浅谈土的抗剪强度特性

浅谈土的抗剪强度特性
发布时间：2021-05-12T00:15:40.748Z 来源：《防护工程》2021年2期作者：夏纵[导读] 在实际的工程当中土的强度对建筑物的安全性能至关重要，而土的抗剪强度又是土的强度的一个重要的分支。

兰州大学甘肃兰州 730000摘要：在实际的工程当中土的强度对建筑物的安全性能至关重要，而土的抗剪强度又是土的强度的一个重要的分支。

对土的抗剪强度特性的研究一直是土木行业领域的重要任务，作者通过本文主要介绍一下土的抗剪强度理论的部分内容及测定土的抗剪强度的几种实验方
法最后再说一下砂土液化现象，希望能让读者更好的了解土的抗剪强度特性。

关键词：抗剪强度；库伦公式；莫尔-库伦理论；剪切实验；砂土液化
一、引言
抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的极限强度，土的孔隙规律也由土的抗剪强度反映。

但在实际的工程中土的剪应力是由于外部的作用力对土体作用产生的，抗剪强度也是是否发生剪切破坏的一个临界值。

当剪应力大于抗剪强度时随着强度的增大会形成一系列连续的滑动面进而丧失稳定性。

二、库伦公式及有效应力原理
库伦是法国的军事工程师，在经过大量的对土的抗剪实验后于1773年发表了有关土压力的论文库伦公式对粘性土和非粘性土有着不同的解释。

对以砂土为代表的无黏性土的公式为,而适用于黏性土的公式为。

其中表示的是抗剪强度（KPa）,而表示的是土体所受到的总应力（KPa），c表示的是土的黏聚力（KPa），表示的是内摩擦角。

对于无黏性土来说从公式中我们可以发现与成正比，本质上是由于土颗粒之间的摩擦力和镶嵌作用产生的。

对于黏性土的公式它是由两部分组成的，一部分是与无粘性土一样的摩阻力另一部分是由颗粒间的胶结作用及静电作用产生的。

在不同的环境下的土质一般不同我们需要通过查表来确定。

土的抗剪强度受到多方面的影响，例如排水条件、土体的温度及剪切的速率，其中排水条件是对抗剪强度影响最大的因素。

根据K.太沙基（Terzaghi）的有效应力原理土体内的剪应力只能由土的骨架承担[1]。

故根据有效应力原理土的抗剪强度应该表示为+tan及=tan。

综上我们有两种表示土的抗剪强度的方法，一种是按总应力去表示另一种则是以有效应力去表示。

虽然第二种方法在理论上比第一种更加准确但过于复杂不适用于工程实际之中。

三、莫尔-库伦强度理论
为了研究土体内任一点应力的大小，德国工程师O.莫尔提出了应力圆理论。

可以利用土体中一点的剪切破坏准则即土的极限平衡条件，为了简化处理我们以平面应变为例以土中一微单元体为研究对象对其施加和两个主应力，再通过极限平衡状态列方程求出与主应力成角面上的正应力切应力。

根据莫尔圆理论可以将不同点上的正应力和切应力统一的表示在一个圆上。

莫尔圆具体做法是在的直角坐标系中，沿着和，再以CD的中点C为圆心以为半径做一个圆，这个圆就是莫尔圆。

通过莫尔圆在查找与主应力形成角面上的正应力和切应力时，只需要从2找到所对应的点，该点所对应的横纵坐标表示该面上的正应力和切应力。

为了确定土中的一点是否达到了抗剪强度，在莫尔圆的基础上利用库伦公式可以做出一条抗剪强度包线。

若整个莫尔圆均在强度包线的下部则说明了土体中的所有点受到的剪力均小于抗剪强度的破坏值。

若莫尔圆与抗剪强度包线相切则说明在切点上达到了极限平衡状态，而其余的点均未发生破坏。

若抗剪强度包线是莫尔圆的一条割线，这种情况只会出现在理论当中在实际情况不会发生，因为当土体所受到的剪力超过抗剪强度的破坏值土体则会发生剪切破坏。

四、测定抗剪强度的实验方法
随着科学技术的发展用于测定土的抗剪强度的方法越来越多，按类可分为室内实验和室外实验。

室内实验方法有直接剪切实验和三轴压缩实验，十字板剪切实验则属于室外试验。

（一）直接剪切实验
在直接剪切实验当中我们用到的仪器是直剪仪，使用最为普遍的是应变控制式直剪仪。

这种直剪仪主要是由轮轴、透水石、量表、活塞、上下盒，量力环等部件所组成的。

实验原理是将土样放入盒子中并使之产生一定的位移，随着位移的进行量力环上的指针不断前进，当指针不动的时候则表示土样被剪坏，我们可以通过指针读出力的大小。

前面的分析说到排水条件是影响土的抗剪强度的一个重要的因素，在直接剪切实验当中可以利用慢剪、固结快剪和快剪三种方法来模拟不同的排水条件，因此在实际的实验当中控制剪切速率至关重要。

由于土的种类影响着土的透水性，在实验中要根据具体的土样查表选择剪切速率。

（二）三轴压缩实验
直剪仪在操作上十分的方便但也存在着一些缺点例如剪应力分布不均匀及不能严格的控制排水条件。

而三轴压缩仪却能很好的解决这方面的问题。

三轴压缩仪是由压力室、施加同向压力系统、孔隙水压力量测系统及轴向加载系统所组成，从构成上比直剪仪要复杂的多。

在控制排水速率上有不固结不排水试验（UU）、固结不排水三轴实验（CU）和固结排水三轴实验（CD）,三轴压缩实验要求两个方向的主应力要相同但在实际的情况很难满足这一种条件，三轴压缩实验虽然存在一定误差但结果的精确性比直接剪切实验要高。

（三）十字板剪切实验
土样在运送到实验室的过程中不可避免会被扰动会对实验结果产生一系列的影响，对于软粘土来说这方面的影响更大。

对于一些土质比较疏松的土样可以采用室外的十字板剪切实验，具体的方法是先将套管插入到需要探测的土层当中再清理掉套管里面的土，将十字形的探头插入探管通过施加的扭矩来计算土的抗剪强度[2]。

由于在室外不好控制排水条件故使用的范围没有室内实验广泛。

五、抗剪强度指标的选择
对于不同的土需要按照它的性质去选择不同的实验方法以获得最为准确的结果，在实际的工程当中我们不能仅仅去套用实验室中得到的结论还需要结合实际的工程经验去判断。

首先要根据工程的具体条件确定排水的条件再选择利用总应力法还是有效应力法最后选择室内实验方法还是室外实验方法。

根据已有的工程经验在分析地基的长期稳定性的问题中（例如对土坡长期稳定性的研究）我们应当采用三轴固结不排水实验确定相关的实验数据，而在分析短期稳定性的问题中采用不固结不排水试验确定相关的指标。

对于排水条件和透水条件特别好的土体则采用慢剪试验我们可以去翻阅国内外有关这方面的书籍并结合自己的施工经验去判断[3]。

六、砂土液化现象
由于土的抗剪强度的下降造成的事故有很多，一种最为常见的现象就是砂土液化。

砂土液化是由于外力和内力的作用使砂土之间的颗粒相互分离从而使颗粒间的摩擦力减小，进而造成抗剪能力大大下降最后表现出具有液体的特性。

砂土液化常常伴随着地震的出现而发生并对地上的建筑产生毁灭性的打击，它是一种常见的地震伴随灾害。

例如日本的阪神地震由于砂土的液化使得当地的新干线全部倾覆，1925年美国的舍费尔土坝在地震后全部崩溃，国内的唐山大地震造成的建筑物的倒塌。

如果我们当时能对砂土液化现象研究的更加透彻一点，我们就能通过一系列的措施例如选择合理的施工场地及通过一系列的措施尽可能地提高砂土的密度就会减少人员的伤亡和财产的损失。

七、结束语
总而言之对土体的抗剪性能的研究是必要的，土体的强度特性对地上建筑的安全性至关重要。

但由于土繁多的种类和复杂的性质这样工作一直开展的很艰难，在今后的研究工作中我们要更加的注重理论联系实际不断的去完善土的抗剪强度理论体系使之更好的服务于我们的工程实践。

参考文献：
[1] 东南大学，浙江大学，湖南大学，苏州大学.土力学[M].中国建筑工业出版社，2016：189.
[2] 王甲春；许金鼓；夏丹丹，固化软土的抗剪强度测试与分析[J]低温建筑技术，2011.01
[3] 王淑侠，粉土物理性质及抗剪强度试验分析[J]今日科苑，2010，10。