下载文档原格式
土的抗剪强度的概念概述说明以及解释1. 引言1.1 概述土的抗剪强度是土体工程中非常重要的一个概念。
它指的是在土体内部存在切变作用时，土体能够抵抗该切变作用并保持形状稳定的能力。
抗剪强度是评估土的力学性质、承载能力和稳定性的重要指标之一。
1.2 定义土的抗剪强度可以分为两个方面来理解：首先，从宏观角度来看，抗剪强度是指应变固结下产生切线应力所需达到最大值。
在一定条件下，当施加沿某一平面方向的剪切应变时，通过实验可以测得该平面上允许达到的最大应力值。
其次，从微观角度来看，抗剪强度是由于岩石或土壤颗粒之间产生摩擦造成接触邻近颗粒受到相互作用而形成的。
1.3 目的本文旨在全面介绍关于土的抗剪强度概念，并说明其重要性和应用。
通过详细解释土壤抗剪强度的定义和影响因素，以及传统试验方法和先进试验方法的介绍，读者可以深入了解土壤抗剪强度与土体工程应用之间的关系。
在展示几个土体加固和处理技术的工程实践案例后，我们还将讨论抗剪强度在土体设计中的重要作用。
通过这篇文章，读者将能够更好地理解土的抗剪强度的概念及其在土体工程中的意义，并对未来研究方向提出展望。
2. 土的抗剪强度概念2.1 概述土的抗剪强度是指土体在受到剪切力作用时能够抵抗变形破坏的能力。
它是土体力学中一个重要的参数，对于工程设计、施工和地质灾害预测等具有重要意义。
2.2 抗剪强度的定义土的抗剪强度可以分为有效应力状态下的抗剪强度和总应力状态下的抗剪强度。
在有效应力状态下，土体颗粒之间由于摩擦及内聚力的作用而形成一种阻止相对滑动或破坏的抵抗力。
该抵抗力即为土体的有效应力抗剪强度。
有效应力状态下，如果施加额外水平力，就会导致不可逆性变形，并可能引发失稳。
在总应力状态下，考虑了地下水对土体孔隙水压造成的影响。
总应力状态下的土壤承受着来自地表荷载及孔隙水压带来的综合作用，在这种情况下衡量土壤较为复杂。
当存在地下水流动时，因渗流带来部分应力的释放，土壤受到的总应力也会相应减小。
第4章土的抗剪强度§4.1概述土的抗剪强度是指土体对外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。
在外荷载作用下，土体中将产生剪应力和剪切变形，当土体某点由外力产生的剪应力达到土的抗剪强度时，土就沿着剪应力作用方向产生相对滑移，该点便发生剪切破坏。
工程实践和室内试验都证明了土是由于受剪而产生破坏，剪切破坏是土体强度破坏的重要特点，因此，土的强度问题实质就是土的抗剪强度问题。
在工程实践中与土的抗剪强度有关的工程问题，主要有以下三类（图4-1）：第一，是土作为材料构成的土工构筑物的稳定问题，如土坝、路堤等填方边坡以及天然土坡等稳定问题（图4-1a）；第二，是土作为工程构筑物的环境的问题，即土压力问题，如挡土墙、地下结构等的周围土体，它的强度破坏将造成对墙体过大的侧向土压力，以至可能导致这些工程构筑物发生滑动、倾覆等破坏事故（图4-1b）；第三，是土作为建筑物地基的承载力问题，如果基础下的地基土体产生整体滑动或因局部剪切破坏而导致过大的地基变形，都会造成上部结构的破坏或影响其正常使用的事故（图4-1c）。
图4-1 工程中土的强度问题（a）土坡滑动；（b）挡土墙倾覆；（c）地基失稳§4.2土的强度理论与强度指标4.2.1 抗剪强度的库仑定律土体发生剪切破坏时，将沿着其内部某一曲线面（滑动面）产生相对滑动，而该滑动面上的剪应力就等于土的抗剪强度。
1776年，法国学者库仑（C.A.Coulomb）根据砂土的试验结果（图4-2a），将土的抗剪强度表达为滑动面上法向应力的函数，即（4-1）τtanσϕ=⋅f以后库仑又根据粘土的试验结果（图4-2b），提出更为普遍的抗剪强度表达形式：（4-2）τtanσϕ⋅=c+f式中τ—土的抗剪强度，kPa；fσ—剪切滑动面上的法向应力，kPa；c—土的粘聚力，kPa；ϕ—土的内摩擦角，（ ）。
式（4-1）和式（4-2）就是土的强度规律的数学表达式，它是库仑在十八世纪七十年代提出的，所以也称为库仑定律，它表明对一般应力水平，土的抗剪强度与滑动面上的法向应力之间呈直线关系，其中c、ϕ称为土的抗剪强度指标。
土的抗剪强度试验计算公式
土的抗剪强度是指土体在受到剪切作用下的抵抗能力。
在土力学研究中，经常需要进行土的抗剪强度试验。
这里给出土的抗剪强度试验计算公式。
土的抗剪强度试验可采用直剪试验或三轴试验。
直剪试验是将土样放置于两个相对移动的平面上，通过施加正向压力和剪切力来测试土的抗剪强度。
直剪试验的计算公式如下：
τ = F / A
其中，τ为土的抗剪强度；F为施加的剪切力；A为土样的剪切
面积。
三轴试验是将土样置于圆柱形容器中，在上下两端施加正向压力，通过施加侧向力来测试土的抗剪强度。
三轴试验的计算公式如下：
τ = 2F / (πDh)
其中，τ为土的抗剪强度；F为施加的侧向力；D为圆柱容器的
直径；h为土样高度。
以上是土的抗剪强度试验计算公式，通过试验和计算可以得到土的抗剪强度值，为土力学研究提供了基础数据。
- 1 -。
土的抗剪强度指标土的抗剪强度是土体在受到剪切力作用下能够抵抗破坏的能力。
它是土体的重要力学性质之一，用以描述土体抵抗剪切破坏的能力大小。
土体的抗剪强度受到多种因素的影响，包括土体类型、土结构、颗粒大小、含水量、固结状态等。
土体的抗剪强度可以通过剪切试验来测定。
在剪切试验中，应用剪切力作用于土样上，并测量剪切应力与剪切变形之间的关系，以确定土体的抗剪强度参数。
常用的土体抗剪强度指标有以下几种：1.摩擦角（φ）：摩擦角是描述土体内部颗粒之间的摩擦力大小的指标。
它表示土体在受到剪切力作用下，颗粒之间能够抵抗剪切破坏的能力大小。
摩擦角是土体抗剪强度的主要指标，常用于描述非饱和土、粘性土和黏性土的抗剪强度。
2.内聚力（c）：内聚力是描述含有粘性物质的土体抵抗剪切破坏的能力大小的指标。
内聚力是由于土体中吸附水分、胶结物质的存在而产生的内聚作用，与土体的粘聚力和表面张力有关。
内聚力通常用于描述粘性土和黏性土的抗剪强度。
3.剪切强度参数（c'和φ'）：当土体处于饱和状态时，土体的抗剪强度可用剪切强度参数c'和φ'来表示。
剪切强度参数c'表示土体的内聚力，即无论剪切面上的剪切应力多小，土体都能够保持稳定。
剪切强度参数φ'表示土体的摩擦角，即土体在剪切面上具有一定的摩擦阻力。
4.渗透剪切强度（c'p和φ'p）：当土体处于非饱和状态时，土体的抗剪强度表现出与饱和土不同的特性。
非饱和土的渗透剪切强度参数c'p和φ'p与剪切强度参数c'和φ'不同，它们分别表示非饱和土的渗透剪切内聚力和渗透剪切摩擦角。
在实际工程中，土体的抗剪强度是一个重要的参数，用于评估土体的稳定性和承载力。
在土方工程、地基工程、岩土工程等领域中，土体的抗剪强度参数通常被用于计算土体的承载能力、确定土体的稳定坡度和坝体形状等。
总结起来，土体的抗剪强度指标主要包括摩擦角、内聚力、剪切强度参数以及渗透剪切强度参数。
第5章土的抗剪强度5.1概述土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。
当土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时,土体就会发生一部分相对于另一部分的移动，该点便发生了剪切破坏。
工程实践和室内试验都验证了建筑物地基和土工建筑物的破坏绝大多数属于剪切破。
例如堤坝、路堤边坡的坍滑(图5.1a)，挡土墙墙后填土失稳(图5.1b)建筑物地基的失稳(图 5.1c)，都是由于沿某一些面上的剪应力超过土的抗剪强度所造成。
因此土的抗剪强度是决定地基或土工建筑物稳定性的关键因素。
所以研究土的抗剪强度的规律对于工程设计、施工和管理都具有非常重要的理论和实际意义。
由于土的抗剪强度是岩土的重要力学性质之一，本章主要讲述叙述土抗剪强度的基本概念、土地抗剪强度的基本理论、土的抗剪强度的试验方法及土的抗剪强度指标的应用。
5.2土的抗剪强度的基本理论5.2.1直剪试验土的抗剪强度可以通过室内试验与现场试验测定。
直剪试验是其中最基本的室内试验方法。
直剪试验使用的仪器称直剪仪。
按加荷方式分为应变式和应力式两类。
前者是以等速推动剪切盒使土样受剪，后者则是分级施加水平剪力于剪力盒使土样受剪。
目前我国普遍应用的是应变式直剪仪如图5.2所示。
试验开始前将金属上盒和下盒的内圆腔对正，把试样置于上下盒之间。
通过传压板和滚珠对土样先施加垂直法向应力σ=p/F(F-土样的截面积)，然后再施加水平剪力T，使土样沿上下盒水平接触面发生剪切位移直至破坏。
在剪切过程中，隔固定时间间隔，测读相应的剪变形，求出施加于试样截面的剪应力值。
于是即可绘制在一定法应力条件下，土样剪变形λ与剪应力τ的对应关系(图5.3a)。
τf。
同一种土的几个不同土样分别施加不同的垂直法向应力σ做直剪试验都可得到相应的剪应力-剪切位移曲线(图5.3a)，根据这些曲线求出相应于不同的法向应力σ试样剪坏时剪切面上的剪应力τf。
在直角坐标σ-τ关系图中可以作出破坏剪应力的连线(图5.3b)。
在一般情况下，这个连线是线性的，称为库伦强度线。
见式(5.1a)、式(5.2b)。
砂性土 ϕστtg f = (5.1a)粘性土ϕστtg c f += (5.1b)式中：c ——土的粘聚力(kPa)，图5.3b 中的τ-σ直线在纵轴上的截距；ϕ——土的内摩擦角，即τ-σ直线与横轴上的夹角；tg ϕ——直线的斜率。
公式(5.1)就是土体的强度规律的数学表达式。
在18世纪七十年代由库仑(Coulomb,C.A)砂土的摩擦试验后得出的，所以也称库仑定律。
它表明在一定的荷载范围内土的抗剪强度与法向应力之间呈直线关系，其中c 、ϕ被称为土的强度指标。
5.2.3 土的极限平衡条件1)土中一点的应力状态在自重与外荷作用下土体(如地基)中任意一点的应力状态，对于平面应力问题，只要知道应力分量即σx 、σz 和τxz ，即可确定一点的应力状态。
对于土中任意一点，所受的应力又随所取平面的方向不同而发生变化。
但可以证明，在所有的平面中必有一组平面的剪应力为零,力问题，土中一点的应力可用主应力σ1和σ3力。
由材料力学可知当土中任一点的应力σx 、σ)2(2231xy x z x z στσσσσσ++±+= 主应力平面与任意平面间的夹角由下式得出：)(211x z xy tg σστα-=- α角的转动方向与摩尔应力圆图上的一致。
2)土的极限平衡状态 根据库仑定律和试验作出的库仑强度线，可以看出，如果已知土中某点任意平面上作用着法向应力σ以及剪应力τ，则由τ与抗剪强度τf 对比可知：当τ＜τf (在破坏线以下)τ=τf (破坏线以上) τ＞τf (在破坏线上方)的摩尔应力圆，圆)割时，表明该点土体已经破坏(图应力圆与强度线相切时即为土体濒于剪切破坏的极限应力状态，称为极限平衡状态，与强度线相切的应力圆称为极限应力圆(图5.5中之b 圆)，切点A 的坐标是表示通过土中一点的某一切面处于极限平衡状态时的应力条件。
这就是说通过库仑定律与摩尔应力圆原理的结合可以推导出表示土体极限平衡状态时主应力之间的相互关系式或应力条件。
3)土的极限平衡条件在图5.6中，根据极限应力圆O 1与强度线τf =c +σtg ϕ相切于A 点的几何关系，由直角三角形ABO 1中得到，通过三角函数间的变换关系最后可以得到土中某点处于极限平衡状态时主应力之间的关系式(式5.5a 、式5.5b)：)245(2)245(00231 +c tg ++ tg =σσϕϕ (5.5a) )245(2)245(00213 c tg + tg =σσϕϕ-- (5.5b) 公式(5.3)至(5.5)可以用来判断土体中一点的应力状态。
5.3抗剪强度试验方法抗剪强度试验的方法有室内试验和野外试验等，室内最常用的是直剪试验、三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验等。
野外试验有原位十字板剪切试验等。
5.3.1直接剪切试验直剪试验基本原理与方法已知前述，在直接剪切试验中，不能两侧孔隙水压力，也不能控制排水，所以只能一总应力法来表示土的抗剪强度。
但是为了考虑固结程度和排水条件对抗剪强度的影响，根据加荷速率的快慢将直剪试验划分为块剪、固结快剪和慢剪三种试验类型。
1).快剪。
竖向压力施加后立即施加水平剪力进行剪切，使土样在3-5分钟内剪坏。
由于剪切速度快，可认为土样在这样短暂时间内没有排水固结或者说模拟了“不排水”剪切情况。
得到的强度指标用c q 、ϕq 表示；2).固结快剪。
竖向压力施加后，给以充分时间使土样排水固结。
固结终了后施加水平剪力，快速地(约在3～5min 内)把土样剪坏，即剪切时模拟不排水条件。
得到的指标用c cq 、ϕcq 表示；3).慢剪。
竖向压力施加后，让土样充分排水固结，固结后以慢速施加水平剪力，使土样在受剪过程中一直有充分时间排水固结，直到土被剪破，得到的指标用c s 、ϕs 表示。
由上述三种试验方法可知，即使在同一垂直压力作用下，由于试验时的排水条件不同，作用在受剪面积上的有效应力也不同，所以测得的抗剪强度指标也不同。
在一般情况下，ϕs ＞ϕcq ＞ϕq 。
上述三种试验方法对粘性土是有意义的，但效果要视土的渗透性大小而定。
对于非粘性土，由于土的渗透性很大，即使快剪也会产生排水固结，所以常只采用一种剪切速率进行“排水剪试验。
直剪试验的优点是仪器构造简单，操作方便，它的主要缺点是：①不能控制排水条件；②剪切面是人为固定的，该面不一定是土样的最薄弱的面；③剪切面上的应力分布不均匀的。
因此，为了克服直剪试验存在的问题，后来又发展了三轴压缩试验方法，三轴压缩仪是目前测定土抗剪强度较为完善的仪器。
5.3.2三轴压缩试验1)试验仪器和试验方法三轴压缩试验使用的仪器为三轴剪力仪(也称三轴压缩仪)，其核心部分是三轴压力室，它的构造见图5.8。
此外，还配备有：（a ）轴压系统, 即三轴剪切仪的主机台，用以对式样施加轴向附加压力，并可控制轴向应变的速率:（b ）侧压系统, 通过液体(通常是水)对土样施加周围压力；（c ）孔隙水压力测读系统，用以测量土样孔隙水压力及其在试验过程中的变化。
试验用的土样为正圆柱形，常用的高度与直径之比为2-2.5。
土样用薄橡皮膜包裹，以免压力室的水进入。
试样上、下两端可根据试样要求放置透水石或不透水板。
试验中试样的排水情况由排水阀B 控制(图5.8)。
试样底部与孔隙水压力量测系统相接，必要时藉以测定试验过程中试样的孔隙水压力变化。
试验时，先打开阀门A ，向压力室压入液体，使土样在三个轴向受到相同的周围压力σ3，此时土样中不受剪力。
然后再由轴向系统通过活塞对土样施加竖向压力q ，此时试样中将产生剪应力。
在周围压力σ3不变情况下，不断增大q ，直到土样剪坏。
其破坏面发生在与大主应力作用成面αf =45°+2ϕ的夹角处。
这时作用于土样的轴向应力σ1=σ3+q ，为最大主应力，周围压力σ3为最小主应力。
用σ1和σ3可绘得土样破坏时的一个极限应力圆。
若取同一种土的3-4个试样，在不同周围压力σ3下进行剪切直得到相应的σ1，便可绘出几个极限应力圆。
这些极限应力圆的公切线，即为抗剪强度包线。
它一般呈直线形状，从而可求得指标c 、ϕ值(图5.9)。
若在试验过程中，通过孔隙水测读系统分别测得每一个土样剪切破坏时的孔隙水压力的大小就可以得出土样剪切破坏时有效应力σ1′=σ1-u ，σ′3=σ3-u ，绘制出相应的有效极限应力圆如图4-10，根据有效极限应力圆，即可求得有效强度指标ϕ′、c ′。
2)三轴试验方法根据土样固结排水条件的不同，相应于直剪试验三轴试验也可分为下列三种基本方法：(1) 不固结不排水剪(UU )：先向土样施加周围压力σ3，随后即施加轴向应力q 直至剪坏。
在施加q 过程中，自始至终关闭排水阀门不允许土中水排出，即在施加周围压力和剪切力时均不允许土样发生排水固结。
这样从开始加压直到试样剪坏全过程中土中含水量保持不变。
这种试验方法所对应的实际工程条件相当于饱和软粘土中快速加荷时的应力状况(2) 固结不排水剪(CU )试验：试验时先对土样施加周围压力σ3，并打开排水阀门B ，使土样在σ3作用下充分排水固结。
然后施加轴向应力q ，此时，关上排水阀门B ，使土样在不能向外排水条件下受剪直至破坏为止。
三轴“CU ”试验是经常要做的工程试验，它适用的实际工程条件常常是一般正常固结土层在工程竣工时或以后受到大量、快速的活荷载或新增加的荷载的作用时所对应的受力情况。
(3) 固结排水剪(CD )试验：在施加周围压力σ3和轴向压力q 的全过程中，土样始终是排水状态，土中孔隙水压力始终处于消散为零的状态，使土样剪切破坏。
这三种不同的三轴试验方法所得强度、包线性状及其相应的强度指标不相同，其大致形态与关系如图5.11所示。
三轴试验和直剪试验的三种试验方法在工程实践中如何选用是个比较复杂的问题，应根据工程情况、加荷速度快慢、土层厚薄、排水情况、荷载大小等综合确定。
一般来说，对不易透水的饱和粘性土，当土层较厚，排水条件较差，施工速度较快时，为使施工期土体稳定可采用不固结不排水剪。
反之，对土层较薄，透水性较大，排水条件好，施工速度不快的短期稳定问题可采用固结不排水剪。
击实填土地基或路基以及挡土墙及船闸等结构物的地基，一般认为采用固结不排水剪。
此外，如确定施工速度相当慢，土层透水性及排水条件都很好，可考虑用排水剪。
当然，这些只是一般性的原则，实际情况往往要复杂得多，能严格满足试验条件的很少，因此还要针对具体问题作具体分析。
5.41)土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标c 和ϕ为土的内摩擦系数，σtg ϕ生变化，即使是同一种土，ϕ、c 2)影响土的抗剪强度的因素(1)土粒的矿物成份、形状、颗粒大小与颗粒级配土的颗粒越粗，形状越不规则，表面越粗糙，ϕ越大，内摩擦力越大，抗剪强度也越高。
