第五章、土抗剪强度及其参数确定

6土的抗剪强度土木建筑学院土体抗剪强度不足造成的山体滑坡。土体抗剪强度不足造成的楼房倒塌。

土的抗剪强度指土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的主要力学性质之一。土体的破坏通常是剪切破坏。

建筑物地基在外荷载作用下将产生剪应力和剪切变形。土具有抵抗剪应力的潜在能力——剪阻力。

6.1土的抗剪强度概述

剪阻力随着剪应力的增加而逐渐发挥，剪阻力被完全发挥时，土就处于剪切破坏的极限状态，此时剪应力也就到达极限，这个极限值就是土的抗剪强度。6.3.1直接剪切试验6.2土的抗剪强度理论

6.2.1库伦公式及抗剪强度指标

1773年C．A．库伦(Comlomb)根据砂土的试验，将土的抗剪强度表达为滑动面上法向总应力的函数，即

粘性土:τf=c＋

tan砂土:τf=

tan

无粘性土的抗剪强度与剪切面上的法向应力成正比，其本质是由于土粒之间的滑动摩擦以及凹凸面间的镶嵌作用所产生的摩阻力，其大小决定于土粒表面的粗糙度、密实度、土颗粒的大小以及颗粒级配等因素。

粘性土的抗剪强度由两部分组成，一部分是摩擦力(与法向应力成正比)，另—部分是土粒之间的粘结力，它是由于粘性土颗粒之间的胶结作用和静电引力效应等因素引起的。大量试验表明，土的抗剪强度不仅与土的性质有关，还与试验时的排水条件、剪切速率、应力状态和应力历史等许多因素有关。其中最重要的是试验时的排水条件．根据K．太沙基(Terzaghi)的有效应力概念，土体内的剪应力仅能由土的骨架承担，由此，土的抗剪强度应表示为剪切破坏面上法向有效应力的函数．库仑公式应修改为：τf=’tan’τf=c’

＋’

tan’6.2.2莫尔—库伦强度理论及极限平衡条件

1910年莫尔(Mohr)提出材料的破坏是剪切破坏，当任一平面上的剪应力等于材料的抗剪强度时该点就发生破坏，并提出在破坏面上的剪应力τf是该面上法向应力的函数，即τf

＝f（）

土体中任意点的应力莫尔—库伦破坏准则

——土的极限平衡条件

当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，就发生剪切破坏。即土体处于极限平衡状态，根据莫尔—库伦理论和莫尔应力圆可得到土体中一点的剪切破坏条件，即土的极限平衡条件。极限平衡状态时，大、小主应力之间的关系，称为莫尔—库伦破坏准则。将抗剪强度包线与莫尔应力圆画在同一张坐标图上。它们之间的关系有以下三种情况。Ⅰ稳定状态Ⅱ极限平衡状态Ⅲ不可能状态抗剪强度剪应力莫尔圆与抗剪强度之间的关系最大剪应力处不发生破坏？土的极限平衡条件推导破裂面、破裂角破裂面

在土体中取一单元微体。mn为破裂面，它与大主应力的作用面成f角。破裂角

说明破坏面与最大主应力

1的作用面的夹角为（450＋

/2)。如前所述，土的抗剪强度τf

实际上取决于有效应力，所以，

取有效摩擦角´时才代表实际的破裂角。6.3抗剪强度指标的测定方法

土的抗剪强度是土的一个重要力学性能指标．在计算承载力、评价地基的稳定性以及计算挡土墙的土压力时，都要用到土的抗剪强度指标，因此，正确地测定土的抗剪强度在工程上具有重要意义。抗剪强度的试验方法:直接剪切试验三轴压缩试验实验室无侧限抗压试验

十字板剪切试验

大型直接剪切试验

现场原位测试抗剪强度指标的测定方法抗剪强度的影响因素:1.土的种类；2.土的密度、含水量；3.初始应力状态、应力历史；4.试验中的排水条件等。抗剪强度指标:总应力指标： c，

有效应力指标：c´，´

在剪切试验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的排水条件而异。因此，同一种土如用不同的方法进行试验，求出的总应力强度指标是不同的，即便剪破面上的法向总应力相同，也未必就有相同的强度。当采用有效应力表示试验结果时，不同试验方法引起的强度差异是通过´项来反映，而有效应力强度指标基本不变。直接剪切试验

直接剪切仪分为应变控制式和应力控制式两种，前者是等速推动试样产生位移．测定相应的剪应力，后者则是对试件分级施加水平剪应力测定相应的位移，目前我国普遍采用的是应变控制式直剪仪。

对同一种土至少取4个重度和含水量相同的试样，分别在不同垂直压力下剪切破坏，一般可取垂直压力为100、200、300、400kPa，将试验结果绘制抗剪强度τf

和垂直压力之间关系曲线。一般取峰值作为该级压力下的抗剪强度τf

。必要时可取终值（残余强度）作为抗剪强度。直接剪切试验方法：

为了近似模拟土体在现场受剪的排水条件，直接剪切试验可分为快剪、固结快剪和慢剪：快剪试验——在试样施加垂直压力后．立即快速施加水平剪应力使试样剪切破坏。固结快剪——在试样施加垂直压力后，允许试样充分排水，待固结完成后，再快速施加水平剪应力使试样剪切破坏。慢剪试验——在试样施加垂直压力后，允许试样充分排水，待固结完成后，以缓慢的速率施加水平剪应力使试样剪切破坏。直接剪切试验优缺点

直接剪切仪具有构造简单，操作方使等优点，但它存在若干缺点，主要有：①剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的面剪切破坏；②剪切面上剪应力分布不均匀，土样剪切破坏时先从边缘开始，在边缘发生应力集中现象；③在剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而在计算抗剪强度时却是按土样的原截面积计算；④试验时不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力、在进行不排水剪切时，试件仍有可能排水，特别对于饱和粘粘性土。

直剪仪内试件的应力和应变

试样内的应力状态复杂，应变分布不均匀。在加剪应力以前，大主应力1就是作用于试样上的竖向应力n。试件处于侧限状态，所以

2＝3＝k

1。加剪应力τ后，主应力的方向产生偏转，剪应力愈大，偏转角也愈大，所以试验过程中主应力的方向是不断变化的。直剪仪内试件的应力和应变另外，在试验资料的分析中，假定试件中的剪应力均匀分布，但事实上并非如此。当试件被剪破时，靠近剪力盒边缘的应变最大，而试件的中间部分的应变相对要小得多，剪切面附近的应变又大于试件顶部和底部的应变。所以，在剪切过程中，特别是在剪切破坏时，试件内的应力和应变，既非均匀又难确定。三轴压缩试验

三轴压缩试验也称三轴剪切试验，是测定土抗剪强度的一种较为完善的方法。三轴压缩仪由压力室、轴向加荷系统、施加围压系统、孔隙水压力量测系统等组成。

三轴压缩试验

常规试验方法的主要步骤如下：1.将土样切成圆柱体套在橡胶膜内、放在密封的压力室中．然后向压力室内压入水，使试样各向受到围压3，并使液压在整个试验过程中保持不变，这时试样内各向的三个主应力都相等、因此不发生剪应力。2.然通过传力杆对试样施加竖向压力，这样，竖向主应力就大于水平向主应力．水平向主应力保持不变。而竖向主应力逐渐增大，试件终于至剪切破坏。三轴压缩试验

三轴压缩试验方法三轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条件，分为以下三种试验方法；

(1)不固结不排水试验(UUTest)：试样在施加周围压力和随后施加竖向压力直至剪切破坏的整个过程中都不允许排水，试验自始至终关闭排水阀门。

(2)固结不排水试验(CUTest)：试样在施加周围压力3后打并排水阀门，允许排水固结，稳定后关闭排水阀门，再施加竖向压力、使试样在不排水的条件下剪切破坏。(3)固结排水试验(CDTest)：试样在施加周围压力3时允许排水固结，待固结稳定后，再在排水条件下施加竖向压力至试样剪切破坏。三轴压缩试验优缺点

三轴压缩仪的突出优点:能较为严格地控制排水条件，量测试件中孔隙水压力的变化。此外，试件中的应力状态也比较明确，破裂面是在最弱处，而不象直接剪切仪那样限定在上下盒之间。一般说来，三轴压缩试验的结果比较可靠。

三轴压缩试验的缺点:

是试样的中主应力2＝3。而实际上土体的受力状态未必都属于这类轴对称情况。真三轴仪中的试样可在不同的三个主应力(1≠2≠

3)作用下进行试验。6.3.3无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度试验与三轴仪中进行3＝0的不排水剪切试验一样，试验时，将圆柱形试样放在无侧限抗压试验仪中，在不加任何侧向压力的情况下施加垂直压力，直到使试件剪切破坏为止，剪切破坏时试样所能承受的最大轴向压力qu称为无侧限抗压强度。

无侧限抗压强度试验

根据试验结果，只能作一个极限应力圆(1＝qu、3＝0)，因此对于一般粘性土就难以作出破坏包线。而对于饱和粘性土，根据在三轴不固结不排水试验的结果，其破坏包线近于一条水平线，即u＝0。这样，如仅为了测定饱和粘性土的不排水抗剪强度．就可以以利用构造比较简中的无侧限抗压试验仪代替三轴仪。此时，取u＝0．则由无侧阻抗比强度试验所得的极限应力圆的水平线就是破坏包线，得：灵敏度：原状土与重塑土无侧限抗压强度的比值。6.3.3十字板剪切试验十字板剪切试验室内的抗剪强度测试要求取得原状土样。但由于试样在采取、运送、保存和制备等方面不可避免地受到扰动，含水量也很难保持、特别是对于高灵敏度的软粘土，室内试验结果的精度就受到影响。6.4饱和粘性土的抗剪强度

不固结不排水试验是在施加周围压力和轴向压力直至剪切破坏的整个试验过程中都不允许排水，如果有一组饱和粘性土试件，首先在某一围压下固结至稳定．试件中的初始孔隙水压力为零，然后分别在不排水条件下施加围压和轴向压力至剪切破坏．一般只用于测定饱和土的不排水强度一、不固结不排水抗剪强度

不排水条件下，试样在试验过程中含水量不变，体积不变。改变围压增量只能引起孔隙水压力的变化，并不会改变试样中的有效应力，各试样在剪切前的有效应力相等，因此抗剪强度不变。

不固结不排水试验的“不固结”是在三轴压力室压力下不再固结．而保持试样原来的有效应力不变，如果饱和粘性土从未固结过，将是一种泥浆状土，抗剪强度也必然等于零。从天然土层中取出的试样，相当于在某一压力下已经固结，具有一定的天然强度。不排水抗剪强度取决于天然土层有效固结压力。二、固结不排水抗剪强度

正常固结试样剪切时体积有减少的趋势（剪缩）。但由于不允许排水，产生正的孔隙水压力，超固结试样在剪切时体积有增加的趋势（剪胀）。

强超固结试样在剪切过程中．开始产生正的孔隙水压力．以后转为负值。

如果试样所受到的3>pc，属于正常固结试样；如果3<pc，则属于超固结试样。试验结果证明，这两种不同固结状态的试样，其抗剪强度性状是不同的。正常固结饱和粘性土固结不排水试验结果

有效应力圆与总应力圆直径相等、仅位置不同。两者之间的距离为uf，因为正常固结试样在剪切破坏时产生正的孔隙水压力，故有效应力圆在总应力圆的左方。总应力破坏包线和有效应力破坏包线都通原点，说明未受任何固结压力的土(如泥浆状土)不具有抗剪强度。总应力破坏包线的倾角以cu表示，一般在10º～20º之间，有效应力破坏包线的倾角´称为有效内摩擦角，´比cu大一倍左右。超固结土的固结不排水试验结果

超固结土的固结不排水总应力破坏包线是一条平缓的曲线，可近似用直线ab代替，与正常固结破坏包线bc相交。bc的延长线仍通过原点，实用上将abc折线取为一条直线。固结不排水剪的总应力强度包线可表达为：τf=ccu＋

tan

cu

固结不排水剪的有效应力强度包线可表达为：τf=c´＋´tan´

由于超固结土在剪切破坏时，产生负孔隙水压力，有效应力圆在总应力圆的右方，正常固结试祥产生正的孔隙水压力，故