土的抗剪强度指标

时间：2022-11-01 百科知识版权反馈

【摘要】：土的抗剪强度指标千变万化，在土力学有关稳定性的计算分析工作中，抗剪强度指标是其中最重要的计算参数。能否正确选择土的抗剪强度指标，同样是关系到工程设计质量和成败的关键所在。由于黏性土抗剪强度公式中的法向应力，应该采用有效应力σ′，因此，饱和黏性土的抗剪强度与土的固结程度密切相关。在确定饱和黏性土的抗剪强度时，要考虑土的实际固结程度。试验方法不同，得到的抗剪强度指标不同。

土的抗剪强度指标千变万化，在土力学有关稳定性的计算分析工作中，抗剪强度指标是其中最重要的计算参数。能否正确选择土的抗剪强度指标，同样是关系到工程设计质量和成败的关键所在。因此，只有对抗剪强度指标的性质和变化规律有一个清晰的概念，并对各种指标数值的范围有一个大致的了解，才能对实际问题作出正确的判断和选择。

在实际工程中，若能直接测定土体在剪切过程中σ和u的变化（或用固结理论推估出来），便可利用有效应力法定量地评价土的实际抗剪强度及其随土体固结的不断变化，采用有效应力强度指标去研究土体的稳定性，故应用有效应力法的关键在于求得孔隙水压力的分布。然而，往往受室内和现场试验设备条件所限，不可能对所有工程都采用有效应力法，况且在实践中许多情况下也难以取得孔隙水压力分布的实用解答，因而限制了有效应力法的广泛应用。因此，工程实践中较多的还是采用土的总应力强度指标，试验方法上尽可能地近似模拟现场土体在受剪时的固结和排水条件，而不必测定土在剪切过程中u的变化。

目前，针对工程中可能出现的固结和排水实际情况，通常采用的做法是统一规定3种不同的标准试验方法，控制试样不同的固结和排水条件。必须指出的是，只有三轴压缩试验才能严格控制试样固结和剪切过程中的排水条件，而直剪试验因限于仪器条件则只能近似模拟工程中可能出现的固结和排水情况。下面仅就上述两类剪切试验，对3种标准试验方法分别介绍。

1）不固结不排水剪（又称快剪，以符号UU表示）

用三轴压缩仪进行快剪试验时，无论施加围压σ3还是轴向压力σ1，直至剪切破坏均关闭排水阀。整个试验过程自始至终试样不能固结排水，故试样的含水量保持不变。试样在受剪前，周围压力σ3会在土内引起初始孔隙水压力u1，施加轴向附加压力Δσ后，便会产生一个附加孔隙水压力u2。至剪破时，试样的孔隙水压力uf=u1+u2。

用直剪仪进行快剪试验时，试样上下两面可放不透水薄片。在施加垂直压力后，立即施加水平剪力，为使试样尽可能接近不排水条件，以较快的速度（如3～5min）将试样剪破。

2）固结不排水剪（又称固结快剪，以符号CU表示）

用三轴压缩仪进行固结快剪试验时，将排水阀门打开，允许试样充分排水，试样的含水量将发生变化。待固结稳定后（至u1=0）关闭阀门，然后再施加偏应力Δσ，产生附加孔隙水压力u2，使试样在不排水的条件下剪切破坏，此时试样的孔隙水压力uf=u2。剪切过程中，试样没有任何体积变形。

用直剪仪进行固结快剪试验时，在施加垂直压力后，应使试样充分排水固结，再以较快的速度将试样剪破。尽量使试样在剪切过程中不再排水。

3）固结排水剪（又称慢剪，以符号CD表示）

用三轴压缩仪进行慢剪试验时，整个试验过程中始终打开排水阀，不但要使试样在周围压力σ3作用下充分排水固结（至u1=0），而且在剪切过程中也要让试样充分排水固结（不产生u2），因而，剪切速率应尽可能缓慢，直至试样剪破。

用直剪仪进行慢剪试验时，同样是让剪切速率尽可能地缓慢，使试样在垂直压力下充分排水固结，并在剪切过程中充分排水。

三轴试验的突出优点是能够控制排水条件以及可以量测土样中孔隙水压力的变化。此外，三轴试验中试件的应力状态也比较明确，剪切破坏时的破裂面在试件的最弱处，像直剪试验那样限定在上下盒之间。一般来说，三轴试验的结果还是比较可靠的，因三轴压缩仪是土工试验不可缺少的仪器设备。三轴压缩试验的主要缺点是试件所受的力是轴对称的，也即试件所受的3个主应力中，有2个是相等的，但在工程实际中土体的受力情况并非属于这类轴对称的情况，而真三轴仪可在不同的3个主应力（σ1≠σ2≠σ3）作用下进行试验。

4）不同排水条件下抗剪强度指标比较

我们知道，随着饱和黏土固结度的增加，土颗粒之间的有效应力也随之增大。由于黏性土抗剪强度公式中的法向应力，应该采用有效应力σ′，因此，饱和黏性土的抗剪强度与土的固结程度密切相关。在确定饱和黏性土的抗剪强度时，要考虑土的实际固结程度。试验表明，土的固结程度与土中孔隙水的排水条件有关。在试验时必须考虑实际工程地基土中孔隙水排出的可能性。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不固结不排水剪（快剪）、固结不排水剪（或固结快剪）和固结排水剪（慢剪）。试验方法不同，得到的抗剪强度指标不同。

对于饱和黏土，不固结不排水剪试验所得出的抗剪强度包线基本上是一条水平线，如图5-14所示。

图5-14　饱和黏性土的不固结不排水试验强度包线

此时

式中：cu——土的不排水抗剪强度（kPa）；

φu——土的不排水内摩擦角（°）。

在固结不排水剪试验中，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 109-03 和最小主应力 109-04 分别为

式中：σ1f、σ3f——土样剪坏时的最大、最小主应力；

uf——土样剪坏时的孔隙水压力。

用有效应力 109-06 可绘制出有效莫尔应力圆和土的有效抗剪强度包线，如图5-15所示。其中，虚线为有效应力强度包线，实线为总应力强度包线。显然，有效莫尔应力圆与总莫尔应力圆的大小一样，只是当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uf的地方，而当uf<0时则在右侧。

图5-15　饱和黏性土的固结不排水试验强度包线

在固结排水试验的全过程中都让土样充分排水（将排水阀门开启），使土样中不产生孔隙水压力。图5-16是一组排水试验结果。

图5-16　饱和黏性土的固结排水试验强度包线

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。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，因此验算施工结束时的地基短期承载力时，建议采用不固结不排水剪，以保证工程安全。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。

【例5-1】　地基中某一单元土体上的大主应力为430kPa，小主应力为200kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=15kPa，φ=20°。试问：（1）该单元土体处于何种状态？（2）单元土体最大剪应力出现在哪个面上，是否会沿剪应力最大的面发生剪破？

【解】　（1）已知σ1=430kPa，σ3=200kPa，c=15kPa，φ=20°

计算结果表明：σ1f大于该单元土体实际大主应力σ1，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于弹性平衡状态。

计算结果表明：σ3f小于该单元土体实际小主应力σ3，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于弹性平衡状态。

（2）在剪切面上

由于τ<τf，所以，该单元土体处于弹性平衡状态。

【例5-2】　一饱和黏土试样在三轴压缩仪中进行固结不排水剪试验，施加的周围压力σ3=200kPa，试样破坏时的轴向偏应力（σ1-σ3）f=280kPa，测得孔隙水压力uf=180kPa，有效应力强度指标c′=80kPa，φ′=24°，试求破裂面上的法向应力和剪应力，以及该面与水平面的夹角。若该试样在同样周围压力下进行固结排水剪试验，问破坏时的大主应力值 110-04 是多少？

【解】　根据试验结果

计算破裂面上的法向应力σ和剪应力τ

排水剪的孔隙水压力恒为零，故试样破坏时， 111-02

再计算破裂面上的抗剪强度和剪应力

由破裂面上的剪应力等于抗剪强度

此值亦可用莫尔圆作图法求得，用 111-05 =200kPa和切于c′=80kPa、φ′=24°的强度包线的条件，绘一莫尔圆即可量得σ′1=719.1kPa。

从前面分析可看出，总应力强度指标的3种试验结果各不相同，一般来讲，φu<φcu<φd，所得的c值亦不相同。一种土的c′和φ′应该是常数，无论是用UU、CU或CD的试验结果，都可获得相同的c′和φ′值，它们不随试验方法而变。但实践上一般按CU试验，并同时测定u的方法来求c′和φ′。究其原因，是因为做UU试验时，无论总应力的σ1、σ3增加多少，σ1′、σ3′均保持不变。也就是说，无论做多少次不同围压的σ3试验，所得出的有效极限应力圆只有1个，因而确定不了有效应力强度包线，也就得不出c′和φ′值；而做CD试验时，因试样中不产生u，总应力即为有效应力，其总应力结果cd和φd实际上就是c′和φ′。但CD试验费时较长，故通常不用它来求土的c′和φ′。但应指出，CU试验在剪切过程中试样因不能排水而使体积保持不变，但CD试验在排水剪切过程中试样的体积要发生变化，二者得出的c′、φ′和cd、φd会有一些差别，一般cd、φd略大于c′、φ′，实用上可忽略不计。但应指出，总应力强度指标仅考虑3种特定的固结情况，由于地基土的性质和实际加载情况十分复杂，地基在建筑物施工阶段和使用期间却经历了不同的固结状态，要准确估计地基土的固结度相当困难。此外，即使是在同一时间，地基中不同部位土体的固结程度亦不尽相同，但总应力法对整个土层均采用某一特定固结度的强度指标，这与实际情况相去甚远。因此，在确定总应力强度指标时还应结合工程经验。在工程设计的计算分析中，应尽可能采用有效应力强度指标的分析方法。

如前所述，对比分析后，便可明确在实际工程中不同试验方法及相应的强度指标的选用条件。

（1）与有效应力法或总应力法相对应，应分别采用土的有效应力强度指标或总应力强度指标。当土中的孔隙水压力能通过试验、计算或其他方法加以确定时，宜采用有效应力法。用有效应力法及相应指标进行计算，概念明确，指标稳定，是一种比较合理的分析方法，只要能比较准确地确定孔隙水压力，则应该推荐采用有效应力强度指标。有效应力强度可用三轴排水剪或三轴固结不排水剪（测孔隙水压力）测定。

（2）三轴试验中的不固结不排水剪和固结不排水剪这两种试验方法的排水条件是很明确的。不固结不排水剪相应于所施加的外力全部为孔隙水压力所承担，土样完全保持初始的有效应力状况，此时的强度为土的天然强度；固结不排水剪的固结应力全部转化为有效应力而在施加偏应力时又产生了孔隙水压力。所以，仅当实际工程中的有效应力状况与上述两种情况相对应时，采用上述试验方法及相应指标才是合理的。因此，对于可能发生快速加荷的正常固结黏性土上的路堤进行短期稳定分析时可采用不固结不排水的强度指标；对于土层较厚、渗透性较小、施工速度较快工程的施工期或竣工时，分析也可采用不固结不排水剪的强度指标。反之，当土层较薄、渗透性较大、施工速度较慢工程的竣工时的分析，可采用固结不排水剪的强度指标。

（3）但工程情况不一定都是很明确的，如加荷速度的快慢、土层的厚薄、荷载大小以及加荷过程等都没有定量的界限值，因此，在具体使用中常根据工程经验判断，这是应用土力学基本原理解决工程实际问题的基本方法。此外，常用的三轴试验条件也是理想化了的室内条件，与实际工程有一定的距离，因此使用强度指标时需要结合实际经验。

（4）虽然直剪试验的设备简单，操作方便，使用比较普遍，但由于直剪试验不能控制排水条件、不能沿最弱面剪损等缺点，影响试验的可靠性，应注意其使用条件。《土工试验方法标准》（GBJ 123—1988）规定直剪试验的固结快剪和快剪试验只适用于渗透系数小于10-6cm/s的黏土；对于其他的土类，不宜用直剪试验。

5-1　什么叫土的抗剪强度？

5-2　库仑的抗剪强度定律是怎样表示的？砂土和黏性土的抗剪强度表达式有何不同？

5-3　为什么说土的抗剪强度不是一个定值？

5-4　简述莫尔库仑强度理论的要点。

5-5　土体的最大剪应力面是否即剪切破裂面？二者何时一致？测定土的抗剪强度指标主要有哪几种方法？试比较它们的优缺点。

5-6　何谓灵敏度和触变性？

5-7　影响砂土抗剪强度的因素有哪些？

5-8　试述正常固结黏土在UU、CU、CD三种实验中的应力应变、孔隙水应力应变（或体变应变）和强度特性。

5-9　试述正常固结黏土和超固结黏土的总应力强度包线与有效强度包线的关系。

5-10　在进行抗剪强度试验时，为什么要提出不固结不排水剪（或快剪）、固结不排水剪（或固结快剪）和固结排水剪（或慢剪）3种方法？对于同一种饱和黏土，当采用3种方法试验时，其强度指标相同吗？为什么？

5-11　十字板测得的抗剪强度相当于在实验室用什么方法测得的抗剪强度？同一土层现场十字板测得的抗剪强度一般随深度而增加，试说明其原因。

5-1　一个砂样进行直接剪切试验，竖向应力p=100kPa，破坏时τ=57.7kPa，试问这时的大小主应力σ1、σ3分别为多少？