土的抗剪强度试验方法及指标的应用

1、土的抗剪强度试验方法及指标的应用 土是自然界漫长的地质年代内所形成的一种非连续、各向异性明显的多孔松散堆积物，是由固体颗粒、水和气体三相体系组成的。即使是同一土层，其性质仍有一定的差异。它既不是理想的弹性材料，也不是理想的塑性材料，土的三相组成使其工程性质表现相当复杂性质复杂、不均匀、各向异性的材料，三相之间的相互作用对土的抗剪强度有很大的影响，同时，土中的孔隙水压力等对土的强度影响也是不可忽视的。根据有效应力原理，土的强度指标中分为有效应力强度指标和总应力强度指标，总应力强度指标又分为固结不排水和不固结不排水强度指标。在室内或室外试验与测试中，不同的试验方法或条件所测得测得结果是有较大差别的

2、。这就需要我们尽可能选择选择与工程实际条件相似的试验方法。土的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要力学性质之一。主要对与土的抗剪强度有关的试验方法及其在工程中应用的问题做了介绍和探讨。 土强度的试验方法及应用。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。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。土的抗剪强度的试验方法，目前室内最常用的是直接剪切试验和三轴压缩试验，后者是较为完善的方法。土

3、的剪切试验有三种方法：不固结不排水水剪（uu）；固结不排水剪（cu）；排水剪（cd）。 根据有效应力原理，土的抗剪强度是由土的有效应力决定的，孔隙水压力对于土的抗剪强度没有任何作用，在没有超静孔隙水压力或者孔隙水压力可以确定时，都应当用有效应力强度指标。 上述3种试验方法中不固结不排水剪试验结果只能用总应力指标表示，排水剪试验结果就是有效应力指标（ d= ），只有固结不排水剪试验结果可用总应力或有效应力指标来表示。 主应力 （kpa）用总应力表示： 用有效应力表示： 土体破坏面上的抗剪强度；土的总应力抗剪强度指标；土的有效应力抗剪强度指标；剪切面上的总应力；剪切面上的有效应力；土体破坏时的超孔

4、隙水应力。 在剪切试验过程中试样内的有效应力（或孔隙水应力）将随剪切前试样的固结程度和剪切中排水条件而异。因此，同一种土如用不同的方法进行试验，即使剪切破坏面上法向总应力相同，其抗剪强度也未必相同。当以有效应力来表示试验结果时，不同的试验方法引起的强度差异可通过（）反映出来，其有效应力强度基本不变。当以总强度指标表示试验结果时，强度的差异则是通过总应力强度指标来反映，不同的试验方法得时的总强度指标是不同的，它反应出土在一定排水条件下其抗剪强度的变化。 对于同种土，在相同的应力及排水条件下，虽然总应力指标和有效应力指标不同，但其抗剪强度是相等的。 用有效应力表示土的强度指标它不随排水条件的改变而

5、发生变化，但在具体工程计算中一般比较困难，使其应用受到一定的限制，实际工程中总应力法应用的比较普遍。天然地基不可能完全排水或完全不排水，而是处于两者之间，它与土层浸透性及排水边界条件有关。 如果能够求得有效应力就要使用有效应力指标来计算，因为有效应力计算结果更加符合实际。但多数工程，计算有效应力是比较困难的，在只知道总应力条件下，就只可用总应力法使用总应力指标来进行计算。 关于强度指标的正确选用，目前在一些工程技术人员中存在一些误解或者模糊的认识，这需要我们加强对土力学基本概念和原理的理解并在工程实践中逐步提高，正确合理地解决与土的强度有关的工程问题。 不固结不排水试验的应用。不固结不排水剪强

6、度是在完全不排水条件下试验得到的，它是土体在某个应力状态下的总强度。如果这个应力状态是天然状态，则这个强度就是天然强度，如果是在某种条件下预固结后再取土做的不固结不排水试验，那么这个强度就表示预压结束时的总强度，与天然强度之差就是土的强度随固结度的增长而增长的量，无论什么条件下得到的不固结不排水强度都只能给出一个总强度。理论上不固结不排水得到的抗剪强度指标 =0，但实际测试中得到的 一般都大于0，这主要是由于饱和土在取样过程土样从原位应力状态（ 0）减少到总应力为0，而为了能够保持原状土的不回弹与体积不变，需要有一个负的超静孔隙水压力，即 r=-ur。 如果不能满足试样完全不回弹与不扰动，则可

7、以在原位有效自重压力下固结，然后再进行三轴不排水试验测定土的强度指标。如果取样后土样有的有效应力已经减少，甚至巳卸载到o，则需要施加固结压力 3=-ur使试样的体积与原位体积相同。对于一正常固结饱和带土层，可取其层中点的有效自重应力固结到原位体积以后，再进行几个围压的三轴不固结不排水试验，而不能按每一深度的实际自重应力分别固结，再将用不同深度的试样破坏时的莫尔圆的包线作为强度包线，这样得到的强度指标就不是不排水而是固结不排水的强度指标了。无侧限压缩试验得到的强度qu有时也叫做无侧限抗压强度。它是uu试验的一种特殊情况，亦即施加的围压为0，而实际的有效围压为-ur。用这种试验同样可以得到不排水抗

8、剪强度cu=qu/2。 原位的十字板剪切试验也是测定饱和软粘土不排水强度的一种方法。由于受试验的应力状态与应力路径、土样的扰动程度、仪器设备的影响，通过现场十宇板剪切试验、无侧限压缩试验、不排水三轴试验和直剪试验的快剪试验得到的结果不可能完全一致。 不固结不排水强度是天然强度，不是强度指标；它是总强度，反映了某种状态的结果；但无法反映土的抗剪强度随法向应力变化的规律；其强度随深度而增长，但不能提供其平均值。 例如，在土坝边坡的稳定分析中，安全系数可能出现最小值的时期有施工期、稳定期和库水位突降期，而各个时期填土受力后的固结和排水条件是不同的。用总应力分析法时，必须选择与它们大体相当的试验方法。

9、粘性土坡施工期，如果不发生孔隙水压力消散，则可采用不固结不排水试验（uu）；在填土中要形成稳定渗流需要很长时间，因此，模拟稳定渗流期可采用固结排水剪试验（cd）；而库水位突降期则大体相当于固结不排水剪试验（cu）。这种模拟是近似的，因此，用总应力分析方法估算土坡稳定安全系数的精确度不可能很高。当用有效应力法分析时，只需要进行固结排水试验或固结不排水试验并测定试验中的孔隙水压力的大小。在设计中则要估算各个时期的孔隙水压力。然而，根据目前的技术水平，较准确的孔隙水压力数据只能依靠现场实测。因此，尽管有效应力分析法概念清楚，但因土的应力历史、固结和排水条件以及不均匀性的影响，给孔隙水压力的准确预估带

10、来了困难，这也会影响到用有效应力分析法估算土坡稳定安全系数的精度。 固结不排水强度指标的使用。如果土体在现有的应力体系中平衡并完全地固结，然后，由于某种原因而很快施加荷载形成不排水情况，这时就适用于固结不排水强度指标。如：在土坝施工中底部填土地基已经固结稳定，然后又很快施加上部填方部分；土坝竣工蓄水后库水位骤降时土坝上游边坡的稳定分析；在一个天然士坡上很快施工一个填方。在这些情况的稳定分析中都适于使用固结不排水强度指标。 不排水强度指标的使用。如果在粘性土工程问题中，如荷载是很快地被施加，而引起的超静孔隙水压力没有时间消散，那么所施加的外力全部为超静孔隙水压力所承担，士也没有时间在这种荷载产生

11、的围压下固结，完全保持初始的有效应力状态，此时的强度为天然强度。在下列几种情况下可以采用不排水强度指标：在正常固结软粘土地基上很快填筑土方的工程；土坝快速施工，竣工后其心墙未固结；在正常固结粘土地基上快速施工建筑物。 这些工程的稳定分析和承载力验算中的控制条件是刚刚施加了荷载之后。而随着时间的延续，孔压消散，土被固结，地基或边坡也变得更加安全了。实际工程的施工工程中，大部分属于“部分固结”的情况，使用不排水强度指标是偏于安全的。 室内试验测定原状地基土的不排水强度指标需要有良好的取样技术和设备，当取样深度大，试样有回弹和扰动时可采用相应于原位有效自重应力的预固结，进行不排水试验。 在工程中应根据土质、排水条件、加载速度选择试验方法。总应力法应用较方便，对要求不高的工程可用该法求取土的抗剪强度。