工程實踐中土體抗剪強度的確定

摘要：關于土的強度理論與概念，隨著上的應力一應變關系和強度發揮度等新概念的提出，不少人認為，強度實質應該按強度與變形的統一理論來重新定義；目前強度取得的方法有多種，含義不明，互不聯系。本文主要介紹了土的抗剪強度及其影響因素，分析了土的抗剪強度指標的測定和選用方法。

關鍵詞：應力—應變關系，變形，抗剪強度

1.概述

土的抗剪強度是指一部分土體相對于另一部分土體滑動時的抵抗力，實質上就是土體與土體之間的摩擦力。土的抗剪強度首先取決于土體本身的性質，即土的組成、土的狀態和土的結構，這些性質又與土體形成的環境和應力歷史等因素有關，其次還決定于土體當前所受的應力狀態。

對于工程實踐中土體抗剪強度的確定，在十八世紀，庫倫公式就被用來確定土體的抗剪強度，從而算出擋墻上的土壓力。庫倫公式雖然客觀地表明土的抗剪強度由凝聚力部分和與法向壓力成正比的摩擦力部分所組成，但由于同一土的抗剪強度指標并不是常數，而是隨著環境的不同有很大的變化。因此，為正確確定上體的抗剪強度帶來很大困難。

2.土體抗剪強度指標的確定

2.1 總應力法與有效應力法

確定土體抗剪強度指標的方法有兩種，即有效應力法和總應力法，前者是普遍適用的方法，而后者只適用于確定粘性上體在施工期、地震期或土壩壩前水位降落期的抗剪強度。有效應力法要求確定土的有效強度指標c'、φ'和估算孔隙壓力，主要通過孔隙壓力的變化來反映土體強度的變化。有效應力法概念清楚，可以通過現場孔隙壓力觀測對估算值進行校核，但是光憑估算的孔隙壓力值是很難準確確定土體抗剪強度的。此外，當采用有效應力法時，往往要求用滑動面事先假定的極限平衡法計算土體的抗滑安全系數，例如斜坡的安全系數，但迄今還很少應用于地基承載力和上壓力計算中。

總應力法是把孔隙壓力的影響包括在總強度指標Cu、φu 和Ccu、φcu中，前者用不排水（ UU ）試驗測得，而后者由固結不排水（CU ）試驗測得。飽和軟粘上的φu= O ，因此它在施工期的強度往往用φ=0 法確定。總應力法比較簡單，但不夠嚴謹，一般偏于保守。但不管是有效應力法還是總應力法的可靠性在很大程度上都取決于工程師的經驗。

2.2 測定強度指標的儀器和方法

Cu、φu 和Ccu、φcu中宜分別用三軸UU 試驗和CU 試驗測定。如果在UU 試驗中測定孔隙壓力，從而測得破壞時的有效應力，則同時可得到有效強度指標c'和φ'。不過當試樣的飽和度大于約80 %時，應該用CU 試驗并測孔隙壓力，才能測得c'、φ'，同時也可求得Ccu、φcu值。

利用應力控制式直剪儀進行慢剪試驗，同樣可測得c'、φ'值。但是直接快剪和固結快剪測得總強度指標并不一定可靠，只有當試樣的滲透系數小于10-9m / s 時，或試樣在剪切過程中出現的孔隙壓力小到可以忽略不計時，直剪試驗測得的總強度指標才有實用價值。

2.3 抗剪強度指標的選用

按上述原則，選定了確定土體抗剪強度的方法、試驗儀器以及試驗方法后，并不意味著取得的試驗成果已能準確反映土的抗剪強度指標值。因為在常規三軸試驗中，試樣是在各向等壓的條件下固結的，作用在試樣上的中主應力等于小主應力；在剪切過程中，作用在試樣上的側向應力保持不變，軸向壓力不斷增加。試樣的這些受力條件與實際情況是不同的，它們之間的各項差異所導致的強度指標值之間的差別，隨土類、密度、飽和度的不同而各異。我們必須掌握有關的研究成果，才可大致估計出各項因素的影響值。

天然土層既不均勻一致，又非各向同性，諸土樣的強度指標值可能相差較大。因此，如何根據這些成果為土體選取指標值，又是一個難度較大而且十分重要的工作。解決這些難題的可行途徑是，先詳細了解土層的變化情況；采取的土樣的代表性，取樣方法以及試驗規劃的合理性，試驗條件與實際情況的差別以及由此引起的強度指標的差異。明確那幾層土或幾種土對工程是關鍵的土層，然后，以最有代表性的土樣的指標為主體，參考其它土樣的試驗結果，選擇出供設計用的指標值，指標值中應留有一定余地。

在進行上述工作時，還可借助于統計分析方法和概率理論。例如采用小值平均法，算術平均法、最小二乘法以及圖解法等。圖解法是把所有的抗剪強度試驗資料繪在圖中舍去其中過大過小的少量點子，選取略小于平均值的強度包線。試驗數量愈多，土層愈均勻，土樣愈有代表性，則選用值可高一點，相反，則應采用小值平均值或甚至采用更小值。但是過分多的試驗，特別是質量不高的試驗是不必要的。

3.小結

確定土體抗剪強度的方法，現在比以前有了較大改進，共估算精度相應有了捉高。但是，影響土體抗剪強度的因素太多，例如土樣的代表性，土體的均勻性，取樣的質量，試驗方法和技巧，試樣受力和排水條件與現場情況之間的差別，強度指標的選用，孔隙壓力的估算等，而且各因素對土體強度的影響值又隨土類和工程類別而異。因此，要想根據試驗室提供的數據采取符合實際的強度指標和算出土體的抗剪強度，首先須具有堅實的理論基礎，掌握諸因素對各類土壤強度的影響大小，此外尚需在上作中不斷實踐和累積經驗，除了總結自己經手的經驗外，還要從工程實錄的報導中吸取他人的經驗。一旦我們具備一定的業務素養和掌握正確的工作方法，就會感覺到機械地運用標準的方法或規范來確定上體的抗剪強度是不值得鼓勵的，而且會認識到真正的經驗并不等于過去一直沿用的辦法。

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