土的抗剪强度--粘聚力和内摩擦角
内摩擦角与黏( 内) 聚力:
土的抗剪强度由滑动面上土的黏聚力〈阻挡剪切) 和土的内摩阻力两部分组成。
内摩擦角大小取决于土粒间的摩阻力和连锁作用, 内摩擦角反映了土的摩阻性质。
黏聚力是黏性土的特性指标, 黏聚力包括土粒间分子引力形成的原始黏聚力和土中化合物的胶结作用形成的固化黏聚力。因而内摩擦角与黏聚力是土抗剪强度的两个力学指标。
土的抗剪强度指土对剪切破坏的极限抵抗能力，土体的强度问题实质是土的抗剪能力问题。
土的抗剪强度指标——内摩擦角φ、黏( 内) 聚力C
φ——土的内摩擦角（°）
C——土的粘聚力（KPa）
φ、C与土的性质有关，还与实验方法、实验条件有关。因此，谈及强度指标时，应注明它的试验条件。（直剪实验、三轴剪切试验等）
土的抗剪强度
第一节概述
建筑物由于土的原因引起的事故中，一部分是沉降过大，或是差异沉降过大造成的；另一方面是由于土体的强度破坏而引起的。对于土工建筑物（如：路堤、土坝等）来说，主要是后一个原因。从事故的灾害性来说，强度问题比沉降问题要严重的多。而土体的破坏通常都是剪切破坏；研究土的强度特性，就是研究土的抗剪强度特性。
①土的抗剪强度（τf）：是指土体抵抗抗剪切破坏的极限能力，其数值等于剪切破坏时滑动的剪应力。
②剪切面（剪切带）：土体剪切破坏是沿某一面发生与剪切方向一致的相对位移，这个面通常称为剪切面。
其物理意义：可以认为是由颗粒间的内摩阻力以及由胶结物和束缚水膜的分子引力所造成的粘聚力所组成。
无粘性土一般无连结，抗剪强度主要是由颗粒间的摩擦力组成，这与粒度、密实度和含水情况有关。
粘性土颗粒间的连结比较复杂，连结强度起主要作用，粘性突的抗剪强度主要与连结有关。
决定土的抗剪强度因素很多，主要为：土体本身的性质，土的组成、状态和结构；而这些性质又与它形成环境和应力历史等因素有关；此外，还决定于它当前所受的应力状态。
土的抗剪强度主要依靠室内经验和原位测试确定，试验中，仪器的种类和试验方法以及模拟土剪切破坏时的应力和工作条件好坏，对确定强度值有很大的影响。
第二节抗剪强度的基本理论
一、库仑定律（剪切定律） 1773年法国学者
在法向应力变化范围不大时，抗剪强度与法向应力的关系近似为一条直线，这就是抗剪强度的库仑定律。
上述应力间的关系也可用应力圆（莫尔圆）表示。
从应力园的几何条件可知：
1、快剪（不排水剪）
这种试验方法要求在剪切过程中土的含水量不变，因此，无论加垂直压力或水平剪力，都必须迅速进行，不让孔隙水排出。
适用范围：加荷速率快，排水条件差，如斜坡的稳定性、厚度很大的饱和粘土地基等。2、固结快剪（固结不排水剪）
试样在垂直压力下排水固结稳定后，迅速施加水平剪力，以保持土样的含水量在剪切前后基本不变。
试用范围：一般建筑物地基的稳定性，施工期间具有一定的固结作用。
3、慢剪（排水剪）
土样的上、下两面均为透水石，以利排水，土样在垂直压力作用下，待充分排水固结达稳定后，再缓慢施加水平剪力，使剪力作用也充分排水固结，直至土样破坏。
适用范围：加荷速率慢，排水条件好，施工期长，如透水性较好的低塑性土以及再软弱饱和土层上的高填方分层控制填筑等等。
二、按试验仪器分
1、直接剪切试验
优点：仪器构造简单，操作方便
缺点：（1）剪切面不一定是试样抗剪能力最弱的面；
（2）剪切面上的应力分布不均匀，而且受剪切面面积愈来愈小；
（3）不能严格控制排水条件，测不出剪切过程中孔隙水压力的变化。
2、三轴剪切试验
优点：（1）试验中能严格控制试样排水条件及测定孔隙水压力的变化；
（2）剪切面不固定；
（3）应力状态比较明确
（4）除抗剪强度外，尚能测定其它指标。
缺点：（1）操作复杂；
（2）所需试样较多；
三、按控制方法分:
剪切试验控制方法分为应变控制式和应力控制式两种。
四、直接剪切试验
1、取样要求：用环刀取，环刀面积不小于30cm2，环刀高度不小于2cm，同一土样至少切取4个试样。
2、试验方法
（1）快剪（q）：试样在垂直压力施加后立即进行快速剪切，试验全过程都不许有排水现象产生。
（2）固结快剪（Cq）：试样在垂直压力下经过一定程度的排水固结后，再进行快速剪切。
（3）慢剪（S）：试样在垂直压力排水固结后慢慢的进行剪切，剪切过程中孔隙水可自由排出。
试验结果：一般情况下，快剪所得的值最小，慢剪所得的值最大，固结快剪居中。
3、指标计算
4、残余抗剪强度
（1）物理意义：土的剪应力～剪应变关系可分为两种类型：一种是曲线平缓上升，没有中间峰值，如松砂；另一种剪应力～剪应变曲线有明显的中间峰值，在超越峰值后，剪应变不断增大，但抗剪强度确下降，如密砂。在粘性土中，坚硬的、超压密的粘土的剪应力～剪应变曲线常呈现较大峰值，正常压密土或软粘土则不出现峰值，或有很小的峰值。（图见教材）
超过峰值后，当剪应变相当大时，抗剪强度不再变，此时稳定的最小抗剪强度，称为土的残余抗剪强度；而峰值剪应变则称为峰值强度。
残余抗剪强度以下式表达。
在进行滑坡的稳定性计算或抗滑计算时，土的抗剪强度的取值，一般需要考虑土的残余抗剪强度。
（2）试验方法
一般采用排水反复直接剪切试验，剪切速率应低于0.02mm/min，取土要求同上。
五、三轴剪切试验
1、原理
三轴剪切试验的原理是在圆柱形试样上施加最大主应力（轴向压力）和最小主应力（周围压力）。保护其中之一（一般是）不变，改变另一个主应力，使试样中的剪应力逐渐增大，直至达到极限平衡而剪坏，由此求出土的抗剪强度。
2、试验方法
（1）快剪（不固结不排水剪）UU
试样在完全不排水条件下施加周围压力后，快速增大轴向压力到试样破坏。
控制方法：应变控制式。
（2）固结快剪（固结不排水剪）CU
试样先在周围压力下进行固结，然后在不排水条件下快速增大轴向压力到试样破坏。
控制方法：应变控制式。
（3）慢剪（固结排水剪）CD
试样先在周围压力下进行固结，然后继续在排水条件下缓慢增大轴向压力到试样破坏。
控制方法：应力控制式。
3、试样控制
（1）取土要求：试样制备的数量一般不少于4件。
（2）试样尺寸：
4、指标计算
将同一土样在不同应力条件下所测得的不少于4次的三轴剪切试样结果，分别绘制应力圆，从这些应力园的包线即可求出抗剪强度指标。
土的抗剪强度--粘聚力和内摩擦角 内摩擦角与黏(内)聚力: 土的抗剪强度由滑动面上土的黏聚力〈阻挡剪切)和土的内摩阻力两部分组成。 内摩擦角大小取决于土粒间的摩阻力和连锁作用,内摩擦角反映了土的摩阻性质。 黏聚力是黏性土的特性指标,黏聚力包括土粒间分子引力形成的原始黏聚力和土中化合物的胶结作用形成的固化黏聚力。因而内摩擦角与黏聚力是土抗剪强度的两个力学指标。 土的抗剪强度指土对剪切破坏的极限抵抗能力，土体的强度问题实质是土的抗剪能力问题。土的抗剪强度指标——内摩擦角φ、黏(内)聚力C φ——土的内摩擦角（°） C——土的粘聚力（KPa） φ、C与土的性质有关，还与实验方法、实验条件有关。因此，谈及强度指标时，应注明它的试验条件。（直剪实验、三轴剪切试验等） 土的抗剪强度 第一节概述 建筑物由于土的原因引起的事故中，一部分是沉降过大，或是差异沉降过大造成的；另一方面是由于土体的强度破坏而引起的。对于土工建筑物（如：路堤、土坝等）来说，主要是后一个原因。从事故的灾害性来说，强度问题比沉降问题要严重的多。而土体的破坏通常都是剪切破坏；研究土的强度特性，就是研究土的抗剪强度特性。 ）：是指土体抵抗抗剪切破坏的极限能力，其数值等于剪切破坏 ①土的抗剪强度（τ f 时滑动的剪应力。 ②剪切面（剪切带）：土体剪切破坏是沿某一面发生与剪切方向一致的相对位移，这个面通常称为剪切面。 其物理意义：可以认为是由颗粒间的内摩阻力以及由胶结物和束缚水膜的分子引力所造成的粘聚力所组成。 无粘性土一般无连结，抗剪强度主要是由颗粒间的摩擦力组成，这与粒度、密实度和含水情况有关。 粘性土颗粒间的连结比较复杂，连结强度起主要作用，粘性土的抗剪强度主要与连结有关。 决定土的抗剪强度因素很多，主要为：土体本身的性质，土的组成、状态和结构；而这些性质又与它形成环境和应力历史等因素有关；此外，还决定于它当前所受的应力状态。 土的抗剪强度主要依靠室内经验和原位测试确定，试验中，仪器的种类和试验方法以及模拟土剪切破坏时的应力和工作条件好坏，对确定强度值有很大的影响。 第二节抗剪强度的基本理论 一、库仑定律（剪切定律）1773年法国学者 在法向应力变化范围不大时，抗剪强度与法向应力的关系近似为一条直线，这就是抗剪强度的库仑定律。
西北地区残积淤泥类土的工程地质特性 余侃柱 提要残积淤泥类土分布于我国西北地区，它具有成层性差，结构、构造不均一，厚度变化大，抗剪强度低，中压缩性，非湿陷性，高灵敏性，承载力低，在饱水状态下，还具有触变、流变性等特点。该文以临厦—临洮、定西—榆中盆地等为代表该类土的资料为基础，深入研究该类土的工程特性。 关键词残积淤泥类土工程特性评价处理措施 ENGINEERING GEOLOGICAL PROPERTIES OF THE RESIDUE MUCKY SOIL IN NORTHWEST REGIONS Yu Kanzhu (Institute of Water Conservancy and hydropower Investigation and Design, Gansu Province) Abstract The residue mucky soils are distributed in the northwest region of China. They possess the characteristics of bad stratification, nonuniformity of strcture and texture, large variance in thickness, low shear strength, medium compressibility, non-collapsibility, high sensitivity and low bearing capacity. Under saturated condition, they also possess characteristics of thixotropy and rheology. The paper takes the data from Linxia-Lintao and Dingxi-Yuzhong basins as representatives of these soils. On this basis, it deeply studies the engineering properties of these soils. Keywords residual mucky soil; assessment of engineering characteristics; treatment measures 1 前言 我国西北地区一些地槽、盆地中普遍分布着残积淤泥类土，它有别于我国沿海一带分布的典型淤泥质土，它是一种区域性特殊类型土。该类土天然含水量高，孔隙比大，透水性低，中压缩性，高灵敏性，强度低，固结缓慢，还具有一定触变、流变特性。近年来，随着水利、交通、工业民用建筑和其它行业进一步开发建设，该类土往往构成各类工程建筑物的地基和边坡，因其特性危害到地基和边坡的稳定性，因而决定着合理的工程设计和地基处理措施。本文以甘肃省临夏—临洮、定西—榆中、内官—香泉等盆地的该类土为代表，深入研究该类土的工程特性，对工程建设有着重要的意义。 2 残积淤泥类土的分布规律与成因 近年来，在临夏—临洮、定西—榆中、内官—香泉等盆地的水利工程如南阳渠灌溉工程、引洮灌溉工程等的勘测设计中发现该类土，并且在甘肃省东部、南部和我国西北地区其它地方也有此类土的分布。该类土分布一般与周围环境有直接关系，与古地貌形态、水文气象条件、水文地质条件、地层岩性等密切相关。主要表现在以下几方面：
内摩擦角和凝聚力的分析 内摩擦角和凝聚力的分析 一概念： 两者都是土的抗剪强度指标：1、土的内磨擦角反映了土的磨擦特性,一般认为包含两个部分:一是土颗粒之间产生相互滑动时需要克服由于颗粒表面粗糙不平而引起的滑动摩擦；二是由于颗粒间的嵌入和联锁及脱离咬合状态而移动所产生的咬合摩擦。2、粘结力则由三部分构成:原始粘聚力（天然胶结物质：如硅、铁物质和碳酸盐等）,固化粘聚力,毛细粘聚力，其中还包括土颗粒间的电分子的吸引力。 二、影响因素影响因素影响因素影响因素： 影响内摩擦角的主要因素是：密度、颗粒极配、颗粒形状、矿物成分、含水量、孔隙比等有关。影响粘聚力的主要因素是：颗粒间距离、土粒比表面积、粒径、胶结程度。 三、理论公式： 内摩擦角是土力学上很重要的一个概念。内摩擦角最早出现在库仑公式中，也就是土体强度决定于摩擦强度和粘聚力，摩擦强度又分为滑动摩擦和咬合摩擦，两者共同概化为摩擦角。经典的表达式就是库伦定律cf+?=?στtan其中，对于粘性土0≠c，对于砂土0=c，?、c可以通过三轴试验得出，（或直剪）。在不同围压下，得到破坏时的最大主应力和最小主应力，做出应力圆，至少在三种不同的围压下， 这样可以做出三个应力圆，作三个圆的公切线，斜率即为内摩擦角。内摩擦角在力学上可以理解为块体在斜面上的临界自稳角，在这个角
度内，块体是稳定的；大于这个角度，块体就会产生滑动。但这个临界自稳角只是内摩擦角的一个表象。在平整的摩擦面上，内摩擦角就是摩擦力矢量与摩擦面所夹的锐角。在工程实践中，测定砂性土（0=c 或很小时）的内摩擦角时，通常采用其天然坡角来近似代替内摩擦角。砂土的内摩擦角是指无粘性土(砂土)试样分别在几个不同垂直压力作用下，得出相应的抗剪强度，以抗剪强度为纵坐标，垂直压力为横坐标，绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线，曲线的倾角为内摩擦角。砂土的天然坡角是指无凝聚土在堆积时，其天然坡面与水平面所形成的最大倾角。 四、非饱和土的抗剪强度指标?、c值随含水量值随含水量值ω的关系1、非饱和土的抗剪强度指标?、c值随含水量ω变化的一般规律，随着非饱和土的含水量ω的增大，凝聚力c和内摩擦角都有减少的趋势，但是这种关系不是简单线性关系。2、根据理论分析，当斜坡土体的含水量增加时，水的作用如同一种润滑剂，水分子在土颗粒表面形成润滑剂，使内摩擦角?减小，同时使土颗粒周围的薄膜水变厚，甚至增加自由水，则土颗粒之间的静电力引力减弱，导致凝聚力降低。 五、现场对土体内摩擦角的确定 采取式样离地面大概二十厘米，然后将其自然抛下(只在土体的重力的作用下下落)，然后观察土体的形状，其形成的自然的坡脚为内摩擦角。注意：需要多次做实验然后取其平均值。一般情况下该值大于20度。
水下的内聚力和内摩擦角怎么确定？ 答：地质报告中提供的固结快剪的C 、φ值。固结快剪，就是土体充分固结后进行快剪试验。如果是基坑和边坡，严格要求是做三轴剪切试验。但很多地方都不做，为了省钱省时间。固结快剪的指标是肯定不能用于水下的，如果是粉土或砂土，折减值较大；如果是粉质粘土，折减系数小点；如果是粘土，折减系数最小。具体折减多少，应该问比较熟悉当地土质的工程师。 楼说的对，在2012年新修订的群筑基坑支护技术规程上对抗剪强度的指标选取都有说明，不过话又说回来，对于不同土质、不同成因、不同工况的基坑工程的参数选择最好由有经验的注册岩土工程师把一下关，我所见过的基坑方案设计有不少都存在这些问题。以下谈几点： 1、直剪C 、φ值较适合自然放坡条件或基坑周边环境宽松情况下，一般性支护结构上的土压力计算；三轴剪（UU）C 、φ值适合安全等级一级或基坑采用防渗帷幕时土压力计算，饱和的软粘土或含水量大的欠固结土均选UU值合适； 2、地下水位以下的正常固结土或超固结土，选用固结快剪的C 、φ值或三轴CU试验值更合适些； 3、地下水位以下的砂土可参见规范。 有试验值的话按试验值折减，一般是取0.8左右，因为对于摩
擦系数试验多的话是有规律的，但C值数据越多离散性越大，试验数据要折的更多一些。按当前的情况是大多行业都有相关的经验值，这是多年总结的结果，可靠性更高。 在没实验数据的情况下,根据经验,水下内聚力=内聚力-5左右 水下内摩擦角=内摩擦角-3左右。 我觉得水下取值如果依据室内试验的话最好取饱和土的抗剪强度 一般来说，粘土受到的影响较小，粉质粘土次之，粉土、砂土影响最大。 一般勘察报告取0.8-0.9的折减系数，理论上摩擦角受水的影响很小 个人觉得水上水下一样即可，本来土工的参数就是糊涂账，何必去叫真？
目前在设计中常用的方法是用综合内摩擦角υ0代替抗剪强度中的内摩擦角υ和粘聚力c。常用的内摩擦角换算方法有： ①把粘性土的内摩擦角υ值增大5°-10°，作为综合内摩擦角υ0，因此，当墙高H≦6m时，一般取综合内摩擦角值为35°-40°，当墙高H>6m时，取综合内摩擦角值为30°-35°。也可按经验规定粘聚力每增加0.1MPa，相当于增加内摩擦角3°-7° ②根据土的抗剪强度相等的原理，计算综合内摩擦角υ0 其换算公式为： υ。=tan-1(tanυ+c/rH) 式中，r为填料的容重(kN/m3)；υ为试验测定的土的内摩擦角；c为试验测定的土的粘聚力(kPa)；H为挡土墙的高度（m）。 ③根据土压力相等的原理计算综合内摩擦角υ0值。为计算方便，可按破裂楔体顶面水平、墙背竖直、墙背与土之间的摩擦角为0的简单边界条件确定 换算为砂性土的土压力为： Ed=1/2 rH2tan2(45°-υ0/2) 粘性土的土压力为： 令粘性土的土压力与换算后的砂性土土压力相等，即可求出υ0值 Ea=1/2 rH2tan2(45°-υ/2)-2cH tan2(45°-υ/2)+2c2/r 综合内摩擦角是个偷懒的做法，在特定情况下是可以的，但不应是6楼的表达方式，6楼的表达方式是基于抗剪强度，对于挡土墙这个式子就不恰当了，应该以土压力系数的形式来表达--土压力系数相等反算综合内摩擦角 由于土压力系数与深度有关，因此对于挡土墙来说，综合内摩擦角是个随墙高的变量。 内摩擦角(angle of internal friction) 煤堆在垂直重力作用下发生剪切破坏时错动面的倾角 作为岩(土)体的两个重要参数之一的内摩擦角，是土的抗剪强度
目前在设计中常用的方法是用综合内摩擦角φ0代替抗剪强度中的内摩擦角φ和粘聚力c。常用的内摩擦角换算方法有： ①把粘性土的内摩擦角φ值增大5°-10°，作为综合内摩擦角φ0，因此，当墙高H≦6m时，一般取综合内摩擦角值为35°-40°，当墙高H>6m时，取综合内摩擦角值为30°-35°。也可按经验规定粘聚力每增加，相当于增加内摩擦角3°-7° ②根据土的抗剪强度相等的原理，计算综合内摩擦角φ0 其换算公式为： φ。=tan-1(tanφ+c/rH) 式中，r为填料的容重(kN/m3)；φ为试验测定的土的内摩擦角；c为试验测定的土的粘聚力(kPa)；H为挡土墙的高度（m）。 ③根据土压力相等的原理计算综合内摩擦角φ0值。为计算方便，可按破裂楔体顶面水平、墙背竖直、墙背与土之间的摩擦角为0的简单边界条件确定 换算为砂性土的土压力为： Ed=1/2 rH2tan2(45°-φ0/2) 粘性土的土压力为： 令粘性土的土压力与换算后的砂性土土压力相等，即可求出φ0值 Ea=1/2 rH2tan2(45°-φ/2)-2cH tan2(45°-φ /2)+2c2/r
综合内摩擦角是个偷懒的做法，在特定情况下是可以的，但不应是6楼的表达方式，6楼的表达方式是基于抗剪强度，对于挡土墙这个式子就不恰当了，应该以土压力系数的形式来表达--土压力系数相等反算综合内摩擦角 由于土压力系数与深度有关，因此对于挡土墙来说，综合内摩擦角是个随墙高的变量。 内摩擦角(angle of internal friction) 煤堆在垂直重力作用下发生剪切破坏时错动面的倾角 作为岩(土)体的两个重要参数之一的内摩擦角，是土的抗剪强度 指标，是工程设计的重要参数。土的内磨擦角反映了土的磨擦特 性，一般认为包含两个部分：土颗料的表面磨擦力，颗粒间的嵌 入和联锁作用产生的咬合力。] 内摩擦角是土力学上很重要的一个概念。内摩擦角最早出现在库 仑公式中，也就是土体强度决定于摩擦强度和粘聚力，摩擦强度 又分为滑动摩擦和咬合摩擦，两者共同概化为摩擦角。 经典的表达式就是库伦定律τ=σtanθ+c 其中，对于黏性土，c不为0 对于砂土，c为0
用标准贯入试验锤击数确定承载力 1．粘性土承载力f(Kpa) 2.砂土承载力f(Kpa) 3．粘性土N与φ、C的关系 4.N手与E s、φ、C的关系 标准贯入锤击数N手是用手拉绳方法测得的，其值比机械化自动落锤方法所得锤击数N机略高，换算关系如下： N手=0.74+1.12N机 适用范围：2 按比贯入阻力 s(Mpa)确定E0和E s（Mpa） E s=3.72 +1.260.3≤ s<5 E0=9.79 s-2.630.3≤ s<3 E0=11.77 s-4.69 3≤ s<6 选自《工业与民用建筑工程地质勘察规范》（TJ21-77） 粘性土、粉土静力触探承载力经验式 f0—kPa、P s—MPa 粘性土：f0=104P s+26.90.3≤ s<6 粉土：f0=36P s+76.6 各种土的渗透系数参考值 表—3 式—1中的桩侧极限阻力标准值应依据各土层的埋藏深度、排列次序、土的类型及各层土的s p 平均值，按下表中的关系式计算 注：1. Ⅰ类土为位于粉土或砂土以上（或无粉土、砂土层）的粘性土 Ⅱ类土为位于粉土或砂土层下的粘性土； Ⅲ类土为粉土或砂土层 2．地表下6m 范围内的土层极限侧阻力，一律取15KPa 3．当桩穿过粉土或砂土层而进入下卧软土层时，则其ski q 应按Ⅲ类土取值后，再根据该层土的平均 s p 和下卧软土的平均sL p 二者的比值大小按下表所给系数s ζ予以折减 一般土的最优含水率和最大干密度 根据静探的比贯入阻力P s 值确定单桩的竖向极限承载力 Q u = ski sb b L q U A p ?+∑α （式—1） sb p —桩端附近的静探比贯入阻力标准值（平均值）Kpa b α—桩端阻力修正系数；可查下表—2 ski q —用静探估算的桩周第i 层土的极限阴力标准值Kpa ；可按表—3 计算 sb p 的计算 当21sb sb p p ≤时： sb p =)(21sb sb p p β+/2 （式—2） 当21 sb sb p p 时， sb p =2sb p 式中：1sb p —桩端平面（不包括桩靴）以上8倍桩径范围内的比贯入阻力平均值； 2 sb p —桩底平面以下4倍桩径范围内的比贯入阻力平均值； 若持力层为密实砂土，其s p 平均值超过20Mpa 时，则应乘以下表—1中折减系数后再计算1sb p 、2sb p 表—2 式—1中的修正系数b α 1sb p 2sb p
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