土的抗剪强度指标及其工程应用

抗剪强度是在一定的应力条件下பைடு நூலகம் 土体滑动面上抵抗滑动的总强度。
土的抗剪强度试验原理与测定方法
抗剪强度指标的物理概念 直剪试验指标的测定 三轴试验指标的测定与资料分析
抗剪强度指标的物理概念
土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破 坏的能力。在土力学中，采用摩尔—库 仑强度准则，用内摩擦角和内聚力两个 指标描述土的抗剪强度规律，即在土的 破裂面上，抗剪强度随法向应力增长的 规律。摩尔—库仑强度准则是土力学的 三大定律之一。
表达式，式中的c 称为内聚力， 称为内
摩擦角，内聚力和内摩擦角就是这两个抗 剪强度指标。
这个表达式被称为库仑强度准则：
＝c＋ptan
p=N/A
从整个土坡滑动面A上平均地看：
当T A时，土坡不会滑动， 当T A时，土坡就失稳了， 当T＝ A时，称为极限平衡。
抗剪强度指标是土体的固有性质， 是描述土体中的抗剪强度随法向应力变 化规律的参数；
原始粘聚力主要是由于土粒间水膜受 到相邻土粒之间的电分子引力而形成的， 当土被压密时，土粒间的距离减小，原始 粘聚力随之增大。当土的天然结构被破坏 时，原始粘聚力将丧失一些，但会随着时 间而恢复其中的一部分或全部。
固化粘聚力是由于土中化合物的胶结 作用而形成的，当土的天然结构被破坏时 ，则固化粘聚力随之丧失，而且不能恢复 。
曾有文献报道，对于塑性指数小于11的 土，固结快剪试验的内摩擦角与慢剪试验的 内摩擦角很接近， 一般只比慢剪试验的内摩 擦角小1 ~ 2 ，但在塑性指数为11 ~ 18的土 中，两者的数值相差很大，一般为10左右 。这是由于低塑性土的渗透系数比较大，在 固结快剪试验中孔隙水消散很快，剪切时土 的固结状态已接近于慢剪试验，因此两者的 结果相近。由此可见，直剪试验不适用于低 塑性土。
土的抗剪强度指标及其工程 应用
土的抗剪强度试验
抗剪强度和抗剪强度指标
这是两个不同的概念，但经常被人们 混淆，看一个土坡的最简单的例子：
平行滑动面的力是滑动力T
抵抗滑动的是滑动面上的抗剪强度
•滑动面上的力 系
•G •N •T
•A-滑动面的面积
滑动面上的抗剪强度 由两部分组成，
一部分与滑动面上的法向应力成正比，另 一部分与法向应力无关，可以写成如下的
仪器构造的缺陷
直剪仪上下盒之间的缝隙
为了避免上下盒之间的摩擦，在上下盒之 间留有一定的缝隙。对软土作快剪试验时，由 于竖向荷载对土样的挤压作用，软土侧面挤入 缝隙中，既破坏了土的结构，又影响了试验的 结果。试验砂土时，细小的砂粒嵌进上下盒之 间的缝隙中使摩阻力增大，使试验结果失真。 可见直剪仪也不适用于砂土和软土。
考虑上述复杂因素的试验只能 用三轴仪才能模拟。三轴试验分为 常规的试验和特殊的试验两类。
直剪试验
直剪试验结果
f = c ＋p tan
第一级荷载必须大于上覆有效压力
直剪试验方法
快剪试验
在土样上下两面安置不透水的铜板 或塑料膜，并在施加竖向压力后立即施 加水平剪力进行剪切，而且剪切的速率 也很快，一般只3 ~ 5min 。采取这些措 施的目的是为了控制土样在试验时不固 结排水，以便测定天然状态的强度指标
人为规定了剪切面
直剪试验时土样的剪切面是人为规定的 。 由于剪切总是发生在上下盒之间，剪切面人为规 定为水平方向，这与实际工程中发生在土体内的 剪切面方向是不一致的。实际工程中，剪切总是 沿着最薄弱的方向发展，而水平方向往往并不是 最薄弱的。特别在夹薄层粉砂的粘性土层中，如 果硬性规定的剪切面正好在粉砂薄层中，就会得 到过大的抗剪强度值。
抗剪强度指标的测定方法
在室内试验中，可以用直剪试验或 三轴试验来测定土的抗剪强度指标。
对粗粒土应当用大尺寸的仪器或现 场大型直剪试验测定。
对软土，也可以用原位测试－十字 板试验测定。
土的抗剪强度指标和土的原始 状态、应力路径、应力历史、排水 条件等因素有关，考虑不同因素影 响时，应采用不同的试验方法。
。快剪试验得到的指标用 cq 、 q表示。
由于直剪仪固有的缺点，尽管采取 了上述措施，土样和环刀之间仍有渗水 通道，不能保证土样处于完全不排水的 状态，特别是对透水性比较大的土影响 更大。
固结快剪试验
在土样上下两面安置透水石，在施 加竖向压力以后给以充分时间使土样固 结排水。固结排水终了后再施加水平剪 力，快速地将土样剪坏。
= c ＋p tan
对于c＝0的土，称为纯摩擦材料， 内摩阻力包括土粒之间的表面摩擦力和 由于土粒之间的联锁作用而产生的咬合 力。咬合力是指当土体相对滑动时，将 嵌在其它颗粒之间的土粒拔出所需的力 ，土越密实，联锁作用则越强。
•
•
•
= c ＋p tan
对于 ＝0的土，称为凝聚性材料，
构成内聚力的物理原因是土的细颗粒表 面作用，是一种物理化学作用。
这种试验方法模拟在法向应力作用 下固结完成但在剪应力作用下不排水的 工况，由于放置了透水板，更不能保证 在剪切时处于完全不排水的状态，对于 透水性比较大的土样将会得到过大的抗 剪强度值。固结快剪试验得到的指标用
ccq 、 cq表示。
慢剪试验
施加竖向压力后土样固结排水的要求 与固结快剪试验相同，在固结终了后以 相当慢的速度施加水平剪力，剪切速率 控制在小于0.02mm /min以使土样在剪切 过程中有充分时间排水和产生体积变形 ，得到的指标模拟完全排水的工况。慢
剪切过程中剪切面在变化
剪切面积随剪切位移的增加而减小 且土样应力条件非常复杂 这一缺点限制 了直剪仪在研究方面的应用，但在工程 实用方面引起的误差是可以容许的。
关于直剪仪的总结
1. 直剪仪存在许多致命的缺陷，国外已 经被淘汰，但我国还是常规武器；
剪试验指标用 cs 、 s 。
直剪试验排水控制措施
直剪仪不能有效地控制排水
直剪仪中的土样无法封闭，无论土 样承受法向应力或剪应力，无论剪切速 度多快，孔隙水总会沿着土样和环刀之 间的缝隙流失，无法测定不排水条件下 的强度，使快剪试验的结果特别离散， 而且内摩擦角往往偏大，用于工程是偏 于危险的；在固结快剪试验中，剪切时 的排水也使内摩擦角偏大。