5土的抗剪强度

土的抗剪强度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。土体的破坏通常部是剪切破坏。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，它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。如果土体内某—部分的剪应力达到土的抗剪强度，在该部分就开始出现剪切破坏。随着荷载的增加．剪切破坏的范围逐渐扩大，最终在土体中形成连续的滑动面，地基发生整体剪切破坏而丧失稳定性。土体中任意点的应力（莫尔应力圆）土体内部的滑动可沿任何一个面发生，只要该面上的剪应力等于它的抗剪强度。所以，必须研究土体内任一微小单元的应力状态。在平面问题或轴对称问题中。取某一土体单元，若其大主应力1和小主应力3的大小和方向已知，则与大主应力而成角的任一平面上的法向应力和剪应力τ可由力的平衡条件求得。方向的静力平衡条件可得：2cos223131τ方向的静力平衡条件可得：2sin231消去上两式中的，则可得到：2312231)2()2(可见在~τ坐标平面上，土单元的应力状态的轨迹将是一个圆，该圆就称为莫尔应力圆。莫尔圆就表示土体中一点的应力状态，莫尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相应平面上的正应力和剪应力。库伦公式和莫尔—库伦强度理论一、库伦公式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τf=tan以后又提出了适合粘性土的更普遍的形式：τf=c＋tan式中τf——土的抗剪强度，kPa——剪切滑动面上的法向总应力，kPac——土的粘聚力(内聚力)，kPa——土的内摩擦角，度。以上两式统称为库伦公式或库伦定律，c、称为抗剪强度指标或抗剪强度参数。由库伦公式可知：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．库伦公式应修改为：τf=´tan´τf=c´＋´tan´式中´——剪切滑动面上的法向有效应力，kPac´——土的有效粘聚力(内聚力)，kPa´——土的有效内摩擦角，度。二、莫尔—库伦强度理论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（）这个函数在τf～坐标中是一条曲线，称为莫尔包线(或称为抗剪强度包线)，莫尔包线表示材料受到不同应力作用达到极限状态时、滑动面上法向应力与剪应力τf的关系。理论分析和实验都证明，莫尔理论对土比较合适，土的莫尔包线通常近似地用直线代替，该直线方程就是库伦公式。由库伦公式表示莫尔包线的强度理论称为莫尔—库伦强度理论。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不可能状态根据极限应力圆与抗剪强度包线相切的几何关系，可建立以下极限平衡条件。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。破裂面位于极限平衡状态莫尔圆的A点。将抗剪强度线延长与轴相交于R点、由三角形ARD可知：因)(21sin31ADRDAD，故)(21cot31cRDsin)](21cot[)(213131c粘性土的极限平衡条件为：sin1sin12sin1sin131c)245tan(2)245(tan)245(tan213231oooc非粘性土的极限平衡条件为：)245(tan)245(tan213231oo破裂角245of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。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有多种，在实验室内常用的有直接剪切试验、三轴压缩试验和无侧限抗压试验、在现场原位测试的有十字板剪切试验，大型直接剪切试验等。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仑构造简单，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。由于土的抗剪强度受排水条件的影响显著。故试验结果不够理想。但由于它具有的优点，故仍为一般工程广泛采用。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交化的。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。直剪仪内土样的应力和应变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。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是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。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。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：2uufqc灵敏度：原状土与重塑土无侧限抗压强度的比值。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。十字板剪切试验就地进行，它不需取原状土样，试验时的排水条件、受力状态与土所处的天然状态比较接近。由于十字板在现场测定的土的抗剪强度，属于不排水剪切的试验条件，因此其结果应与无侧阻抗压强度试验结果接近，即十字板剪切仪适用于饱和软钻土，特别适用于难于取样或试样在自重作用下不能保持原有形状的软粘土。它的优点是构造简单，操作方便，试验时对土的结构扰动也较小，故在实际中广泛得到应用。十字板试验装置土的抗剪强度随深度的变化孔隙压力系数1954年斯开普顿（Skempton）给出了孔隙压力系数A和B用来表述试样在三轴不排气、不排水条件下的孔隙压力随总应力变化的反映。他假定土是具有各向同性、弹性材料的性质，孔隙流体的体积变化与应力之间呈线性关系。根据有效应力原理、弹性理论，和三轴试验结果，建立轴对称应力状态下土中孔隙压力与大、小主应力之间的关系。1.土单元在各向相等的有效应力作用下固结，初始孔隙水压力u0＝0,模拟试样的原位应力状态。2.土单元受到