎn).工程時(shí)間中與土的抗剪強(qiáng)度有關(guān)的工程主要有以下3類:（1）土質(zhì)土壩的穩(wěn)定（2）土壓力（3）地基的承載力問(wèn)題工程實(shí)例－土坡穩(wěn)定工程實(shí)例－土坡穩(wěn)定工程實(shí)例－土壓力工程實(shí)例－土壓力工程實(shí)例－地基承載力問(wèn)題工程實(shí)例－地基承載力問(wèn)題第一節(jié)土的抗剪強(qiáng)度概述土的抗剪強(qiáng)度:是指土體抵抗剪切破壞的極限能力。

滑動(dòng)面(破壞面):當(dāng)土體受到荷載作用后,土中各點(diǎn)將產(chǎn)生剪應(yīng)力,若某點(diǎn)的剪應(yīng)力達(dá)到其抗剪強(qiáng)度,在剪切面兩側(cè)的土體將產(chǎn)生相對(duì)位移而產(chǎn)生滑動(dòng)破壞,該剪切面稱為滑動(dòng)面或破壞面。一.庫(kù)侖公式1）庫(kù)倫公式基本形式（總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度公式）式中——剪切破壞面上的剪應(yīng)力，即土的抗剪強(qiáng)度(KPa)

——破壞面上的法向應(yīng)力(KPa)

——土的粘聚力，(KPa)對(duì)于無(wú)粘性土，

——土的內(nèi)摩擦角(o) 稱為抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，同一種土，它們與試驗(yàn)方法有關(guān)

無(wú)粘性土粘性土（2）有效效應(yīng)力抗剪剪強(qiáng)度公式式式中———剪剪切破壞面面上的有效效法向應(yīng)力力(KPa)u——土中的超靜靜孔隙水壓壓力(KPa)——土的有有效粘聚力力(KPa)——土的有有效內(nèi)摩擦擦角(o)稱為土的有效抗剪強(qiáng)強(qiáng)度指標(biāo)，同一種種土，其其值理論論上與試試驗(yàn)方法法無(wú)關(guān)，，應(yīng)接近近于常數(shù)數(shù)。問(wèn)題:總總應(yīng)力法法與有效效應(yīng)力法法的優(yōu)缺缺點(diǎn)是什什么?總應(yīng)力法法比有效應(yīng)應(yīng)力法簡(jiǎn)簡(jiǎn)單,因因?yàn)樵囼?yàn)驗(yàn)時(shí)不需需測(cè)量孔孔隙水壓壓力,進(jìn)進(jìn)行穩(wěn)定定分析時(shí)時(shí)也不考考慮孔隙隙水壓力力,只需需測(cè)量總總應(yīng)力即即可.但但是對(duì)于于同一種種土,施施加相同同的總應(yīng)應(yīng)力,如如果試驗(yàn)驗(yàn)方法不不同,或或者說(shuō)控控制的排排水條件件不同,則所得得的強(qiáng)度度指標(biāo)也也就不相相同.也也就是說(shuō)說(shuō),總應(yīng)應(yīng)力和土土的抗剪剪強(qiáng)度沒(méi)沒(méi)有唯一一對(duì)應(yīng)的的關(guān)系,應(yīng)用較較多.有效應(yīng)力力法考慮了孔孔隙水壓壓力的影影響,只只計(jì)入作作用于粒粒間的有有效應(yīng)力力,試驗(yàn)驗(yàn)證明,對(duì)于同同一種土土,不論論采用何何種試驗(yàn)驗(yàn)方法,只要能能準(zhǔn)確測(cè)測(cè)量出孔孔隙水壓壓力,則則所得的的有效抗抗剪強(qiáng)度度指標(biāo)是是相同的的.它們們有唯一一對(duì)應(yīng)的的關(guān)系.但測(cè)量量孔隙水水壓力時(shí)時(shí),比較較麻煩,需要精精確評(píng)價(jià)價(jià)地基強(qiáng)強(qiáng)度和穩(wěn)穩(wěn)定性時(shí)時(shí)常采用用.抗剪強(qiáng)度度的來(lái)源源：1）無(wú)粘粘性土：：來(lái)源于土土粒間的的摩擦力力（內(nèi)摩摩擦力））。包括：a.一部分由由于土顆顆粒粗糙糙產(chǎn)生的的表面摩摩擦力；；b.另一部分分是粗顆顆粒之間間互相鑲鑲嵌，聯(lián)聯(lián)鎖作用用產(chǎn)生的咬咬合力。。2）粘性性土：除內(nèi)摩擦擦力外，，還有內(nèi)內(nèi)聚力。。內(nèi)聚力主主要來(lái)源源于：土土顆粒之之間的電電分子吸吸引力和和土中膠膠結(jié)物質(zhì)質(zhì)（硅、、鐵物質(zhì)質(zhì)和碳酸酸鹽等））對(duì)土粒粒的膠結(jié)結(jié)作用。。砂土的內(nèi)內(nèi)摩擦角角變化范范圍不是是很大，，中砂、、粗砂、、礫砂一一般為32°～40°；粉砂、、細(xì)砂一一般為28°～36°。e愈小，內(nèi)摩擦角角愈大，但但含水飽飽和粉砂砂、細(xì)砂砂很容易易失穩(wěn)，，因此對(duì)對(duì)其內(nèi)摩摩擦角的的取值宜宜慎重，，規(guī)定取取20°左右。砂砂土有時(shí)時(shí)也有很很小的粘粘聚力（（約10kPa以內(nèi)），，這是由由于砂土土中夾有有一些粘粘土顆粒粒，也可可能是由由于毛細(xì)細(xì)粘聚力力的緣故故。粘性土的的抗剪強(qiáng)強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)的變化化范圍很很大，它它與土的的種類有有關(guān)，并并且與土土的天然然結(jié)構(gòu)是是否破壞壞、試樣樣在法向向壓力下下的排水水固結(jié)程程度及試試驗(yàn)方法法等因素素有關(guān)。。內(nèi)摩擦擦角的變變化范圍圍大致為為0°～30°；粘聚力力則可從從小于10kPa變化到200kPa以上。土的抗剪剪強(qiáng)度指指標(biāo)的工工程數(shù)值值：二.莫爾爾-庫(kù)侖侖強(qiáng)度理理論(一)、、土體中中任一點(diǎn)點(diǎn)的應(yīng)力力狀態(tài)假定土層層為均勻勻、連續(xù)續(xù)的半空空間材料料，研究究地面以以下任一一深度處處M點(diǎn)的應(yīng)力力狀態(tài)。。下面僅研研究平面面問(wèn)題，，在土體中中取一微微單元體體，作用在該該單元體體上的兩兩個(gè)主應(yīng)力為為，，則作用在在與大主主應(yīng)力作作用面成成角角的的平平面上上的正應(yīng)應(yīng)力和和剪剪應(yīng)力可可根據(jù)靜靜力平衡衡條件求求得：如下圖。以上可用莫爾圓表示，(二)、、土的極極限平衡衡條件的的建立

如果給定了土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)和c以及土中某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，則可將抗剪強(qiáng)度包線與莫爾應(yīng)力圓畫(huà)在同一張坐標(biāo)圖上。它們之間的關(guān)系有三種情況：（1）莫爾圓位于抗剪強(qiáng)度包線下方（圓1），說(shuō)明該點(diǎn)在任何平面上的剪應(yīng)力都小于土所能發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度，因此不會(huì)發(fā)生剪切破壞；（2）圓3實(shí)際上不存在；（3）圓2，說(shuō)明在A點(diǎn)所代表的平面上剪應(yīng)力正好等于抗剪強(qiáng)度，該點(diǎn)處于極限平衡狀態(tài)。c

土處于極極限平衡衡狀態(tài)下下時(shí)根據(jù)極限限應(yīng)力圓圓與抗剪剪強(qiáng)度包包線相切切的幾何何關(guān)系，，可建立立以下極極限平衡條件件：粘性土：：化簡(jiǎn)后得得：無(wú)粘性土：破裂面破裂角：破壞面與與大主應(yīng)應(yīng)力作用用面間的的夾角問(wèn)題:土土體的最最大剪應(yīng)應(yīng)力面是是否即剪剪切破裂裂面?對(duì)于飽和和軟粘土土,在不不排水條條件下,其內(nèi)摩摩擦角為為0,此此時(shí)土體體的最大大剪應(yīng)力力面即為為剪切破破裂面.第二節(jié)抗剪剪強(qiáng)度的測(cè)定定方法測(cè)定土抗剪強(qiáng)強(qiáng)度指標(biāo)的試試驗(yàn)稱為剪切切試驗(yàn)按照常用的試試驗(yàn)儀器將剪剪切試驗(yàn)分為為直接剪切試驗(yàn)驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)驗(yàn)無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)強(qiáng)度試驗(yàn)十字板剪切試試驗(yàn)近似模擬直接剪切試驗(yàn)驗(yàn)應(yīng)變控制式直剪儀應(yīng)變控制式直直剪儀的試驗(yàn)驗(yàn)原理：對(duì)同一種土至至少取4個(gè)平平行試樣，分分別在不同垂垂直壓力下剪切破壞，，將試驗(yàn)結(jié)果果繪制抗剪強(qiáng)強(qiáng)度f(wàn)與相應(yīng)垂直壓壓力的關(guān)系圖。試試驗(yàn)結(jié)果表明明，對(duì)于粘性性土f~基本上呈直線線關(guān)系，直線線方程可用庫(kù)庫(kù)倫公式表示示；對(duì)于無(wú)粘粘性土，f~則是通過(guò)原點(diǎn)點(diǎn)的直線。的缺點(diǎn)直接剪切儀限定剪切面不不一定是最薄薄弱面剪切面上剪應(yīng)應(yīng)力分布不均均勻剪切面在剪切切過(guò)程中是逐逐漸縮小的不能嚴(yán)格控制制排水條件，，不能量測(cè)孔孔隙水壓力構(gòu)造簡(jiǎn)單操作方便的優(yōu)點(diǎn)直接剪切儀三軸壓縮試驗(yàn)驗(yàn)對(duì)同一種土至至少取3個(gè)平平行試樣，分分別在不同周周圍壓力3和軸壓1作用下剪切破破壞，將試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果繪制為為若干個(gè)極限應(yīng)力圓。根據(jù)莫爾-庫(kù)倫理論，，這一組極限限應(yīng)力圓的公共切線即為土的抗剪強(qiáng)度包線線，可近似取為為一條直線，，直線的方程程即為庫(kù)倫公公式所表示的的方程。三軸壓縮儀的的試驗(yàn)原理：：c0三軸壓縮試驗(yàn)驗(yàn)原理的優(yōu)點(diǎn)三軸壓縮儀的缺點(diǎn)三軸壓縮儀能較嚴(yán)格地控控制排水條件件剪切破壞面為為最薄弱面試驗(yàn)設(shè)備、試試驗(yàn)過(guò)程相對(duì)對(duì)復(fù)雜試樣的受力狀狀態(tài)為軸對(duì)稱稱情況，與實(shí)實(shí)際土體的受受力狀態(tài)未必必相符無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)強(qiáng)度試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)當(dāng)周周圍壓力為零時(shí)即即為無(wú)側(cè)限試驗(yàn)條條件，此時(shí)只有軸軸向壓力，所以也也稱單軸壓縮試驗(yàn)驗(yàn)。由于試樣的側(cè)向力力為零，在軸向受受壓時(shí)，其側(cè)向變變形不受限制，故故又稱無(wú)側(cè)限壓縮縮試驗(yàn)。由于試樣是在軸向向壓縮的條件下破破壞的，因此把這這種情況下土能承承受的最大軸向壓壓力稱為無(wú)側(cè)限抗抗壓強(qiáng)度，以qu表示極限應(yīng)力圓應(yīng)用：代替三軸試驗(yàn)（當(dāng)當(dāng)3=0）可用來(lái)求土的靈敏敏度缺點(diǎn)：無(wú)粘性土以及太軟軟土（流塑）不可可試驗(yàn)快,水水來(lái)不及排除十字板剪切試驗(yàn)原位十字板剪切試試驗(yàn)是一種利用十十字板剪切儀在現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定土的抗剪剪強(qiáng)度的方法。這這種方法適用于在在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定飽和粘粘性土的原位不排排水強(qiáng)度，特別適適用于均勻的飽和和軟粘土。無(wú)需鉆孔取得原狀狀土樣,從而使土土少受擾動(dòng),試驗(yàn)驗(yàn)時(shí)土的排水條件件和受力狀態(tài)與實(shí)實(shí)際條件十分接近近.第四節(jié)土的抗剪剪強(qiáng)度指標(biāo)一.粘性土在不同同固結(jié)和排水條件件下的抗剪強(qiáng)度指指標(biāo)1.固結(jié)不排水剪試驗(yàn)(又稱固結(jié)快剪,以符號(hào)Cu表示)試驗(yàn)過(guò)程土樣固結(jié)不排水試驗(yàn)（（CU試驗(yàn)）是在施加周圍壓力時(shí)充充分排水（固結(jié)）），而在施加軸向壓壓力直至剪切破壞壞的整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程程中不允許排水（不排排水）。飽和粘性土的固結(jié)結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度度受應(yīng)力歷史的影影響，所以首先要要區(qū)分試樣是處于于什么樣的固結(jié)狀狀態(tài)。正常固結(jié)狀態(tài)的試樣在剪切切過(guò)程中體積有減減小的趨勢(shì)（剪縮），但由于不允許許排水，故產(chǎn)生正的孔隙水壓力；而強(qiáng)超固結(jié)狀態(tài)的試樣在剪切切過(guò)程中，先表現(xiàn)現(xiàn)為剪縮（產(chǎn)生正的孔隙水壓力），然后轉(zhuǎn)為剪脹脹（產(chǎn)生負(fù)的孔隙水壓力）。試驗(yàn)結(jié)論a.正常固結(jié)飽和粘土土剪切過(guò)程中不排水，根據(jù)有效應(yīng)力原原理可知，有效應(yīng)力圓與總應(yīng)應(yīng)力圓直徑相等，，位置不同。因?yàn)檎９探Y(jié)狀態(tài)態(tài)的試樣在剪切破破壞時(shí)產(chǎn)生正的孔隙水壓力，故有效應(yīng)力圓在在總應(yīng)力圓的左邊?？倯?yīng)力破壞包線和和有效應(yīng)力破壞包包線都通過(guò)原點(diǎn)，說(shuō)明固結(jié)壓力為零的土土不會(huì)具有抗剪強(qiáng)強(qiáng)度。超固結(jié)狀態(tài)正常固結(jié)狀態(tài)ccu0abcb.超固結(jié)飽和粘土土超固結(jié)狀態(tài)土的的固結(jié)不排水試試驗(yàn)超固結(jié)狀態(tài)的飽飽和粘性土的固固結(jié)不排水剪切切試驗(yàn)得到的總總應(yīng)力破壞包線是一條條略平緩的曲線線，可近似以直線線ab代替，與正常固固結(jié)狀態(tài)土的固固結(jié)不排水破壞壞包線bc相交，bc的延長(zhǎng)線通過(guò)原原點(diǎn)。實(shí)用上將將abc折線取為一條直直線。由于超固結(jié)狀態(tài)態(tài)的土樣在剪切切破壞時(shí)，產(chǎn)生生負(fù)的孔隙水壓力力，有效應(yīng)力圓在在總應(yīng)力圓的右邊。2.不固結(jié)不排水剪剪試驗(yàn)(又稱快剪,以符號(hào)UU表示)土樣試驗(yàn)過(guò)程不固結(jié)不排水試試驗(yàn)（UU試驗(yàn)）是在施加周圍壓壓力時(shí)不排水（不固結(jié)結(jié)），且在施加軸向向壓力直至剪切切破壞的整個(gè)試試驗(yàn)過(guò)程中也不允許排水（不不排水）。試驗(yàn)結(jié)論0cu飽和粘性土的不不固結(jié)不排水試試驗(yàn)圖中三個(gè)實(shí)線圓圓分別表示三個(gè)個(gè)試件在不同的的圍壓作用下破破壞時(shí)的總應(yīng)力力圓，虛線表示示有效應(yīng)力圓。。試驗(yàn)結(jié)果表明明，雖然三個(gè)試試件的圍壓不同，但破壞時(shí)的主應(yīng)力差相等，所以三個(gè)總應(yīng)力圓的直直徑相同，所以破壞包線是一條條水平線，可得由于在不排水條條件下，試樣在在試驗(yàn)過(guò)程中含水量不變，體體積不變，改變周圍壓力力增量只能引起起孔隙水壓力的的變化，并不會(huì)改變?cè)嚇訕又械挠行?yīng)力力，各試件在剪切切前的有效應(yīng)力力相等，因此抗剪強(qiáng)度不變。由于只能得到一個(gè)有效應(yīng)力圓圓，所以不能得到有效應(yīng)應(yīng)力破壞包線，不固結(jié)不排水水試驗(yàn)只用于測(cè)測(cè)定飽和土的不不排水強(qiáng)度，所所以可以用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度度試驗(yàn)代替三軸壓縮試試驗(yàn)來(lái)測(cè)定飽和和土的不排水抗抗剪強(qiáng)度。不固結(jié)不排水試試驗(yàn)的“不固結(jié)”是在保持試樣原來(lái)有效應(yīng)力不不變的情況下，在三三軸壓力室的周周圍壓力下不再再排水固結(jié)。如如果飽和粘性土土從未固結(jié)過(guò)，則其中的有效應(yīng)力為零（（先期固結(jié)壓力力也為零），表現(xiàn)為一種種泥漿狀土，其其抗剪強(qiáng)度必然也等等于零。如果在較高的剪前固結(jié)結(jié)壓力下進(jìn)行不固結(jié)不不排水試驗(yàn)，就就會(huì)得到較大的不排水抗抗剪強(qiáng)度。3.固結(jié)排排水剪剪試驗(yàn)(又稱稱慢剪,以符符號(hào)CD表示)土樣試驗(yàn)過(guò)過(guò)程固結(jié)排排水試試驗(yàn)（（CD試驗(yàn)））是在施加周周圍壓壓力時(shí)時(shí)充分分排水水（固固結(jié)）），而在在施加軸軸向壓壓力直直至剪剪切破破壞的整個(gè)個(gè)試驗(yàn)驗(yàn)過(guò)程程中允許排排水（（排水水）。試驗(yàn)結(jié)結(jié)論a.正常固固結(jié)飽飽和粘粘土b.超固結(jié)結(jié)飽和和粘土土在整個(gè)個(gè)試驗(yàn)驗(yàn)過(guò)程程中，，土樣樣中的的孔隙水水壓力力始終終為零零，總應(yīng)力力最后后完全全轉(zhuǎn)化化為有有效應(yīng)應(yīng)力，所以以總應(yīng)力力圓就就是有有效應(yīng)應(yīng)力圓圓，總應(yīng)應(yīng)力破破壞包包線就就是有有效應(yīng)應(yīng)力破破壞包包線。。正常固固結(jié)狀狀態(tài)的的土，，其破壞包包線通通過(guò)原原點(diǎn)。超固結(jié)結(jié)飽和和粘土土在固固結(jié)排排水剪剪中先剪縮縮后剪剪脹,但不會(huì)排排出水水分,反而而因剪剪脹而而有吸水的趨勢(shì)勢(shì),含水量量還要要增加加.試驗(yàn)結(jié)果表表明，對(duì)于于同一種土土，固結(jié)排排水試驗(yàn)得得到的cd、d與固結(jié)不排排水試驗(yàn)得得到的c'、'很接近，由于固結(jié)結(jié)排水試驗(yàn)驗(yàn)所需的時(shí)時(shí)間太長(zhǎng)，，故實(shí)用上用c'、'代替cd、d。三種試驗(yàn)結(jié)結(jié)果的強(qiáng)度度包線對(duì)同一種飽飽和粘性土土，分別在在三種不同同的排水條條件下進(jìn)行行剪切試驗(yàn)驗(yàn)。如果用用總應(yīng)力表示，將得到完全不同的試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果，而以有效應(yīng)力表示，則不論采用哪哪種試驗(yàn)方法，，都得到近乎同一條有效效應(yīng)力破壞包線線。所以說(shuō)，抗剪強(qiáng)強(qiáng)度與總應(yīng)力沒(méi)沒(méi)有唯一的對(duì)應(yīng)應(yīng)關(guān)系，而與有有效應(yīng)力有唯一一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。二.粘性土的殘殘余強(qiáng)度指標(biāo)堅(jiān)硬的超壓密粘粘土的曲曲線可出現(xiàn)剪剪應(yīng)力的峰值,即為土的的峰值抗剪強(qiáng)度.峰后強(qiáng)度隨剪剪切位移增大而而降低,稱為應(yīng)應(yīng)變軟化特征.當(dāng)剪切位移較較大時(shí),其強(qiáng)度度最終也降低至至某一穩(wěn)定值,這種終值強(qiáng)度度稱為殘余強(qiáng)度度.試驗(yàn)證明,粘性土的殘余余強(qiáng)度同峰值強(qiáng)強(qiáng)度一樣也符合合庫(kù)侖公式,即即粘性土的殘余強(qiáng)強(qiáng)度可解釋為,沿剪切面兩側(cè)側(cè)非定向排列的薄層微粒結(jié)構(gòu)構(gòu),隨著剪應(yīng)變變的增加而逐漸漸轉(zhuǎn)化為沿剪切切方向定向排列,因而土的抗剪剪強(qiáng)度隨之降低低.殘余強(qiáng)度與土的的結(jié)構(gòu)關(guān)系不大大,而主要取決決于土的礦物成成分和有效法向向應(yīng)力的影響.粘土的殘余強(qiáng)度度與它的應(yīng)力歷歷史無(wú)關(guān).在大剪位移下超超固結(jié)粘土的強(qiáng)強(qiáng)度降低幅度比比正常固結(jié)粘土土的大.殘余強(qiáng)度線為通通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的的直線.三.無(wú)粘性土的的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)緊砂受剪時(shí)，顆顆粒必須升高以以離開(kāi)它們?cè)瓉?lái)來(lái)的位置而彼此此才能滑過(guò)，從從而導(dǎo)致體積膨膨脹，把這種因因剪切而體積膨膨脹的現(xiàn)象稱為為剪脹性。緊砂松砂松砂受剪時(shí)，顆顆粒滾落到平衡衡位置，排列更更緊密些，所以以體積縮小，把把這種因剪切而而體積縮小的現(xiàn)現(xiàn)象稱為剪縮性性.緊砂的強(qiáng)度達(dá)到到一定值后，隨隨著軸向應(yīng)變的的繼續(xù)增加，強(qiáng)強(qiáng)度反而減小，，最后呈應(yīng)變軟軟化型.隨著軸向應(yīng)變的的增加，松砂的的強(qiáng)度逐漸增加加，曲線應(yīng)變硬硬化.體積開(kāi)始時(shí)稍有有減小，繼而增增加，超過(guò)它的的初始體積.體積逐漸減小.對(duì)一定側(cè)限壓力力下的同種砂土土,緊密和松散散的砂土最終的的強(qiáng)度趨于同一一數(shù)值,而最終終孔隙比也大致致趨向于某一穩(wěn)穩(wěn)定值