土的抗剪强度

土的抗剪强度 第五章 土的抗剪强度 第一节 概述 土是固相、液相和气相组成的散体。一般而言，在外部荷载作用下，土体中的应 力将发生变化。当土体中的剪应力超过土体本身的抗剪强度时，土体将产生沿着其中某一 滑裂面的滑动,而使土体丧失整体稳定性。所以，土体的破坏通常都是剪切破坏。 在工程建设实践中，道路的边坡、路基、土石坝、建筑物的地基等丧失稳定性的例子 是很多的(图5-1)。为了保证土木工程建设中建(构)筑物的安全和稳定，就必须详细研究土的抗剪强度和土的极限平衡等问。 图5-1 土坝、基槽和建筑物地基失稳示意图 (a) 土坝 (b)基槽 (c)建筑物地基 土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的能力，其数值等于土体产生剪切破坏时滑动面 上的剪应力。抗剪强度是土的主要力学性质之一，也是土力学的重要组成部分。土体是否 达到剪切破坏状态，除了取决于其本身的性质之外，还与它所受到的应力组合密切相关。 不同的应力组合会使土体产生不同的力学性质。土体破坏时的应力组合关系称为土体破坏 准则。土体的破坏准则是一个十分复杂的问题。到目前为止，还没有一个被人们普遍认为 能完全适用于土体的理想的破坏准则。本章主要介绍目前被认为比较能拟合试验结果，因 而为生产实践所广泛采用的土体破坏准则，即摩尔—库伦破坏准则。 土的抗剪强度，首先取决于其自身的性质，即土的物质组成、土的结构和土所处于的 状态等。土的性质又与它所形成的环境和应力历史等因素有关。其次，土的性质还取决于 土当前所受的应力状态。因此，只有深入进行对土的微观结构的详细研究，才能认识到土 的抗剪强度的实质。目前，人们已能通过采用电子显微镜、X射线的透视和衍射、差热分析等等新技术和新方法来研究土的物质成分、颗粒形状、排列、接触和连结方式等，以便 阐明土的抗剪强度的实质。这是近代土力学研究的新领域之一。有关这方面的研究，可参 132 见相关的资料和文献。 土的抗剪强度主要由粘聚力c 和内摩擦角来表示，土的粘聚力c 和内摩擦角称为,, 土的抗剪强度指标。土的抗剪强度指标主要依靠土的室内剪切试验和土体原位测试来确定。 测试土的抗剪强度指标时所采用的试验仪器种类和试验方法对土的抗剪强度指标的试验结 果有很大影响。本章将介绍主要的测试仪器和常规的试验方法，另外，还将阐述试验过程 中土样排水固结条件对测得的土体抗剪强度指标的影响，以便根据实际的工程条件来选择 合适的指标。 第二节 土的抗剪强度理论 一、土的抗剪强度 （一）土的屈服与破坏 图5-2中曲线?是一种理想弹塑性材料 的应力~应变关系曲线，即(,,,),,曲131线。它是由一斜直线和一水平线组成的。斜 直线代表线弹性材料的应力—应变特性，其 特点是：（1）应力—应变呈直线关系；（2）完全弹性变形，即应力增加，应变沿这一直 线按比例增加，应力减少则应力沿这根直线 按比例减少。所以其应力—应变的关系是唯 一的，不受应力历史和应力路径的影响。水 平线表示理想塑性材料的应力—应变关系， 其特点是：（1）应变是不可恢复的塑性应变； （2）一旦发生塑性应变，应力不再增加但 塑性应变持续发展，直至材料破坏。斜直线 与水平线的交点C所对应的应力为 (,,,)，屈服应力既是开始发生塑性应变的应力，同时又是导致材料破坏的应力，所13y 以也称为破坏应力(,,,)。因此C点既是又是。 13f 土体既不是理想的弹性材料，也不是理想的塑性材料，而是一种弹塑性材料。因此， 当土体受到应力作用时，其弹性变形和塑性变形几乎是同时发生的，表现出弹塑性材料的 特点。图5-2中的曲线?是超固结土或密砂在三轴固结试验中测得的应力—应变关系曲线； 曲线?表示正常固结土或松砂在相应的三轴固结试验中测得的应力—应变关系曲线。可见， 把它们与理想的弹性材料相比，不但应力—应变关系曲线的形状不同，其性质也有很大的 差异。对此，有学者研究认为，土开始发生屈服时的应力很小，(,,,),,关系曲线上131 的起始段oa可以被认为是近乎直线的线弹性变形。之后，随着土所承受的应力的增加，土 产生可恢复的弹性应变和显著的不可恢复的塑性应变。当土出现显著的塑性变形时，即表 133 明土已进入屈服阶段。与理想塑性材料不同，土的塑性应变增加了土对继续变形的阻力， 故而在应力增大的同时，土的屈服点位置提高。这种现象称为应变硬化(加工硬化)。当屈服 点提高到b点时，土体才发生破坏。土的应变硬化阶段ab曲线段上的每一点都可以被认为是屈服点。另外，属于曲线?类型的土，到达峰值b点后，随着应变的继续增大，其对应的应力则反而下降。这种现象称为应变软化(加工软化)。在此阶段，土的强度随应变的增加反而降低，土体处于破坏状态。所以，对于超固结土或密砂而言，土的抗剪强度与应变的 发展过程有关，不再只是简单的一个数值。相当于峰值点b的强度称为峰值强度。当应变很大时，应力将衰减到某一恒定值，不再继续变化。应力衰减到恒定值时的强度称为残余 强度。在实际工程计算中，一般采用土的峰值强度。但是，如果土体在应力历史上受到过 反复的剪切作用，而且土体的应变累积量很大(如古滑坡体中滑动面上的土)，则应该考虑采 用土的残余强度。对于属于曲线?类型的土，则只有一种抗剪强度。 由此可见，不同类型的土，屈服和强度的概念和数值都是各不相同的。本章只研究土 的抗剪强度，通常取 曲线上的峰值应力，或者取达到15-20% 时对应的应(,,,),,,1311力作为土的抗剪强度。实际上，在古典土力学理论中，只能把土简化为曲线?所示的理想 弹塑性材料。 在地基附加应力的计算中，就是把土当成线弹性体，采用线弹性理论计算公式求解的。 而在后面研究土压力、土坡稳定和地基极限承载力等有关土体破坏的问题时，则把土体当 成是理想的塑性材料，一旦土体中的剪应力达到土的抗剪强度，就认为土体已经破坏。这 些假定都与土的实际性质有所差异。随着土力学理论、土工试验技术及数值计算方法的发 展，现在，国内外学者已经在逐步按照土的真实弹塑性应力—应变关系特征，进行土体应 力、变形的发展以及破坏理论分析方法等方面的研究工作。 （二）土的抗剪强度理论 当土体在外部荷载作用下发生剪切破 坏时，作用在剪切面上的极限剪应力就称 为土的抗剪强度。 测定土的抗剪强度的方法之一是直接 剪切试验，简称为直剪试验。图5-3为直 接剪切仪示意图。该仪器的主要部分由固 定的上盒和活动的下盒组成，将土样放置 于刚性金属盒内上下透水石之间。进行直 剪试验时，先由加荷板施加法向压力P ， 土样产生相应的压缩ΔS，然后再在下盒施图5-3直接剪切仪示意图 加水平向力，使其产生水平向位移Δl，从 而使土样沿着上盒和下盒之间预定的横截面承受剪切作用，直至土样破坏。假设这时土样 所承受的水平向推力为T，土样的水平横断面面积为A，那么，作用在土样上的法向应力则为σ＝P/A，而土的抗剪强度就可以表示为,＝T/A。 f 为了绘制出土的抗剪强度,与法向应力σ的关系曲线，一般需要采用至少4个相同的f 土样进行直剪试验。方法是，分别对这些土样施加不同的法向应力，并使之产生剪切破坏， 134 可以得到4组不同的和σ的数值。然后，以作为纵坐标轴，以σ作为横坐标轴，就可,,ff 绘制出土的抗剪强度和法向应力σ的关系曲线。 ,f 图5-4为直剪试验的试验结果。可见，对于砂土而言，与σ的关系曲线是通过原点,f的，而且，它是与横坐标轴呈角的一条直线(图5-4ａ)。该直线方程为： , ,,,tg, (5-1a) f ２式中：,——砂土的抗剪强度(kN/m)； f２ σ——砂土试样所受的法向应力(kN/m)； ——砂土的内摩擦角(?)。 , ,图5-4 抗剪强度与法向应力σ的关系曲线 f (a) 砂土 (b)粘性土和粉土 对于粘性土和粉土而言，,和σ之间的关系基本上仍呈一条直线，但是，该直线并不f 通过原点，而是与纵坐标轴形成一截距c(图5-4ｂ)，其方程为： ,,,tg,，c (5-1b) f ２式中：c ——粘性土或粉土的粘聚力(kN/m)； 其余符号的意义与前相同。 由(5－1)式可以看出，砂土的抗剪强度是由法向应力产生的内摩擦力,tg,tg,（称为 内摩擦系数）形成的；而粘性土和粉土的抗剪强度则是由内摩擦力和粘聚力形成的。在法 向应力,,一定的条件下，c 和值愈大，抗剪强度愈大，所以，称c 和为土的抗剪强,,f度指标，可以通过试验测定。c和反映了土体抗剪强度的大小，是土体非常重要的力学性, 质指标。对于同一种土，在相同的试验条件下，c 、值为常数，但是，当试验方法不同时，,c 、值则有比较的大差异，这一点应引起足够的重视。 , 公式(5-1)表示了土的抗剪强度,,与法向应力的关系，它是由法国科学家库伦f (C.A.Coulomb)于1776年首先提出来的，所以也称为土体抗剪强度的库伦公式。 后来，由于土的有效应力原理的研究和发展，人们认识到，只有有效应力的变化才能 引起土体强度的变化，因此，又将上述的库伦公式改写为 ,,,,,,,,,,,c，tg,c，(,u)tg (5-2) f ２,式中：,——土体剪切破裂面上的有效法向应力(kN/m)； 135 ２ u ——土中的超静孔隙水压力(kN/m)； ２ c′——土的有效粘聚力(kN/m)； , ,——土的有效内摩擦角(?)。 c′和,,,,称为土的有效抗剪强度指标。对于同一种土，c′和的数值在理论上与试验方 法无关，应接近于常数。 应该注意,公式(5-1)称为土的总应力抗剪强度公式，公式(5-2)称为土的有效应力抗剪强 度公式，以示区别。 莫尔（Mohr, 1910）继库伦的早期研究工作，提出土体的破坏是剪切破坏的理论，认为 在破裂面上，法向应力,与抗剪强度之间存在着函数关系，即 ,f ,,f(,) （5-3） f 这个函数所定义的曲线为一条微弯的曲线， 称为莫尔破坏包线或抗剪强度包线（图5－5）。如果代表土单元体中某一个面上和的点落,, 在破坏包线以下，如A点，表明该面上的剪应 力,小于土的抗剪强度，土体不会沿该面发,f 生剪切破坏。B点正好落在破坏包线上，表明B点所代表的截面上剪应力等于抗剪强度，土单元 体处于临界破坏状态或极限平衡状态。C点落在破坏包线以上，表明土单元体已经破坏。实际上 C点所代表的应力状态是不会存在的，因为剪应图5－5 莫尔－库伦破坏包线 力,,增加到抗剪强度时，不可能再继续增长。 f 实验证明，一般土在应力水平不很高的情况下，莫尔破坏包线近似于一条直线，可以 用库伦抗剪强度公式（5-1）来表示。这种以库伦公式作为抗剪强度公式，根据剪应力是否 达到抗剪强度作为破坏的理论就称为莫尔－库伦（Mohr-Coulomb）破坏理论。 二、土的极限平衡理论 在荷载作用下，地基内任一点都将产生应力。根据土体抗剪强度的库伦定律：当土中 任意点在某一方向的平面上所受的剪应力达到土体的抗剪强度，即 ,,, (5-4) f时，就称该点处于极限平衡状态。 式(5-4)就称为土体的极限平衡条件。所以，土体的极限平衡条件也就是土体的剪切破 坏条件。在实际工程应用中，直接应用式(5-4)来分析土体的极限平衡状态是很不方便的。为了解决这一问题，一般采用的做法是，将式(5-4)进行变换。将通过某点的剪切面上的剪应力以该点的主平面上的主应力表示。而土体的抗剪强度以剪切面上的法向应力和土体的 136 抗剪强度指标来表示。然后代入公式(5-4)，经过化简后就可得到实用的土体的极限平衡条 件。 (一)土中某点的应力状态 我们先来研究土体中某点的应力状态，以便求得实用的土体极限平衡条件的表达式。 为简单起见，下面仅研究平面问题。 在地基土中任意点取出一微分单元体，设作用在该微分体上的最大和最小主应力分别 为和。而且，微分体内与最大主应力作用平面成任意角度的平面mn上有正应力,,,,131 和剪应力(图5-6a)。为了建立、与、之间的关系，取微分三角形斜面体abc,,,,,,13 为隔离体(图5-6ｂ)。将各个应力分别在水平方向和垂直方向上投影，根据静力平衡条件得： (a) x,0,,,ds,sin,,1,,,ds,sin,,1，,ds,cos,,1,03, (b) y,0,,,ds,cos,,1,,,ds,cos,,1,,ds,sin,,1,01, 联立求解以上方程(a),(b)，即得平面mn上的应力为： 11,,,,,,,()()cos2,，，,1313,,22 (5-5) ,1,,,(,)sin2,,,13,2, 由材料力学可知，以上与,、,之间的关系也可以用莫尔应力圆的法表示，,,,13 即在直角坐标系中(图5-7)，以为横坐标轴，以为纵坐标轴，按一定的比例尺，在轴,,, 上截取OB=、OC=，以O为圆心，以1/2 (-)为半径，绘制出一个应力圆。并从 ,,,,１3113 图5-6 土中任一点的应力 图5-7 用莫尔应力圆求正应力和剪应力 (a)微分体上的应力 (b)隔离体上的应力 ,OC开始逆时针旋转2角，在圆周上得到点A。可以证明，A点的横坐标就是斜面mn上１ 的正应力,,，而其纵坐标就是剪应力。事实上，可以看出，A点的横坐标为： 11 OB，BO，OAcos2,,,，(,,,)，(,,,)cos2,113131322 11 ,＝ ,(,，,)，(,,,)cos2,131322 而A点的纵坐标为： 137 1 OAsin2,,(,,,)sin2,,,1132 上述用图解法求应力所采用的圆通常称为莫尔应力圆。由于莫尔应力圆上点的横坐标 表示土中某点在相应斜面上的正应力，纵坐标表示该斜面上的剪应力，所以，我们可以用 莫尔应力圆来研究土中任一点的应力状态。 25-1 已知土体中某点所受的最大主应力=500kN/m，最小主应力＝,,132200kN/m。试分别用解析法和图解法计算与最大主应力作用平面成30?角的平面上的正,1应力和剪应力。 ,, ：(1)解析法 由公式(5-5)计算，得： 11 ,,(,，,)，(,,,)cos2,131322 112?30?=425kN/m ,(500，200)，(500,200)cos222 112?30?=130kN/m ,,(,,,)sin2,,(500,200)sin21322 (2)图解法 按照莫尔应力圆确定其正应力σ和 剪应力τ。 绘制直角坐标系，按照比例尺在横 2坐标上标出,=500kN/m，122,=200kN/m，以,－,=300kN/m313 为直径绘圆，从横坐标轴开始，逆时针 旋转2α＝60?角，在圆周上得到A点 (图5-8)。以相同的比例尺量得A的横坐 2标，即σ＝425kN/m，纵坐标即τ 2=130kN/m。 可见，两种方法得到了相同的正应 图5-8 例题5－1附图 力σ和剪应力τ，但用解析法计算较为 准确，用图解法计算则较为直观。 （二）土的极限平衡条件——莫尔—库伦破坏准则 为了建立实用的土体极限平衡条件，将土体中某点的莫尔应力圆和土体的抗剪强度与 法向应力关系曲线(简称抗剪强度线)画在同一个直角坐标系中(图5-9)，这样，就可以判断土 体在这一点上是否达到极限平衡状态。 由前述可知，莫尔应力圆上的每一点的横坐标和纵坐标分别表示土体中某点在相应平 面上的正应力σ和剪应力τ，如果莫尔应力圆位于抗剪强度包线的下方(图5-9ａ)，即通过 该点任一方向的剪应力τ都小于土体的抗剪强度,，则该点土不会发生剪切破坏，而处于f弹性平衡状态。若莫尔应力圆恰好与抗剪强度线相切(图5-9ｂ)，切点为B，则表明切点B 所代表的平面上的剪应力τ与抗剪强度,相等，此时，该点土体处于极限平衡状态。 f 138 图5-9 莫尔应力圆与土的抗剪强度之间的关系 根据莫尔应力圆与抗剪强度线相切 的几何关系，就可以建立起土体的极限 平衡条件。 下面，我们就以图5-10中的几何关 系为例，说明如何建立无粘性土的极限 平衡条件 ,2, (5-6) ,tg(45，),,132 土体达到极限平衡条件时，莫尔应 力圆与抗剪强度线相切于B点，延长CB 与τ轴交于A点，由图中关系可知： OB = OA 再由切割定理，可得： 图5-10 无粘性土极限平衡条件推导示意图 22 ,,,,OB,OA13 在ΔAOC中，有 ,222 ,AO,tg(45:，),12 ,22 ,tg(45:，),,,1132 ,2因此， ,tg(45:，),,312 ,,1又由于， ,ctg(45:,)tg(45:，),,22tg(45:,)2 ,2所以，有 (5-7) ,tg(45:,),,312 对粘性土和粉土而言，可以类似地推导出其极限平衡条件，为 139 ,,2 （5-8） ,tg(45:，)，2c,tg(45:，),,1322 这可以从图5-11中的几何关系求得： 作EO平行BC，通过最小主应力的坐标点A作一圆与EO相切于E点，与σ轴交于,3 I点。 ,2由前可知 , OI,,tg(45:，),,132 下面找出IG与c的关系（G点为最大主应力坐标点）。 ,由图中角度关系可知ΔEBD为等腰三角形，ED=BD=c，?DEB=45?，则有 ,2 , EB,2csin(45:，),IF2 图5-11 粘性土与粉土极限平衡条件推导示意图 在ΔGIF中 ,2csin(45:，),IF2 GI,,,2c,tg(45:，),,2cos(45:，)cos(45:，)22而且 OG = OI + IG ,,2所以 ,tg(45:，)，2c,tg(45:，),,1322同理可以证明 ,,2 （5-9） ,tg(45:,),2c,tg(45:,),,3122140 还可以证明 ,,,13 （5-10） sin,,,，,，2Cctg,13 由图5-10的几可关系可以求得剪切面（破裂面）与大主应力面的夹角关系，因为 ,,,:，290 （5-11） ,,:，,452 ,即剪切破裂面与大主应力作用平面的夹角为(共轭剪切面)。 ,45,:，,12 由此可见，土与一般连续性材料(如钢、混凝土等)不同，是一种具有内摩擦强度的材料。其剪切破裂面不产生于最大剪应力面，而是与最大剪应力面成,/2的夹角。如果土质均匀，且试验中能保证试件内部的应力、应变均匀分布，则试件内将会出现两组完全对称的破裂 面(图5-12)。 图5-12 土的破裂面确定 式(5-6)至式(5-10)都是表示土单元体达到极限平衡时(破坏时)主应力的关系，这就是莫尔—库仑理论的破坏准则，也是土体达到极限平衡状态的条件，故而，我们也称之为极限 平衡条件。 理论分析和试验研究表明，在各种破坏理论中，对土最适合的是莫尔—库伦强度理论。 归纳总结摩尔—库伦强度理论，可以表述为如下三个要点： 1．剪切破裂面上，材料的抗剪强度是法向应力的函数，可表达为： ,,f(,) f 2．当法向应力不很大时，抗剪强度可以简化为法向应力的线性函数，即表示为库伦公 式： ,,c，,tg, f 3．土单元体中，任何一个面上的剪应力大于该面上土体的抗剪强度，土单元体即发生 141 剪切破坏，用莫尔—库伦理论的破坏准则表示，即为式(5-6)至式(5-11)的极限平衡条件。 (三)土的极限平衡条件的应用 利用式(5-6)至式(5-10)，已知土单元体实际上所受的应力和土的抗剪强度指标c、，, 可以很容易地判断该土单元体是否产生剪切破坏。例如，利用公式(5-6)，将土单元体所受的实际应力和土的内摩擦角代入公式的右侧，求出土处在极限平衡状态时的大主应力 ,,3m ,3 ,tg(45:，),,13m2 如果计算得到＞，表示土体达到极限平衡状态要求的最大主应力大于实际的最大主,,11m 应力，则土体处于弹性平衡状态；反之，如果＜，表示土体已经发生剪切破坏。同,,11m理，也可以用和求出，再比较和的大小，来判断土体是否发生了剪切破坏。 ,,,,,1m333m 【5-2】 设砂土地基中一点的最大主应力=400kPa ，最小主应力=200kPa ，,,13砂土的内摩擦角=25?，粘聚力c = 0，试判断该点是否破坏。 , 为加深对本章节内容的理解，以下用多种方法解题。 （1）按某一平面上的剪应力,,和抗剪强度的对比判断： f 根据式（5-10）可知，破坏时土单元中可能出现的破裂面与最大主应力作用面的夹,1 ,,角。因此，作用在与,作用面成平面上的法向应力,和剪应力,，可45,:，:，,451f22 按式（5-5）计算；抗剪强度,可按式（5-1a）计算： f 11, ,(，)，(,)cos2(45:，),,,,,1313222 1125: ,(400，200)，(400,200)cos2(45:，),257.7(kPa)222 1, ,(,)sin2(45:，),,,1322 125: =90.6(kPa) ,(400,200)sin2(45:，)22 ,,90.6,,,tg,,257.7，tg25:,120.2(kPa)>(kPa) f 故可判断该点未发生剪切破坏。 （2）按式（5-6）判断： ,25:22 （kPa） ,tan(45:，),200,tan(45:，),492.8,,13fm22 由于,,,492.8(kPa)> = 400(kPa), 1f1m 故该点未发生剪切破坏。 （3）按式（5-7）判断： ,25:22 (kPa) ,tan(45:,),400,tan(45:,),162.8,,31fm22142 由于162.8(kPa)< = 200(kPa), ,,,3f3m 故该点未发生剪切破坏。 另外，还可以用图解法，比较莫尔应力圆与抗剪切强度包线的相对位置关系来判断， 可以得出同样的结论。 第三节 抗剪强度指标的测定方法 抗剪强度指标c、值，是土体的重要力学性质指标，在确定地基土的承载力、挡土墙, 的土压力以及验算土坡稳定性等工程问题中，都要用到土体的抗剪强度指标。因此，正确 地测定和选择土的抗剪强度指标是土工计算中十分重要的问题。 土体的抗剪强度指标是通过土工试验确定的。室内试验常用的方法有直接剪切试验、 三轴剪切试验；现场原位测试的方法有十字板剪切试验和大型直剪试验。 一、 直接剪切试验 图5-13所示为应变控制式直剪仪的示意图。垂直压力由杠杆系统通过加压活塞和透水 石传给土样，水平剪应力则由轮轴推动活动的下盒施加给土样。土体的抗剪强度可由量力 环测定，剪切变形由百分表测定。在施加每一级法向应力后，匀速增加剪切面上的剪应力， 直至试件剪切破坏。将试验结果绘制成剪应力τ和剪切变形S的关系曲线，如图5-14。一般地，将曲线的峰值作为该级法向应力,,下相应的抗剪强度。 f 变换几种法向应力,,,的大小，测出相应的抗剪强度。在,～τ坐标上，绘制,～ ff曲线，即为土的抗剪强度曲线，也就是莫尔—库伦破坏包线，如图5-15所示。 直接剪切试验是测定土的抗剪强度指标常用的一种试验方法。它具有仪器设备简单、 操作方便等优点。但是，它的缺点是土样上的剪应力沿剪切面分布不均匀，不容易控制排 水条件，在试验过程中，剪切面发生变化等。 图5-13 应变控制式直剪仪 1—轮轴；2—底座；3—透水石；4—垂直变形量表；5—活塞； 6—上盒；7—土样；8—水平位移量表；9—量力环；10—下盒 图5-14 剪应力-剪变形关系曲线 143 直剪试验适用于二、三级建筑的可塑状态粘性土与饱和度不大于0.5的粉土。 图5-15 峰值强度和残余强度曲线 二、 三轴剪切试验 三轴剪切试验仪由受压室、周围压力控制系统、轴向加压系统、孔隙水压力系统以及试 样体积变化量测系统等组成(图5-16)。 试验时，将圆柱体土样用乳胶膜包 裹，固定在压力室内的底座上。先向压力 室内注入液体(一般为水)，使试样受到周 围压力,，并使,在试验过程中保持不33 变。然后在压力室上端的活塞杆上施加垂 直压力直至土样受剪破坏。设土样破坏时 由活塞杆加在土样上的垂直压力为Δ,，1则土样上的最大主应力为 ,,,，,,,，而最小主应力为。1f313f由,,和可绘制出一个莫尔圆。用同1f3f 一种土制成3~4个土样，按上述方法进行 试验，对每个土样施加不同的周围压力 ,，可分别求得剪切破坏时对应的最大主3 应力,，将这些结果绘成一组莫尔圆。根 1 据土的极限平衡条件可知，通过这些莫尔圆的切点的直线就是土的抗剪强度线，由此可得 抗剪强度指标c、值(图5-17)。 , 三轴剪切仪有较多的优点，所以《GBJ7—89》推荐采用，特别是对于一级建筑物地基 土应予采用。 144 三、无侧限抗压试验——三轴试验的一种特殊情况 三轴试验时，如果对土样不施加周围压力，而只施加轴向压力，则土样剪切破坏的最 小主应力=０，最大主应力=q，此时绘出的莫尔极限应力圆如图5-18所示。q称,,uu3f1f 为土的无侧限抗压强度。 对于饱和软粘土，可以认为＝０，此时其抗剪强度线与轴平行，且有c = q/2。所,,uu 以，可用无侧限抗压试验测定饱和软粘土的强度，该试验多在无侧限抗压仪上进行。 图5-18 无侧限试验极限应力圆 四、十字板剪切试验 十字板剪切仪示意图如5-19所示。在现场试验时，先钻孔至需要试验的土层深度以上750mm处，然后将装有十字板的钻杆放入钻孔底部，并插入土中750mm，施加扭矩使钻杆旋转直 至土体剪切破坏。土体的剪切破坏面为十字板旋转所形成的圆柱面。土的抗剪强度可按下 式计算： ,,k(p,f) （5-12a） fccc 式中：k ——十字板常数，按下式计算： c 2R (5-12b) ,kcD2,(1，)Dh3h p——土发生剪切破坏时的总作用力，由弹簧秤读数求得(N)； c f ——轴杆及设备的机械阻力，在空载时由弹簧秤事先测得(N)； c h、D——分别为十字板的高度和直径(mm)； R ——转盘的半径(mm)。 十字板剪切试验的优点是不需钻取原状土样，对土的结构扰动较小。它适用于软塑状 态的粘性土。 145 五、大型直剪试验 对于无法取得原状土样的土类，《建筑地基基 础规范》(GBJ7—89)采用现场大型直剪试验。 该试验方法适用于测定边坡和滑坡的岩体软弱结 合面、岩石和土的接触面、滑动面和粘性土、砂土、 碎石土的混合层及其它粗颗粒土层的抗剪强度。由 于大型直剪试验土样的剪切面面积较室内试验大 得多，又在现场测试，因此它更能符合实际情况。 有关大型直剪试验的设备及试验方法可参见有关 土工试验专著。 六、饱和粘性土剪切试验方法的选择 我们知道，饱和粘性土随着固结度的增加，土 颗粒之间的有效应力也随着增大。由于粘性土的抗 剪强度公式 ,,,tg,，c中的第一项的法向应力f ,应该采用有效应力,，因此饱和粘性土的抗剪强 度与土的固结程度密切相关。在确定饱和粘性土的 抗剪强度时，要考虑土的实际固结程度。试验表明， 图5-19 十字板剪切仪示意图 土的固结程度与土中孔隙水的排水条件有关。在试1—转盘；2—摇柄；3—滑轮；4—弹簧秤； 验时必须考虑实际工程地基土中孔隙水排出的可5—槽钢；6—套管；7—钻杆；8—十字板 能性。根据实际工程地基的排水条件，室内抗剪强 度试验分别采用以下三种方法。 1．不固结不排水剪(或称快剪) 这种试验方法在全部剪切试验过程中都不让土样排水固结。在直接剪切试验中，在土 样上下两面均贴以腊纸，在加法向压力后即施加水平剪力，使土样在3~5分钟内剪坏；而 在三轴剪切试验中，先施加周围应力,。而后，再施加竖向应力（亦称偏应力） 3 Δ,,,,,。试验过程由始至终关闭排水阀门，土样在剪切破坏时不能将土中的孔隙水113 排出。因此，土样在加压和剪切过程中，含水量始终保持不变。这种常规三轴剪切试验称 不固结不排水剪试验(UU)。 对于饱和粘土，不排水剪切试验所得出的抗剪强度包线基本上是一条水平线(图5-20)， C,(,,,)/2,,0，。 uu13 146 图5-20 饱和粘土不固结不排水剪(UU)抗剪强度包线 1．有效强度包线；2．总应力强度包线 2．固结不排水剪(或称固结快剪) 在直接剪切试验中，在法向压力作用下使土样完全固结。然后很快施加水平剪力，使 土样在剪切过程中来不及排水。而在三轴剪切试验中，先对土样施加周围压力，将排水,3阀门开启，让土样中的水排入量水管中，直至排水终止，土样完全固结。然后关闭排水阀 门，施加竖向压力Δ,,,,,，使土样在不排水条件下剪切破坏。此种常规三轴剪切试113 验称为固结不排水剪试验(CU)。 在CU试验中，可以测得剪切过程中的孔隙水压力的数值，由此可求得有效应力。土样 剪坏时的有效最大主应力,,,,和最小主应力分别为 3f1f ,,,u,,,1f1ff, (5-13) ,,,,u,,,3f3ff, 式中：,,、——土样剪坏时的最大、最小主应力； 3f1f u ——土样剪坏时的孔隙水压力。 f ,,用有效应力,,和可绘制出有效莫尔应力圆和土的有效抗剪强度包线(图5-21)。 1f3f 显然，有效莫尔应力圆与总莫尔应力圆的大小一样，只是土样剪坏时的孔隙水压力uf＞０时，前者在后者的左侧距离为u的地方；而当u ＜０时，则在右侧。 ff 图5-21 固结不排水剪(CU)强度包线 实线：1—有效强度包线；虚线：2—总应力强度包线 147 图5-22 固结排水剪(CD)强度包线 3．固结排水剪(或称慢剪) 这种试验方法的特点是，在全部试验过程中，允许土样中的孔隙水充分排出，始终保 持u = 0。在直剪试验中，先让土样在竖向压力下充分固结，然后再慢慢施加水平剪力，直 至土样发生剪切破坏。在三轴剪切试验中，在固结过程和Δ的施加过程中，都,,,,,113让土样充分排水(将排水阀门开启)，使土样中不产生孔隙水压力。故施加的应力就是作用于 土样上的有效应力。此种常规三轴试验称为固结排水剪(CD)。图5-22是一组排水试验结果。 表5-1 试验过程中的孔隙水压力u及含水量w的变化 加荷情况 试验方法 u,,u,A,(,,)（不固结） （不排水） 13213不固结不排水剪 （UU） w,ww,w（含水量不变） （含水量不变） 1020 u,A,(,,)（不排水） u,0（固结） 213固结不排水剪 1 （CU） w,w（含水量不变） ww＜（含水量减小） 2110 u,0（排水） 2u,0（固结） 固结排水剪 1ww＜（正常固结土排水） 21（CD） ww＜（含水量减小） 10ww＞（超固结土吸水） 21 说明：此处所用符号是英文字的第一个字母：U——不固结或不排水(unconsolidation or undrained), C——固结(consolidation),D——排水(drained)。 在实际工程中应当具体采用上述哪种试验方法，要根据地基土的实际受力情况和排水 条件而定。鉴于近年来国内房屋建筑施工周期缩短，结构荷载增长速率较快，因此验算施 148 工结束时的地基短期承载力时，《建筑地基基础设计规范》(GBJ7—89)建议采用不排水剪，以保证工程的安全。该规范还规定，对于施工周期较长，结构荷载增长速率较慢的工程， 宜根据建筑物的荷载及预压荷载作用下地基的固结程度，采用固结不排水剪。 第四节 抗剪强度的表示方法及其影响因素 前面已经叙述，抗剪强度即是土体抵抗剪切破坏的极限能力。土体所受的法向应力与 其抗剪强度的关系可以用库伦公式(抗剪强度公式)表示，以下较详细地加以阐述。 一、抗剪强度的两种表示方法 抗剪强度与法向应力的关系有两种表示方法： (一)总应力表示法 前面介绍的抗剪强度公式(5-1)和三轴剪切试验三种试验方法得出的抗剪强度公式，其 中施加的和Δ,,,,,都是总应力，没有体现出孔隙水压力u 的大小，故将抗剪强,3113 度公式(5-1)称为总应力表示法。 (二)有效应力表示法 如果在室内三轴试验过程中，可以测得到孔隙水压力u(包括孔隙水压力为零)的数值，则抗剪强度的应力表示法可以改写为 ,,,,,,,,,,,c，(,u)tg,c，tg f 式中：,,、c′——有效抗剪强度指标。 在一个实际工程中，当施加总应力后，一般情况下可以认为总应力是不变的常量，但 是，超静孔隙水压力u是随着时间而逐渐变化的。因此，有效应力和抗剪强度也必然会随 着时间而改变，即有,,f(,,t)。有效应力表示法用超静孔隙水压力u随时间的变化来反f 映土的抗剪强度的变化。由于u随时间的变化是连续的，因而，有效应力表示法可以求知 土的抗剪强度随时间变化过程中的任一时刻的数值，所以，上式是反映土的抗剪强度随时 间变化的普遍关系式。而总应力表示法则是用土的抗剪强度指标c、值的变化来反映土的,抗剪强度随时间的变化，即c、,,f(t),。土的抗剪强度指标只有三种，如直剪试验的、q c,,,(快剪)，、c(固结快剪)，、c(慢剪)和三轴剪切试验中的、c(不固结不排水剪)，qcq s u cqsu,,、c(固结不排水剪)和、c(固结排水剪)，因而,总应力法只能得到抗剪强度随时间连cu d cud 续变化过程中的三个特定值，即初始值(不排水剪)、最终值(排水剪)和某一中间值(固结不排水剪)，给实际工程的应用带来很大的不便。 二、土的抗剪强度的影响因素 库伦抗剪强度公式,,c，,tg,表明，土体的抗剪强度主要是由两部分所组成的，即f 摩擦强度,tg,和粘聚强度c。通常认为，对于无粘性土（粗粒土），由于土体颗粒较粗，颗 粒的比表面积较小，其抗剪强度主要来源于粒间的摩擦阻力，土颗粒粒间没有粘聚强度， 149 即c=0。 (一)摩擦强度 摩擦强度,tg,取决于剪切面上的法向正应力和土的内摩擦角。粗粒土的内摩擦角,,涉及颗粒之间的相对移动，其物理过程包括如下两个组成部分：（1）滑动摩擦力，即是颗粒之间产生相互滑动时要克服由于颗粒表面粗糙不平而引起的滑动摩擦；（2）咬合摩擦力，即由于颗粒之间相互镶嵌、咬合、连锁作用及脱离咬合状态而移动所产生的咬合摩擦。 滑动摩擦力是由于颗粒接触面粗糙不平所引起的，其大小与颗粒的形状、矿物组成、 土的级配等因素有关。咬合摩擦力是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用。图5-23(ａ)表示相互咬合着的颗粒排列。当土体内沿着某一剪切面而产生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒 必须从原来的位置被抬起(如图5-23(ｂ) 中颗粒A)，跨越相邻颗粒(颗粒B)，或 者在尖角处将颗粒剪断(颗粒C)然后才 能移动。总之，先要破坏原来的咬合状 态，一般表现为土体积的胀大，即所谓 “剪胀”现象，才能达到剪切破坏。剪 胀需要消耗部分能量，这部分能量需要图5-23 土内的剪切面 由剪切力做功来补偿，即表现为内摩擦 角的增大。土愈密，磨圆度愈小，咬合作用力愈强，则内摩擦角愈大。此外，在剪切过程 中，土体中的颗粒重新排列，也要消耗掉或释放出一定的能量，这对于土的内摩擦角也有 影响。 综合以上分析，可以认为影响粗粒土内摩擦角的主要因素是：?密度，?粒径级配， ?颗粒形状，?矿物成分等。 对于粘性土（细粒土），由于土的颗粒细微，颗粒的比表面积较小，颗粒表面存在着吸 附水膜，土颗粒间可以在接触点处直接接触，也可以通过吸附水膜而间接接触，所以它的 摩擦强度要比粗粒土复杂。除了由于土颗粒相互移动和咬合作用所引起的摩擦强度外，接 触点处的颗粒表面，由于物理化学作用而产生吸引力，对土的摩擦强度也有影响。 (二)粘聚强度 粘性土（细粒土）的粘聚力c取决于土颗粒粒间的各种物理化学作用力，包括库伦力(静电力)、范德华力、胶结作用等等。对粘聚力的微观研究是一个很复杂的问题，存在着各种 不同的见解。前苏联学者把粘聚力c分成两部分，即原始粘聚力和固化粘聚力。原始粘聚 力来源于土颗粒间的静电吸引力和范德华力。土颗粒间的距离愈近，单位面积上土粒的接 触点愈多，则原始粘聚力愈大。因此，对同一种土而言，其密度愈大，原始粘聚力就愈大。 当土颗粒间相互离开一定距离以后，原始粘聚力才完全丧失。固化粘聚力决定于颗粒之间 胶结物质的胶结作用。例如，土中存在的游离氯化物、铁盐、碳酸盐和有机质等。固化粘 聚力除了与胶结物质的强度有关外，还随着时间的推移而逐渐加强。密度相同的重塑土的 抗剪强度与原状土的抗剪强度有较大的区别。而且，沉积年代愈老的土，其抗剪强度愈高。 在这里，固化粘结力所起的作用是很重要的原因。另外，地下水位以上的土，由于毛细水 的张力作用，在土骨架间引起毛细压力。毛细压力也有连结土颗粒的作用。土颗粒愈细， 毛细压力愈大。在粘性土中，毛细压力可达以到一个大气压力以上。 150 无粘性土（粗粒土）的粒间分子力与重力相比可以忽略不计。所以，一般观点认为， 无粘性土不具有粘聚强度。但有时由于胶结物质的存在，粗粒土间也具有一定的粘聚强度。 此外，非饱和的砂土，由于粒间受毛细压力的作用，含水量适当时也具有明显的粘聚作用， 可以捏成团。但由于这是暂时性的，在工程中不能作为粘聚强度。 (三)土的残余强度 图5-2中的曲线?是密砂受排水剪切过程中应力—应变的关系曲线。在图中不难看出有 应力峰值出现。在应力峰值后，若密砂的剪切变形继续发展，其对应的偏应力将不断降低。 当变形很大时，应力趋于稳定值，该稳定的应力值称为残余强度。松砂受排水剪切，偏应 力一直升高，不会出现应力峰值。所以，虽然它最后也达到同样的稳定应力值，但就不能 称为残余强度。 残余强度有其应用的实际意义。天然滑坡的滑动面或断层面，土体由于多次滑动而经 历相当大的变形。在分析其稳定性时，应该采用其残余强度。在某些裂隙粘土中，经常发 生渐进性的破坏，即部分土体因应力集中先达到应力的峰值强度，而后，其应力减小，从 而引起四周土体应力的增加，它们也相继达到应力峰值强度，这样的破坏区将逐步扩展。 在这种情况下，破坏的土体变形很大，应该采用残余强度进行分析。 表5-2 抗剪强度指标的测定和应用 控制稳定 强度计 土 类 使用仪器 试验方法与代号 强度指标 试样起始状态 的 时 期 算方法 直剪仪 慢剪 无粘性土 三轴仪 排水剪（CD） 有 直剪仪 慢剪 效 饱和度 ,,施 c′, 应 不固结不排水剪测孔隙<80% 三轴仪 粘 填土用填筑含水 力 压力(UU) 性 工 量和填筑密度的土，法 直剪仪 慢剪 土 地基用原状土 饱和度 期 固结不排水剪测孔隙水>80% 三轴仪 压力(CU) 渗透系数 总粘 直剪仪 快剪 -7<10cm/s 应c,, 性 uu力任何渗透系数 三轴仪 不固结不排水剪(UU) 土 法 直剪仪 慢剪 有 ,,c′, 无粘性土 稳定渗效 三轴仪 固结排水剪（CD） 流期和水应 库水位降同上， 力 直剪仪 慢剪 落期 但要预先饱和 粘性土 法 固结不排水剪测孔隙水三轴仪 水库水位总应 压力（CU） c,, 粘性土 cucu降落期 力法 三、抗剪强度指标的选用 151 土体稳定分析成果的可靠性，在很大程度上取决于抗剪强度试验方法和抗剪强度指标 的正确选择。因为，试验方法所引起的抗剪强度的差别往往超过不同稳定分析方法之间的 差别。 与总应力法和有效应力法相对应，应该分别采用总应力强度指标或有效应力强度指标。 当土体内的超静孔隙水压力能通过计算或其它方法确定时，宜采用有效应力法。当土体内 的超静孔隙水压力难以确定时，才使用总应力法。采用总应力法时，应该按照土体可能的 排水固结情况，分别用不固结不排水强度(快剪强度)或固结不排水强度(固结快剪强度)。固 结排水强度实际上就是有效应力抗剪强度，用于有效应力分析法中。 152