土的抗剪强度指标及其工程应用

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1、土的抗剪强度及其工程问题同济大学高大钊二○○六年四月内容土的抗剪强度试验工程中的抗剪强度问题土的抗剪强度试验抗剪强度和抗剪强度指标这是两个不同的概念，但经常被人们混淆，看一个土坡的最简单的例子：平行滑动面的力是滑动力T抵抗滑动的是滑动面上的抗剪强度滑动面上的力系TNGA-滑动面的面积滑动面上的抗剪强度由两部分组成，一部分与滑动面上的法向应力成正比，另一部分与法向应力无关，可以写成如下的表达式，式中的c称为内聚力，称为内摩擦角，内聚力和内摩擦角就是这两个抗剪强度指标。这个表达式被称为库仑强度准则：＝c＋ptanp=N/A从整个土坡滑动面A上平均地看

2、：当TA时，土坡不会滑动，当TA时，土坡就失稳了，当T＝A时，称为极限平衡。抗剪强度指标是土体的固有性质，是描述土体中的抗剪强度随法向应力变化规律的参数；抗剪强度是在一定的应力条件下，土体滑动面上抵抗滑动的总强度。土的抗剪强度试验原理与测定方法抗剪强度指标的物理概念直剪试验指标的测定三轴试验指标的测定与资料分析抗剪强度指标的物理概念土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的能力。在土力学中，采用摩尔—库仑强度准则，用内摩擦角和内聚力两个指标描述土的抗剪强度规律，即在土的破裂面上，抗剪强度随法向应力增长的规律。摩尔—库仑强度准则是土力学的三大定律之一。t=

3、c＋ptan对于c＝0的土，称为纯摩擦材料，内摩阻力包括土粒之间的表面摩擦力和由于土粒之间的联锁作用而产生的咬合力。咬合力是指当土体相对滑动时，将嵌在其它颗粒之间的土粒拔出所需的力，土越密实，联锁作用则越强。tt=c＋ptan对于＝0的土，称为凝聚性材料，构成内聚力的物理原因是土的细颗粒表面作用，是一种物理化学作用。原始粘聚力主要是由于土粒间水膜受到相邻土粒之间的电分子引力而形成的，当土被压密时，土粒间的距离减小，原始粘聚力随之增大。当土的天然结构被破坏时，原始粘聚力将丧失一些，但会随着时间而恢复其中的一部分或全部。固化粘聚力是由于土中化合物的胶

4、结作用而形成的，当土的天然结构被破坏时，则固化粘聚力随之丧失，而且不能恢复。抗剪强度指标的测定方法在室内试验中，可以用直剪试验或三轴试验来测定土的抗剪强度指标。对粗粒土应当用大尺寸的仪器或现场大型直剪试验测定。对软土，也可以用原位测试－十字板试验测定。土的抗剪强度指标和土的原始状态、应力路径、应力历史、排水条件等因素有关，考虑不同因素影响时，应采用不同的试验方法。考虑上述复杂因素的试验只能用三轴仪才能模拟。三轴试验分为常规的试验和特殊的试验两类。直剪试验直剪试验结果tf=c＋ptan第一级荷载必须大于上覆有效压力直剪试验方法快剪试验在土样上下两面安置不透

5、水的铜板或塑料膜，并在施加竖向压力后立即施加水平剪力进行剪切，而且剪切的速率也很快，一般只3~5min。采取这些措施的目的是为了控制土样在试验时不固结排水，以便测定天然状态的强度指标。快剪试验得到的指标用cq、q表示。由于直剪仪固有的缺点，尽管采取了上述措施，土样和环刀之间仍有渗水通道，不能保证土样处于完全不排水的状态，特别是对透水性比较大的土影响更大。固结快剪试验在土样上下两面安置透水石，在施加竖向压力以后给以充分时间使土样固结排水。固结排水终了后再施加水平剪力，快速地将土样剪坏。这种试验方法模拟在法向应力作用下固结完成但在剪应力作用下不排水的工况，由

6、于放置了透水板，更不能保证在剪切时处于完全不排水的状态，对于透水性比较大的土样将会得到过大的抗剪强度值。固结快剪试验得到的指标用ccq、cq表示。慢剪试验施加竖向压力后土样固结排水的要求与固结快剪试验相同，在固结终了后以相当慢的速度施加水平剪力，剪切速率控制在小于0.02mm/min以使土样在剪切过程中有充分时间排水和产生体积变形，得到的指标模拟完全排水的工况。慢剪试验指标用cs、s。直剪试验排水控制措施竖向压力剪应力结果快剪不用透水板立即剪切快速固结快剪用透水板快速剪切时透水途径通畅慢剪用透水板慢速直剪仪不能有效地控制排水直剪仪中的土样无法封闭，无论

7、土样承受法向应力或剪应力，无论剪切速度多快，孔隙水总会沿着土样和环刀之间的缝隙流失，无法测定不排水条件下的强度，使快剪试验的结果特别离散，而且内摩擦角往往偏大，用于工程是偏于危险的；在固结快剪试验中，剪切时的排水也使内摩擦角偏大。曾有文献报道，对于塑性指数小于11的土，固结快剪试验的内摩擦角与慢剪试验的内摩擦角很接近，一般只比慢剪试验的内摩擦角小1~2，但在塑性指数为11~18的土中，两者的数值相差很大，一般为10左右。这是由于低塑性土的渗透系数比较大，在固结快剪试验中孔隙水消散很快，剪切时土的固结状态已接近于慢剪试验，因此两者的结果相近。由此可见，

8、直剪试验不适用于低塑性土。仪器构造的缺陷直剪仪上下盒之间的缝隙为了