地基与基础工程施工：土的抗剪强度指标测定

一、土的抗剪强度

土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限强度。工程中的地基承载力、挡土墙土压力、土坡稳定等问题都与土的抗剪强度直接相关，因此，研究土的强度特性，主要是研究土的抗剪性。

建筑物地基在外荷载作用下将产生剪应力和剪切变形，土具有抵抗这种剪应力的能力，并随剪应力的增加而增大，当这种剪阻力达到某一极限值时，土就要发生剪切破坏，这个极限值就是土的抗剪强度。如果土体内某一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。

二、库仑公式

(一)土的抗剪强度

1776年，法国科学家库仑通过一系列砂土剪切实验，将砂土的抗剪强度表达为滑动面上法向总应力的函数，即

后来，经过进一步研究发现黏性土的抗剪强度黏性土的抗剪强度由两部分组成，一部分是摩擦力，另一部分是土粒之间的黏结力，它是由于黏性土颗粒之间的胶结作用和静电引力效应等因素引起的。进一步提出黏性土抗剪强度公式:

式中: ——土的抗剪强度(kPa);

σ——剪切面上法向应力(kPa);

φ——土的内摩擦角，即直线与横轴的夹角;

c——土的黏聚力(kPa)。

由库仑提出的公式(1-46)和公式(1-47)是土体的强度规律的数学表达式，也称库仑定律，表明在一般的荷载范围内土的抗剪强度与法向应力之间呈线性关系，如图1-15所示，其中c，φ称为土的强度指标。

图1-15 土的抗剪强度与法向应力关系

(二)土的抗剪强度指标

抗剪强度指标c，φ反映土的抗剪强度变化的规律性，它们的大小反映了土的抗剪强度的高低。土粒间的内摩擦力通常由两部分组成，一部分是由于剪切面上土颗粒与颗粒接触面所产生的摩擦力; 另一部分是由颗粒之间的相互嵌入和连锁作用产生的咬合力。咬合力是指当土体相对滑动时，将嵌在其他颗粒之间的土粒拔出所需的力。黏聚力c是由于黏土颗粒之间的胶结作用，结合水膜以及分子引力作用等引起的。

三、土的极限平衡条件

根据库仑定律和试验作出的库仑抗剪强度包线，可以看出，如果给定了土的抗剪强度参数φ、c以及土中某点的应力状态，则可将抗剪强度包线与莫尔应力圆画在同一张坐标图上，如图1-16所示，它们之间的关系有以下三种情况:

图1-16 莫尔圆与抗剪强度之间的关系

(1)莫尔圆位于抗剪强度包线下方(图中圆Ⅰ)，说明该点在任何平面上的剪应力都小于土所能发挥的抗剪强度，即，因此不会发生剪切破坏，表示该点处于稳定状态。

(2)莫尔圆与抗剪强度包线相切(图中圆Ⅱ)，说明切点A所代表的平面上，剪应力正好等于抗剪强度，即，表示该点处于极限平衡状态。

(3)抗剪强度包线是莫尔圆的一条割线(图中圆Ⅲ)，说明该点某些平面上的剪应力大于抗剪强度，即，表示该点已经剪切破坏。实际上这种情况是不存在的。

四、土的直剪试验测定方法

(一)实训一: 土的直剪试验

1. 试验目的

直剪试验是测定土的抗剪强度的一种常用方法。通常采用4个试样，分别在不同的垂直压力p下，施加水平剪切力进行剪切，测得剪切破坏时的剪应力然后根据库仑定律确定土的抗剪强度指标内摩擦角φ和黏聚力c。

2. 试验方法

1)试验方法

快剪试验: 在试样上施加垂直压力后立即快速施加水平剪应力。(https://www.xing528.com)

固结快剪试验: 在试样上施加垂直压力，待试样排水固结稳定后，快速施加水平剪应力。

慢剪试验: 在试样上施加垂直压力及水平剪应力的过程中，均使试样排水固结。

2)适用范围

本试验适用于测定细粒土的抗剪强度指标c和φ和粒径小于2mm的砂土的抗剪强度指标φ。渗透系数k大于10－6cm/s的土不适于做快剪试验。

3. 固结快剪试验

1)仪器设备

应变控制式直剪仪: 剪切盒、垂直加压框架、测力计、推动机构等; 位移计(百分表): 量程5～10mm，分度值0.01mm; 天平、环刀、削土刀、饱和器、秒表、滤纸、直尺等。

2)操作步骤

(1)试样制备: 从原状土样中切取原状土试样或制备给定干密度和含水量的扰动土试样。按《规范》规定，测定试样的密度及含水量。对于扰动土样需要饱和时，按《规范》规定的方法进行抽气饱和。

(2)试样安装: 对准上下盒，插入固定销。在下盒内放湿滤纸和透水板。将装有试样的环刀平口向下，对准剪切盒口，在试样顶面放湿滤纸和透水板，然后将试样徐徐推入剪切盒内，移去环刀。转动手轮，使上盒前端钢珠刚好与测力计接触。调整测力计读数为零。依次加上加压盖板、钢珠、加压框架，安装垂直位移计，测记起始读数。

(3)施加垂直压力: 一个垂直压力相当于现场预期的最大压力p，一个垂直压力要大于p，其他垂直压力均小于p，但垂直压力的各级差值要大致相等。也可以取垂直压力分别为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa，各级垂直压力可一次轻轻施加，若土质软弱，也可以分级施加，以防试样挤出。

(4)如是饱和试样，则在施加垂直压力5min后，往剪切盒水槽内注满水; 如是非饱和试样，则仅在活塞周围包以湿棉花，以防止水分蒸发。在试样上施加规定的垂直压力后，测记垂直变形读数。当每小时垂直变形读数变化不超过0.005mm时，认为以达到固结稳定。

(5)试样达到固结稳定后，拔去固定销，开动秒表，以0.8～1.2mm/min的速率剪切(每分钟4～6转的均匀速度旋转手轮)，使试样在3～5min剪损。

剪损的标准: ①当测力计的读数达到稳定或有明显后退，表示试样剪损; ②一般宜剪切至剪切变形达到4mm; ③若测力计的读数继续增加，则剪切变形达到6mm为止。

(6)剪切结束后，吸去剪切盒中积水，倒转手轮，尽快移去垂直压力、框架、钢珠、加压盖板等。取出试样，测定剪切面附近的含水量。

3)计算与制图

(1)计算。按下式计算试样的剪应力:

式中: C——测力计率定系数(N/0.01mm);

R——测力计读数(0.01mm);

A0——试样断面积(cm2);

10——单位换算系数。

(2)制图。

①以剪应力为纵坐标、剪切位移为横坐标，绘制剪应力与剪切位移Δl的关系曲线;

②以抗剪强度为纵坐标、垂直压力p为横坐标，绘制抗剪强度与垂直压力p的关系曲线。选取剪应力与剪切位移Δl关系曲线上的峰值点或稳定值作为抗剪强度; 若无明显峰值点，则可取剪切位移Δl等于4mm对应的剪应力作为抗剪强度。

4)试验记录格式

直剪试验记录表见表1-13。

表1-13 直剪试验记录表