关于土体抗剪强度的文献综述中国民航大学程瑞瑞090741102摘要：土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要力学指标之一，在计算地基承载力、评价地基稳定性时都要用到土的抗剪强度指标。

正确测定土的抗剪强度具有重要的工程意义。

强度理论经过近几十年的发展，基本形成了完善的体系。

本文介绍了抗剪强度的意义、发展、应用等内容，具有一定参考价值。

关键词：抗剪强度、强度理论、抗剪实验、影响因素一、土体抗剪强度在工程建设领域应用的意义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，作为土力学指标的重要一项，其物理意义是由土体颗粒间的内摩阻力以及胶结物与水膜分子引力所造成的粘聚力构成。

对于非粘性土来说，其抗剪强度主要是来自土粒间的内摩擦力，包括由于土颗粒粗糙产生的表面摩擦力以及粗颗粒之间互相嵌挤联锁作用。

对于粘性土，其抗剪强度主要来自内摩擦力外以及土颗粒之间的电分子吸引力以及土中胶结物质对土粒的胶结作用所产生的内聚力。

土体的抗剪强度主要涉及到建筑工程中地基承载力、挡土墙土压力以及土坡稳定等，正确的测定分析土体的抗剪强度具有重要的工程意义。

对于建筑工程的地基而言，其所产生的压力对于土体是局部荷载，局部荷载导致荷载导致土体产生压缩，荷载边缘内外的土粒就会发生竖向的滑动，从而产生剪应力。

当荷载大到一定程度时，荷载边缘土中的剪应力首先达到土的抗剪强度，产生小范围的塑性变形区，当荷载达到一定程度后，就会形成连续塑性变形的滑动面，从而地基失去稳定性而破坏，因此必须深入的研究土体抗剪强度指标，以确保工程建设的安全稳定[1]。

二、土体抗剪强度的理论1、早期强度理论的发展[1]（1）库仑公式。

库伦通过试验将土的抗剪强度指标概括为滑动面上的法向总应力的函数，公式如下所示：对于无粘性土，其抗剪强度为：τf =σ•tanΦ；对于粘性土，其抗剪强度为：τf =C+σ•tanΦ；（1）式中：τf —土的抗剪强度；σ—剪切面的法向压力；υ—土的内摩擦角；c—土的内聚力；—土的内摩擦系数；σtanΦ—内摩擦力。

从库伦理论分析，土体的抗剪强度指标影响因素主要为土的内摩擦角υ以及内聚力c。

根据公式可知无粘性土的抗剪强度主要取决于土粒表面的粗糙程度以及土粒交错排列的情况，对粘性土，抗剪强度由凝聚分量以及摩擦分量两部分组成。

（2）莫尔－库仑理论莫尔提出由于土体的破坏是剪切破坏，当土体任一平面上的剪应力达到抗剪强度时，该点就发生剪切破坏，并说明破坏面上的剪应力是该面上法向应力的函数，莫尔—库仑理论则是以库仑公式作为土体的抗剪强度公式，根据剪应力是否达到抗剪强度作为破坏标准的理论。

通过在土体中取一微单元体，作用在该单元体上的两个主应力为σ1、σ3，则作用在与大主应力作用面成α角的平面上的正应力以及剪应力可根据静力平衡条件求得公式：σ=1/2（σ1+σ3）+1/2（σ1-σ3）•cos2ατ=1/2（σ1-σ3）•sin2α式中：σ—任一截面上的法向应力；τ—任一截面上的剪切应力；σ1—最大主应力；σ3—最小主应力；α—最小主应力与截面作用方向的夹角。

根据莫尔—库仑理论，当土处于极限平衡状态即应理解为破坏状态，此时的莫尔应力圆即称为极限应力圆或破坏应力圆，相应的一对平面即为土体剪切破坏面。

通过土中一点，在σ1，σ3作用下可出现一对剪切破裂面，这一对破裂面之间的夹角在σ1作用方向等于α=(45。

+υ/2)，它们与最小主应力作用方向的交角为，根据极限应力圆与抗剪强度包线相切的几何关系，可建立以下极限平衡条件：σ1=σ3•tan2（45。

+υ/2)+2C•tan（45。

+υ/2)σ3=σ1•tan2（45。

- υ/2)-2C•tan（45。

- υ/2)2、近代强度理论的认识及发展[2]随着科学实践的发展，人们对土的工程性质认识的深入，对土的抗剪强度的认识也越来越深刻，对强度公式及C、υ值也有了新的认识。

简述如下：（1）兰姆（Lambe,T.W）的粘聚力和摩擦强度不同时发挥的抗剪强度理论，他将粘性土的抗剪强度τf分成三个基本分量：即粘聚力、剪胀和摩擦。

他认为：粘聚力在极小的应变下发挥最大，应变稍高一些，就不产生粘聚力，剪胀由零增加到最高，然后随着颗粒的咬合作用的丧失而逐渐消失。

当应力～应变曲线趋于水平时，粘聚力和剪胀对强度影响就不再是主要因素，而其主要因素的则是摩擦。

（2）太沙基（Terzaghi）有效应力抗剪强度理论即：τf=C/+σ/tanΦ/（2）式中C/和Φ/称为有效应力强度参数，σ/为剪破面上的法向有效应力。

在太沙基理论基础之上，20 世纪30年代伏斯列夫（Hvorslev）提出真强度参数理论。

其抗剪强度的数学表达式与式（1）基本相同，C、υ值虽然在物理意义上相同，但是C、υ值随试验方法的差别而有所差异。

（3）毕肖普（Bishop）和弗雷德伦德（Fredlund）的非饱和土强度理论世界是物质的世界，是对立统一的世界。

太沙基（Terzaghi）有效应力抗剪强度理论解释了土中的水对饱和粘性土的抗剪强度起到了降低的作用。

毕肖普（Bishop）和弗雷德伦德（Fredlund）的非饱和土强度理论同样运用有效应力原理解释了非粘性土在非饱和状态下（气、水、固体颗粒三相体）即基质吸力、气体对非饱和粘性土的抗剪强度起了提高的作用。

其数学表达式为：τf=C/+（σ-μa）tanΦ/+(μa-μw)tanΦ//(3) 式(3)中C/为有效粘聚力，（σ-μa）为外荷载引起的有效应力，Φ/为第一有效摩擦角，(μa-μw)为内部有效应力，Φ//为第二有效摩擦角。

同样，C、υ值在数量上随试验方法的差别而有所差异。

通过上述抗剪强度公式回顾可知，描述土的抗剪强度的公式不是唯一的，而是多种多样的；同时，伏斯列夫（Hvorslev）提出真强度参数理论可知，C、υ值不是一个确定的值，而是一个随土的孔隙比和含水量而变化的量。

用唯一的抗剪强度公式，描述千变万化的土的强度，其准确性就可想而知了。

三、土抗剪强度的试验在工程建设领域，正确的测定土体的抗剪强度，对于计算分析地基承载力，并对低级的稳定性以及土压力的分析计算具有加大的帮助，科学的选择试验方法确定土的抗剪强度在工程建设领域具有重要的意义。

1、试验方法[1]（1）直接剪切试验。

直接剪切试验用直接剪切仪来测定土的抗剪强度，是测定预定剪破面上抗剪强度的最简便和最常用的方法。

直剪仪分应变控制式和应力控制式两种，前者以等应变速率使试样产生剪切位移直至剪破，后者是分级施加水平剪应力并测定相应的剪切位移。

（2）三轴压缩试验。

三轴压缩试验直接量测的是试样在不同恒定周围压力下的抗压强度，然后利用莫尔－库仑准则间接推求土的抗剪强度。

三轴压缩仪能较为严格地控制排水条件，试件中的应力状态比较明确，破裂面发生在最薄弱的部位。

（3）原位十字板剪切试验。

十字板剪切试验主要通过利用十字板剪切仪，在试验进行土体的抗剪强度测定。

十字板剪切试验主要试验步骤为首先将十字板插到要进行试验的深度，再在十字板剪切仪上端的加力架上以一定的转速对其施加扭力矩，使板内的土体与其周围土体产生相对扭剪，直至剪破，测出其相应的最大扭力矩。

然后根据力矩的平衡条件，推算出圆柱形剪破面上土的抗剪强度。

（4）无侧限抗压强度试验。

三轴压缩试验中当周围压力σ3＝0时即为无侧限试验条件，由于试样的侧向压力为零，在侧向受压时，其侧向变形不受限制，故又称为无侧限压缩试验。

同时，又由于试样是在轴向压缩的条件下破坏的，因此，把这种情况下土所能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度以qu表示。

2、土的抗剪强度试验比较[2]不同的抗剪试验方法测得的C、υ值是不同的，由于抗剪试验的方法众多，黄绍铭和高大钊主编的《软土地基与地下工程》（第二版）参考文献1为说明不同试验方法对C、υ值的影响，曾对淤泥质粘土进行了不同抗剪试验方法的对比试验，其结果详见下表：上表中是各种抗剪试验得到的C、υ值，如果要进行确定地基承载力、土压力的计算以及边坡稳定性评价，如何选择C、υ值，选择能真实的描述实际工程中淤泥质粘土的抗剪强度是值得深思的。

四、抗剪强度的影响因素[2]土的抗剪强度主要来源于摩擦，土的材质是影响土抗剪强度的主要因素。

不同矿物成分的力学强度有很大差别，如以残余强度υ/r 来表示，石英砂的υ/r 达350，高岭石的为120，伊利石的为10.50，蒙脱石的为40～100。

除材质影响以外，土的颗粒级配、圆度、孔隙比、剪切速率、土的结构强度以及土体中的应力条件等等，限于篇幅，在此不作详细论述，请详见其它文献。

五、应用实例[3]1、试验设计样品采自青海某工程场地，取土深度4~5 m。

将现场所取土样用标准筛筛取5 mm以下土样，然后分别配制10%、15%和20% 3种不同含水量，密封静置24后，称取土样，将其制成干密度为1.65 g/cm3，高100 mm、直径50 mm的圆柱形试样，进行三轴试验[6]。

土样基本参数见表1。

本试验采用TYD—20 微机控制电液伺服动静三轴试验机（天水红山试验机厂生产）。

为了保证试验过程中含水量不变，采取了不固结不排水（UU）的剪切方法。

同时为了减少影响因素，对不同含水量的试验，均采取相同的应变加载速率。

每种含水量分为一组，每组3个试样，分别在100 kPa，200 kPa和300 kPa 围压下进行应变控制的静强度试验。

2、试验结果及分析（1）不同含水量试验以轴向应力为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制应力与轴向应变关系曲线（图1）。

从图1（a）中可以看出，同种土体随围压的增大其强度也是增大的;图1(b)表明同样围压条件下应力—应变曲线随含水量的增大都会出现明显降低的趋势。

取值方法：在小围压、低含水量时，曲线上有较明显的拐点，即可选取拐点处的主应力的峰值作为破坏点；对围压较大的试验，曲线呈缓慢上升时，无明显峰值，按照试验规程的规定，取轴向应变为15%时相对应的主应力为破坏点。

非饱和黄土的抗剪强度可分为两部分：一部分由固化粘聚力为主形成的结构强度，另一部分为颗粒间的内摩擦力构成的强度。

土体的抗剪强度通常适用库仑-摩尔强度准则：τf =C+σ•tanΦ式中：τ为极限抗剪强度；σ为作用在剪切面上的法向应力；ϕ为土的内摩擦角；c土的粘聚力。

以剪应力为纵坐标，法向应力为横坐标，在横坐标轴以破坏时的（σ1+σ3）/2为圆心，（σ1-σ3）/2为半径，在τ-σ应力平面上绘制破损应力圆，并绘制不同周围压力下破损应力圆的包线，求出不排水强度参数（图2）。

试验结果表明(表2)，含水量对黄土强度的影响主要表现在对粘聚力c值的影响，含水量从10%增加到20%，粘聚力从56 kPa 减小到23 kPa。

而含水量对内摩擦角υ值的影响远小于对粘聚力c值的影响。

增湿时黄土强度的降低是由于水分使颗粒间的胶结物质逐渐破坏，同时又起到润滑作用，使土的抗剪强度降低。