土的抗剪强度的机理
土的抗剪强度的概念_概述说明以及解释
土的抗剪强度的概念概述说明以及解释1. 引言1.1 概述土的抗剪强度是土体工程中非常重要的一个概念。
它指的是在土体内部存在切变作用时，土体能够抵抗该切变作用并保持形状稳定的能力。
抗剪强度是评估土的力学性质、承载能力和稳定性的重要指标之一。
1.2 定义土的抗剪强度可以分为两个方面来理解：首先，从宏观角度来看，抗剪强度是指应变固结下产生切线应力所需达到最大值。
在一定条件下，当施加沿某一平面方向的剪切应变时，通过实验可以测得该平面上允许达到的最大应力值。
其次，从微观角度来看，抗剪强度是由于岩石或土壤颗粒之间产生摩擦造成接触邻近颗粒受到相互作用而形成的。
1.3 目的本文旨在全面介绍关于土的抗剪强度概念，并说明其重要性和应用。
通过详细解释土壤抗剪强度的定义和影响因素，以及传统试验方法和先进试验方法的介绍，读者可以深入了解土壤抗剪强度与土体工程应用之间的关系。
在展示几个土体加固和处理技术的工程实践案例后，我们还将讨论抗剪强度在土体设计中的重要作用。
通过这篇文章，读者将能够更好地理解土的抗剪强度的概念及其在土体工程中的意义，并对未来研究方向提出展望。
2. 土的抗剪强度概念2.1 概述土的抗剪强度是指土体在受到剪切力作用时能够抵抗变形破坏的能力。
它是土体力学中一个重要的参数，对于工程设计、施工和地质灾害预测等具有重要意义。
2.2 抗剪强度的定义土的抗剪强度可以分为有效应力状态下的抗剪强度和总应力状态下的抗剪强度。
在有效应力状态下，土体颗粒之间由于摩擦及内聚力的作用而形成一种阻止相对滑动或破坏的抵抗力。
该抵抗力即为土体的有效应力抗剪强度。
有效应力状态下，如果施加额外水平力，就会导致不可逆性变形，并可能引发失稳。
在总应力状态下，考虑了地下水对土体孔隙水压造成的影响。
总应力状态下的土壤承受着来自地表荷载及孔隙水压带来的综合作用，在这种情况下衡量土壤较为复杂。
当存在地下水流动时，因渗流带来部分应力的释放，土壤受到的总应力也会相应减小。
第六章-土的抗剪强度
➢ 2、固结不排水试验（CU）
学 ➢ 3、固结排水试验（CD）
三轴压缩实验优缺点
土 ➢ 优点：
（1）可严格控制排水条件
力 （2）可量测孔隙水压力 （3）破裂面在最软弱处 ➢ 缺点：
学 （1）2=3，轴对称 （2）实验比较复杂
三、真三轴试验
土 力 学
四、无侧限抗压强度试验
力
f
cu
1 2
1
3
13 1uf 3uf 13
学 在不排水条件土 下体 ，孔 饱隙 和水压 B力 1，系改数变周
压力增量只会水 引压 起力 孔的 隙变化引 ，起 而土 不体 会 有效应力的变样 化在 ，剪 各切 试破坏应 前力 的相 有等 效 以抗剪强度不变。
二、固结不排水抗剪强度
0点说明未受任何固结压力的土，它不具有抗
学 ③土单元体的任何一个面上τ=τf时，就会发生剪 切破坏。此时土单元体的应力状态满足极限平 衡条件。
四 极限平衡条件的应用
土 已知土内一点M的主应力σ1m和σ3m ,以及土的内 摩擦角C、φ，可以判断该点土体是否破坏。
对于无粘性土
力1
m
sin
1 1 m 1m
3m 3m
m
学
＞
m
m
＜
m
莫尔应力圆的
半径
1 2
1
3
圆心：
(1 2
1
3
,0 )
土
A
I. II. III.
c
力
莫尔圆与抗剪强度之间的关系
抗剪强度包线与莫尔应力圆之间的关系有三种：
学 •（1）整个莫尔圆位于抗剪强度包线的下方 •（2）莫尔圆与抗剪强度包线相切（切点为A） •（3）莫尔圆与抗剪强度包线相割
土的抗剪强度-粘聚力和内摩擦角
土的抗剪强度一一粘聚力和内摩擦角内縻擦角与黏（内）聚力：土的抗剪强度由滑动面上土的黏聚力〈阻挡剪切）和土的内摩阻力两部分组成.内摩擦角大小取决于上粒间的摩阻力和连锁作用，内摩擦角反映了土的摩阻性质。
黏聚力是黏性上的特性指标，黏聚力包括上粒间分子引力形成的原始黏聚力和上中化合物的胶结作用形成的固化黏聚力。
因而内摩擦角与黏聚力是土抗剪强度的两个力学指标。
上的抗剪强度指上对剪切破坏的极限抵抗能力，丄体的强度问题实质是上的抗剪能力问题。
土的抗剪强度指标——内摩擦角（P、黏（内）聚力C上的内摩擦角（。
）C-±的粘聚力（KPa）A C与上的性质有关，还与实验方法、实验条件有关。
因此，谈及强度指标时，应注明它的试验条件。
（直剪实验、三轴剪切试验等）土的抗剪强度第一节概述建筑物由于上的原因引起的事故中，一部分是沉降过大，或是差异沉降过大造成的：另一方面是由于上体的强度破坏而引起的。
对于土工建筑物（如：路堤、上坝等）来说，主要是后一个原因。
从事故的灾害性来说，强度问题比沉降问题要严重的多。
而上体的破坏通常都是剪切破坏；研究上的强度特性，就是研究土的抗剪强度特性。
①上的抗剪强度（“）：是指土体抵抗抗剪切破坏的极限能力，英数值等于剪切破坏时滑动的剪应力.②剪切而（剪切带）：上体剪切破坏是沿某一而发生与剪切方向一致的相对位移，这个而通常称为剪切而。
其物理意义:可以认为是由颗粒间的内摩阻力以及由胶结物和朿缚水膜的分子引力所造成的粘聚力所组成.无粘性上一般无连结，抗剪强度主要是由颗粒间的摩擦力组成，这与粒度、密实度和含水情况有关.粘性丄颗粒间的连结比较复杂，连结强度起主要作用，粘性突的抗剪强度主要与连结有关。
决上土的抗剪强度因素很多，主要为:上体本身的性质，土的组成、状态和结构;而这些性质又与它形成环境和应力历史等因素有关：此外，还决泄于它当前所受的应力状态。
土的抗剪强度主要依靠室内经验和原位测试确圧，试验中，仪器的种类和试验方法以及模拟上剪切破坏时的应力和工作条件好坏，对确泄强度值有很大的影响。
土的抗剪强度试验 计算公式
土的抗剪强度试验计算公式土的抗剪强度是土体在受到剪切力作用下的抵抗能力，是土体力学性质的重要指标之一。
它描述了土体在承受剪切力时的强度和变形特性，对于土工工程的设计和施工具有重要意义。
本文将介绍土的抗剪强度试验及其计算公式，为读者提供相关知识。
1. 引言土的抗剪强度是指土体在受到剪切力作用下所能承受的最大剪切应力。
土的抗剪强度试验可以通过直剪试验来进行，该试验是一种常用的土力学试验方法。
2. 直剪试验原理直剪试验是将土样从中间切割，然后施加垂直于切割面的剪切力，通过测量土样的应力和应变关系来确定土的抗剪强度。
直剪试验可以分为无侧限直剪试验和有侧限直剪试验两种方式。
3. 无侧限直剪试验无侧限直剪试验是将土样放置在剪切箱中，施加垂直于土样截面的剪切力，使土样发生剪切变形。
通过测量应变和应力，可以计算出土的抗剪强度。
无侧限直剪试验的计算公式如下：土的抗剪强度 = 剪切力 / 土样截面积4. 有侧限直剪试验有侧限直剪试验是将土样放置在剪切箱中，通过在土样周围施加侧限力，使土样在剪切过程中保持侧限状态。
通过测量应变和应力，可以计算出土的抗剪强度。
有侧限直剪试验的计算公式如下：土的抗剪强度 = 剪切力/ 2πrh其中，r为土样的半径，h为土样的高度。
5. 直剪试验的步骤进行直剪试验时，需要按照以下步骤进行：（1）准备土样：选择代表性的土样进行试验，根据需要的剪切面积和形状，制备土样。
（2）安装土样：将土样放置在剪切箱中，确保土样的稳定和垂直。
（3）施加剪切力：通过加载装置施加垂直于土样截面的剪切力。
（4）测量应变和应力：使用应变计和应力计等仪器，测量土样的应变和应力。
（5）计算抗剪强度：根据测量数据，使用上述的计算公式，计算出土的抗剪强度。
6. 结论土的抗剪强度是土体在受到剪切力作用下的抵抗能力，直剪试验是一种常用的土力学试验方法。
通过测量土样的应变和应力，可以计算出土的抗剪强度。
无侧限直剪试验和有侧限直剪试验是两种常见的直剪试验方式。
土力学 第6章抗剪强度
4、直剪试验的优缺点
优点：直接剪切仪构造简单，操作方便等 缺点：
①限定的剪切面； ②剪切面上剪应力分布不均匀； ③在计算抗剪强度时按土样的原截面积计算的； ④试验时不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水
压力
二、三轴试验
1. 三轴压缩仪组成
压力室
周围压力系统 轴向加荷系统
有机玻璃罩
孔压量测系统
c
摩尔圆与抗剪强度包线之间的关系
摩尔应力圆与抗剪强度包线之间的关系有三种：
（1）整个摩尔圆位于抗剪强度包线的下方——平衡状态 （2）摩尔圆与抗剪强度包线相切（切点为A）——极限平衡状态 （3）摩尔圆与抗剪强度包线相割——破坏状态
2、摩尔—库仑破坏准则
根据Mohr-Coulomb破坏理论，破坏时的 Mohr应力圆必定与破坏包线相切。
3. 强度包线
分别作围压为100 kPa 、 200kPa 、300 kPa的三轴试验， 得到破坏时相应的（1-)f
1- 3
绘制三个破坏状态的应力摩尔圆， 画出它们的公切线——强度包线， 得到强度指标 c 与
1 =15% 1
强度包线
c
(1-)f (1-)f
• 四、土的强度理论
• 滑裂面上的剪应力达到极限值。 （注：与最大剪应力理论不同）
土的抗剪强度定义
土体抵抗剪切破坏的极限能力。
剪切破坏时滑动面上的剪应力。
工程应用
边坡的稳定性由强度控制； 土压力的计算； 地基的承载力需通过强度确定。
土力学研究内容
基础 物理性质
先导 土中 应力
核心 渗透特性 变形特性 强度特性
试验装置——应变控制式和应力控制式
2、试验分类
第四节 土的抗剪强度
2. 三轴固结试验
优点：能控制排水条件、受力状态明确、剪切面不固 定、能准确测定土的孔隙压力变化及体积变化； 分类：排水条件的不同（不固结不排水剪UU、固结不 排水剪CU、固结排水剪CD）
试验过程：施加围压
液压；对于一个样试验结 果为主应力差与与轴向应变之间的关系，取峰值或 稳定值作为破坏点；同一种土取3-4个具有相同密度 和含水量的试样分别在不同的围压下进行重复试验； 绘制极限应力圆和强度包线，读出土的抗剪强度参 数内聚力和内摩擦角。
该函数是一条曲线，称为莫尔包线。
土的莫尔包线通常可以近似地用直线代替，该直 线方程就是库伦公式表示的方程。由库伦公式表示莫 尔包线的强度理论称为莫尔-库伦强度理论。。 对于平面问题，当土体中任意一点受到两个主应 力为σ1和σ3(σ1＞σ3)，在某一平面mn上的剪应力达 到土的抗剪强度时，就发生剪切破坏，我们现在的问 题是确定该面上的正应力σ、剪应力τ。
土体的破坏： 首先是从局部开始，发展贯通、最终导致土体的整体破坏。 土的抗剪强度： 是由土的内摩擦角φ和内聚力C两个指标决定。对于高层建 筑地基稳定性分析、斜坡稳定性分析及支护等问题，c、φ值是 必不可少的指标。 土的抗剪强度的机理： 无粘性土一般没有粘结力，抗剪力主要由颗粒间的滑动摩 擦以及凹凸面间镶嵌作用所产生的摩擦力组成，指标“内摩擦 角φ”值的大小，体现了土粒间摩擦力的强弱，也反映了土的抗 剪能力； 粘性土的抗剪力不仅有颗粒间的摩擦力，还有相互粘结力， 不同种类的粘性土，具有不同的粘结力，指标“内聚力c”值的 大小，体现了粘结力的强弱。因此，对于粘性土的抗剪能力， 由内摩擦角φ和粘聚力 c 两个指标决定。我们把土的抗剪能力 称为土的抗剪强度。
1776又提出适合粘性土的普遍形式：
上两式统称为库仑公式。C、 φ抗剪强度指标。
土的抗剪强度理论
土的抗剪强度理论
土的抗剪强度理论主要有两种：摩尔-库伦理论和塔努达克斯理论。
1. 摩尔-库伦理论：
摩尔-库伦理论是最广为接受的土的抗剪强度理论之一。
它假设土体是由许多颗粒组成的,这些颗粒之间存在着一定的内摩擦力。
当土体受到剪切力作用时,土体内部就会发生剪切破坏,这时剪切破坏面的形状就取决于内摩擦角。
摩尔-库伦理论的公式为：
τ = c + σ tanφ
其中,τ为土体的抗剪强度； c为土体的内聚力；σ为剪应力,即水平方向的应力；φ为土体的内摩擦角。
2. 塔努达克斯理论：
塔努达克斯理论通过分析土体内部的颗粒间力学作用关系,将土体分成多个不同的区域,每个区域内部存在着不同的应力状态和内部摩擦力。
塔努达克斯理论认为,土体的强度与颗粒之间的粘结力和内摩擦力有关。
其公式为：
τ = c' + σ tan(φ'-α)
其中,τ为土体的抗剪强度；c'为粘聚力；σ为剪应力,即水平方向的应力；φ'为土体的内摩擦角；α为土体颗粒的倾斜角。
这两种理论在工程实践中都有应用,选择哪种理论需要根据具体情况考虑。
第四节土的抗剪强度.
一. 土的强度应用 地基由岩土组成，地基在外荷载作用下将产生剪应力和剪应 变，土体抵抗剪切破坏的能力，相应于剪应力的增加逐渐发挥， 当剪阻力发挥到极限时，土就处于剪切破坏的极限状态。 土是由固体颗粒组成的，土粒间的连结强度远远小于土粒 本身的强度。在外力作用下土粒之间发生相互错动，引起土中 的一部分相对另一部分产生滑动。土粒间抵抗这种滑动的能力， 称为土的抗剪强度。 二. 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能力。工程设 计中，对于地基首先应该满足强度要求，其后是设计满足地基 变形条件。
该函数是一条曲线，称为莫尔包线。
土的莫尔包线通常可以近似地用直线代替，该直 线方程就是库伦公式表示的方程。由库伦公式表示莫 尔包线的强度理论称为莫尔-库伦强度理论。。 对于平面问题，当土体中任意一点受到两个主应 力为σ1和σ3(σ1＞σ3)，在某一平面mn上的剪应力达 到土的抗剪强度时，就发生剪切破坏，我们现在的问 题是确定该面上的正应力σ、剪应力τ。
土体的破坏： 首先是从局部开始，发展贯通、最终导致土体的整体破坏。 土的抗剪强度： 是由土的内摩擦角φ和内聚力C两个指标决定。对于高层建 筑地基稳定性分析、斜坡稳定性分析及支护等问题，c、φ值是 必不可少的指标。 土的抗剪强度的机理： 无粘性土一般没有粘结力，抗剪力主要由颗粒间的滑动摩 擦以及凹凸面间镶嵌作用所产生的摩擦力组成，指标“内摩擦 角φ”值的大小，体现了土粒间摩擦力的强弱，也反映了土的抗 剪能力； 粘性土的抗剪力不仅有颗粒间的摩擦力，还有相互粘结力， 不同种类的粘性土，具有不同的粘结力，指标“内聚力c”值的 大小，体现了粘结力的强弱。因此，对于粘性土的抗剪能力， 由内摩擦角φ和粘聚力 c 两个指标决定。我们把土的抗剪能力 称为土的抗剪强度。
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4.2.2 黏聚力
1. 2. 3. 4. 5. 静电引力 电磁引力 颗粒间的胶结 颗粒间接触点的化合价键 表观的（假）黏聚力
4.2.1 摩擦强度
1.固体颗粒间的滑动摩擦
N
T N tan
μ
T
图4－7 滑动摩擦 1)固体表面的“纯”滑动摩擦 2)其中N 正压力， 3)T 为剪切力， 4)μ为摩擦系数， 5)u为滑动摩擦角。 可见：摩擦力T 正比于正压力N； 两物体间摩擦阻力与物体尺寸无关。
黏聚力总结 黏聚力都是来源于颗粒间由于各种土内部吸引 而产生的正应力。而抗剪强度则是由于这些吸 引力而产生的粒间的摩擦。有人认为这种黏聚 抗剪强度来源于“内部压力”产生的摩擦力。 据测试分析表明，粒间吸引力引起的黏聚力较 小，化学胶结力是黏聚力的主要部分。
各种黏聚力的数值范围
图4－16
光滑表面的真实的固体表面
图4－8 固体接触表面的微观情形
即使是极光滑的表面：起伏 在10nm~100nm之间（纳米， 10-9m），不平处的坡度为 120°~175° 对于看似光滑的石英矿物 表面其凹凸不平可达到500nm 一些松散矿物颗粒表面不 平度可超过这个尺度10倍以 上 存在不规则表面的咬合和 “自锁” 作用和分子层次的 作用力。
3. 颗粒间的胶结
1) 它们包括碳、硅、铅、铁的氧化物和有机 混合物。
2) 这些胶结材料可能来源于土料本身，亦即 矿物的溶解和重析出过程；也可能来源于 土中水溶液中。 3)由胶结物形成的黏聚力可达到几百kPa。 4) 这种胶结不仅对于黏土，而且对于砂土也 会产生一定的黏聚力，即使含量很小，也 明显改变了土的应力应变关系及强度包线。 也是土的结构性的主要原因。
4.2 土的抗剪强度的机理
摩擦强度 tan 与黏聚（力）强度 c 一般不可能将二者截然分开。其表现形 式与实际机理往往不一致，例如： 砂石土的咬合与毛细吸力 —表现为（假）黏聚力 正常固结黏土强度包线过原点 —（假）摩擦力
f c tan
饱和黏土u=0，cu：实际存在摩擦力
4.2 土的抗剪强度的机理 4.2.1 摩擦强度
图4－10 不平表面吸附膜的影响
N Ac [ m (1 ) c ]
T Ac m (1 ) c
吸附膜的τc要比固体间τm小得多。所以清洁与否十分重要
不同情况下石英表面的滑动摩擦系数。
光洁
1.0
没有化学清洁的
一般清洁
清 洁
0.4
非常清洁
表面由于吸附膜 的润滑作用，抛 光表面摩擦角很 小
N
T
Ac 图4- 9 粗粒土的实际接触面积
y：材料（矿物） 的屈服应力
m：材料抗剪强度
摩擦系数
Ac
N y
T Ac m
T m N y
由于实际接触面积很小，局部压力很大，会使材料达到屈服；由于 距离是单分子的尺度，形成吸附引力；可能使局部矿物产生重结晶。
不平表面吸附膜的影响（颗粒表面不清洁）
2
几点结论
1)剪胀提高了抗剪强度；剪缩（负剪胀）减少了抗剪强度； 2) 颗粒的破碎与重定向排列需要额外作功，也增加了土的 抗剪强度。但由于颗粒破碎与重排列减少了土产生剪胀 的可能性，甚至会发生剪缩； 3)在高围压下，颗粒破碎量大，很难发生剪胀； 从这个角度来看，颗粒的破碎和重排列减少了土的剪胀， 与不发生颗粒的破碎和重排列相比，实际上减少了土的摩 擦强度。
3
1 3 f
2
tan 45
2
f
tan 45
2
1 3 r
v 1
r
2 v 1
（4） （5）
Hale Waihona Puke 有剪胀比无剪胀时内摩擦角大，强度增加！
图4－15 土的强度及其影响因素 剪胀（缩） 3 3 滑动＋剪胀＋颗粒 破碎及重排列
1
单纯滑动 摩擦
图4－13 颗粒间的咬合摩擦
咬合的三种结果
剪胀
折断，破碎 定向与重排列
颗粒的破碎
3=13.7MPa高围压下
密砂三轴试验破坏后， 砂的孔隙比e=0.37，明 显小于初始（最小） 孔隙比(0.61)。
试验前后的级配曲线-颗粒的破碎
小于某粒径颗粒的含量/%
100 80 60 40 20 0 10 1 0.1 0.01 试验前 试验后 0.074
12.4° 12° 10.2° 4~10°
粘 土 矿 物
高岭石 伊里石 蒙脱石
图4－11 常见矿物的滑动摩擦角
一般状态下石英砂：μ≈0.5， ≈ 26°
4.2.1 摩擦强度
2.咬合摩擦
1)颗粒间的咬合： 2)微观现象：颗粒的提升、错动、转动、拔出、断裂、接 触点的破损…… 3) 宏观现象：剪胀、破碎、定向和重排列—提高抗剪强度
粗糙表面受清洁
与否影响较小 水中，不清洁 干燥，不清洁 粗糙
在饱和情况下， 由于水对吸附膜 的破坏，其滑动 摩擦角有所提高
图4－11 不同情况下石英表面的滑动摩擦系数
常 见 矿 物 的 滑 动 摩 擦 角
饱和石英 饱和长石
22~24.5° 28~37.6° 34.2°
非 粘 土 矿 物
饱和方解 石 饱和绿泥 石
4)颗粒的重排列往往会破坏土的原有结构，造成剪胀量减少。
4.2.2 黏聚力
1.静电引力（electrostatic attraction） 颗粒平面部分带负电荷，而两端边角处带正 电荷，异号电荷吸引； 黏土颗粒的边角与平面相对时，两个反号的 双电层相互作用而产生吸引力。
4.2.2 黏聚力
2. 范得华力.Van der Waals forces 它是分子间的引力。物质的极化分子与相邻 的另一个极化分子间通过相反的偶极吸引； 极化分子与非极化分子接近时，也可能诱发 后者。 只有很小的颗粒（<1μm，10-6m)，在很近 的时候它才会起作用。距离稍远它衰减很快， 可认为与颗粒距离的四次方成反比。
4. 颗粒间接触点的化合价键
当正常固结土在固结后再卸载而成为超固 结，其抗剪强度并没有随有效正应力的减 少而按比例减少，而是保留了很大部分的 强度。
在这个过程中由于孔隙比减少，造成在颗 粒间接触点形成初始的化合价键是重要原 因。 这种化合键主要包括离子键、共价键和金 属键，其键能很高。
5. 表观的黏聚力 机械咬合 毛细吸力 冰冻等
粒径/mm
三轴剪胀
假设 D
1
d v d 1
D>1:有剪胀 D=1:无剪胀 a.无剪胀时：外力作功
wr 1 1 3 r
b.有剪胀：外力作功增加 图4－14 剪胀模型
（1）
1 1 3 r v 3
wf 1 1 3 f wr v 3
（2）（体胀 <0)
v
wr 1 1 3 r
围压对体变有阻力
（1）
wf 1 1 3 f 1 1 3 r v 3
（2） （3）
1 3 f 1 3 r
如 相等：
v 1