房屋建筑工程中土的抗剪強(qiáng)度簡析

孫慧

摘要：建筑物由于地基土的原因引起的工程事故中，一方面是由于土體的沉降或沉降差過大造成的，另一方面是由于土體的剪切破壞而引起的。從事故的災(zāi)害性來說，強(qiáng)度問題比沉降問題要嚴(yán)重的多。而土體的破壞通常都是剪切破壞，研究土的強(qiáng)度特性，就是研究土的抗剪強(qiáng)度特性。

關(guān)鍵詞：抗剪強(qiáng)度;內(nèi)摩擦力;內(nèi)聚力

1.土的抗剪強(qiáng)度的基本概念

大量的試驗(yàn)研究與對破壞土體的實(shí)際觀察分析表明，土體的破壞形式除滲透破壞外，都屬于強(qiáng)度破壞。如基坑和堤壩的滑坡﹑建筑物地基失穩(wěn)﹑擋土墻的傾斜或滑動等，都是由于土體中某些面上的剪應(yīng)力超過了土體本身的抗剪強(qiáng)度，引起剪切破壞所致。一旦土體發(fā)生剪切破壞，剪切破壞面兩側(cè)的土體就會發(fā)生較大的相對位移，形成一個滑動面，這種由一部分土體相對于另一部分土體產(chǎn)生滑動破壞的現(xiàn)象也稱土體喪失了穩(wěn)定性。

①土的抗剪強(qiáng)度（τf）：是指土體抵抗抗剪切破壞的極限能力，其數(shù)值等于剪切破壞時滑動的剪應(yīng)力。

②剪切面（剪切帶）：土體剪切破壞是沿某一面發(fā)生與剪切方向一致的相對位移，這個面通常稱為剪切面。

土的抗剪強(qiáng)度又與一般材料的抗剪強(qiáng)度不同，因?yàn)橥潦撬缮㈩w粒的集合體，它的破壞主要表現(xiàn)在土粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度受到破壞，土粒本身的破壞一般較少考慮;其次，土的抗剪強(qiáng)度是隨剪切面上所受的法向應(yīng)力σ而變，不是一個常數(shù)，這是土區(qū)別與其他建筑材料的一個重要特征。

2.土的抗剪強(qiáng)度規(guī)律——庫侖定律

1）土的庫侖定律

1776年，法國學(xué)者庫侖（C·A·Coulomb），通過對砂土體進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究得出，土的抗剪強(qiáng)度的表達(dá)式為：

式中：σ：剪切面的法向壓力，Kpa;

：土的內(nèi)摩擦系數(shù);

φ：土的內(nèi)摩擦角，度;

σtgφ：內(nèi)摩擦力。

后來又通過試驗(yàn)進(jìn)一步提出了黏性土的抗剪強(qiáng)度表達(dá)式：

粘性土：

式中：c：土的內(nèi)聚力，Kpa。

在法向應(yīng)力變化范圍不大時，抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系近似為一條直線，這就是抗剪強(qiáng)度的庫侖定律。

庫侖定律說明：（1）土的抗剪強(qiáng)度由土的內(nèi)摩擦力σtgφ和內(nèi)聚力c兩部分組成。

（2）內(nèi)摩擦力與剪切面上的法向應(yīng)力成正比，其比值為土的內(nèi)摩擦系數(shù)tgφ。

（3）表征抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：土的內(nèi)摩擦角φ和內(nèi)聚力c。

粘性土的內(nèi)聚力c取決于土粒間的連結(jié)程度;內(nèi)摩擦力（σtgφ）較小。

根據(jù)庫侖定律可以繪出庫侖直線，其中庫侖直線與橫軸的夾角稱為土的內(nèi)摩擦角φ，庫侖直線在縱軸上的截距c為內(nèi)粘聚力。

由庫侖定律可以看出，在剪切面上的法向應(yīng)力σ不變時，試驗(yàn)測出的φ和c值能反映出土的抗剪強(qiáng)度的τf大小，故稱φ和c為土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。但是抗剪強(qiáng)度指標(biāo)φ和c不僅與土的性質(zhì)有關(guān)，而且與測定方法有關(guān)。

2） 土的抗剪強(qiáng)度的構(gòu)成

庫侖定律還表明，無黏性土的抗剪強(qiáng)度由土的內(nèi)摩擦力（σtgφ）構(gòu)成，而黏性土的抗剪強(qiáng)度則由土的內(nèi)摩擦角（σtgφ）和土的內(nèi)粘聚力（c）構(gòu)成。土的內(nèi)摩擦力包括剪切面上土粒之間的表面摩擦力和由于土粒之間的相互嵌入、聯(lián)鎖作用產(chǎn)生的粒間咬合力。粒間咬合力是指當(dāng)土體相對滑動時，將嵌在其它顆粒之間的土粒拔出所需要的力。一般土越密實(shí)，顆粒越粗，其φ值越大;反之，其φ值就越小。

3）影響土的抗剪強(qiáng)度的因素

影響土的抗剪強(qiáng)度的因素是多方面的，主要為土粒的礦物成分、形狀、顆粒大小與顆粒級配，土的密度，含水率，土體結(jié)構(gòu)的擾動情況，有效應(yīng)力。

3.抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的測定方法

土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)φ和c是通過剪切試驗(yàn)測定的，剪切試驗(yàn)方法一般分室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)兩類。室內(nèi)試驗(yàn)常用的儀器有直接剪切儀、三軸壓縮儀、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀等;現(xiàn)場試驗(yàn)常用的有十字板剪切儀等。

1） 直接剪切試驗(yàn)

直接剪切試驗(yàn)，通常簡稱直剪試驗(yàn)，它是測定土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)最簡單的試驗(yàn)方法。直剪試驗(yàn)所用的主要儀器為直剪儀，直剪儀構(gòu)造簡單，土樣制備安裝方便，操作方法便于掌握。但該試驗(yàn)存在以下缺點(diǎn)：剪切過程中試樣內(nèi)的剪應(yīng)變分布不均勻，應(yīng)力條件復(fù)雜，但仍按均勻分布計(jì)算，其結(jié)果有誤差;剪切面只能人為地限制在上下剪切盒的接觸面上，而不是沿土樣最薄弱的剪切面剪切;試驗(yàn)時不能嚴(yán)格控制土樣的排水條件;不能量測土樣中孔隙水應(yīng)力;剪切過程中土樣剪切面逐漸減小，且垂直荷載發(fā)生偏心，而分析計(jì)算時仍按受剪面積不變考慮。

2） 三軸剪切試驗(yàn)

三軸剪切試驗(yàn)也稱三軸壓縮試驗(yàn)，是測定土的抗剪強(qiáng)度的一種較為完善的試驗(yàn)方法。與直剪試驗(yàn)相比，三軸剪切試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是：試樣中的應(yīng)力分布比較均勻;試樣破壞時剪切破壞面就發(fā)生在土樣的最薄弱處，應(yīng)力狀態(tài)比較確定;試驗(yàn)時還可根據(jù)工程需要，嚴(yán)格控制孔隙水的排出，并能準(zhǔn)確地測定土樣在剪切過程中孔隙水壓力的變化，從而可以定量地獲得土中有效應(yīng)力的變化情況。三軸試驗(yàn)可供在復(fù)雜應(yīng)力條件下研究土的抗剪強(qiáng)度特性之用。

3） 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是將正圓柱形土樣放在無側(cè)限壓力儀中，在無側(cè)限壓力和不排水的情況下，對它施加垂直的軸向壓力，當(dāng)土樣剪切破壞時所能承受的最大軸向壓力稱為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)相當(dāng)于在三軸剪切儀上進(jìn)行圍壓力σ3=0的不排水剪試驗(yàn)。由于σ3=0，試驗(yàn)結(jié)果只能作出一個莫爾極限應(yīng)力圓（σ1=qu，σ3=0）。對于飽和軟粘土，在三軸不固結(jié)不排水的剪切條件下，測出的抗剪強(qiáng)度包線為一條水平線，即φu=0，故可利用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)來測定飽和軟粘土的不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)cu值。

4.十字板剪切試驗(yàn)

十字板剪切試驗(yàn)是一種原位測定土的抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法，它與室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度一樣，所測得的成果相當(dāng)于不排水抗剪強(qiáng)度。十字板剪切試驗(yàn)所得成果也屬于不排水抗剪強(qiáng)度cu。

商丘（除永城市外）大部分地區(qū)上部以粉土為主，夾粉質(zhì)粘土薄層，承載力特征值fak=110～130，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c=7～15，φ=15～25.一般承載力越大，c﹑φ值越大。

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（作者單位：河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院）