房屋建筑工程中土的抗剪强度简析

孙慧

摘要：建筑物由于地基土的原因引起的工程事故中，一方面是由于土体的沉降或沉降差过大造成的，另一方面是由于土体的剪切破坏而引起的。从事故的灾害性来说，强度问题比沉降问题要严重的多。而土体的破坏通常都是剪切破坏，研究土的强度特性，就是研究土的抗剪强度特性。

关键词：抗剪强度;内摩擦力;内聚力

1.土的抗剪强度的基本概念

大量的试验研究与对破坏土体的实际观察分析表明，土体的破坏形式除渗透破坏外，都属于强度破坏。如基坑和堤坝的滑坡﹑建筑物地基失稳﹑挡土墙的倾斜或滑动等，都是由于土体中某些面上的剪应力超过了土体本身的抗剪强度，引起剪切破坏所致。一旦土体发生剪切破坏，剪切破坏面两侧的土体就会发生较大的相对位移，形成一个滑动面，这种由一部分土体相对于另一部分土体产生滑动破坏的现象也称土体丧失了稳定性。

①土的抗剪强度（τf）：是指土体抵抗抗剪切破坏的极限能力，其数值等于剪切破坏时滑动的剪应力。

②剪切面（剪切带）：土体剪切破坏是沿某一面发生与剪切方向一致的相对位移，这个面通常称为剪切面。

土的抗剪强度又与一般材料的抗剪强度不同，因为土是松散颗粒的集合体，它的破坏主要表现在土粒间的联结强度受到破坏，土粒本身的破坏一般较少考虑;其次，土的抗剪强度是随剪切面上所受的法向应力σ而变，不是一个常数，这是土区别与其他建筑材料的一个重要特征。

2.土的抗剪强度规律——库仑定律

1）土的库仑定律

1776年，法国学者库侖（C·A·Coulomb），通过对砂土体进行大量的试验研究得出，土的抗剪强度的表达式为：

式中：σ：剪切面的法向压力，Kpa;

：土的内摩擦系数;

φ：土的内摩擦角，度;

σtgφ：内摩擦力。

后来又通过试验进一步提出了黏性土的抗剪强度表达式：

粘性土：

式中：c：土的内聚力，Kpa。

在法向应力变化范围不大时，抗剪强度与法向应力的关系近似为一条直线，这就是抗剪强度的库仑定律。

库仑定律说明：（1）土的抗剪强度由土的内摩擦力σtgφ和内聚力c两部分组成。

（2）内摩擦力与剪切面上的法向应力成正比，其比值为土的内摩擦系数tgφ。

（3）表征抗剪强度指标：土的内摩擦角φ和内聚力c。

粘性土的内聚力c取决于土粒间的连结程度;内摩擦力（σtgφ）较小。

根据库仑定律可以绘出库仑直线，其中库仑直线与横轴的夹角称为土的内摩擦角φ，库仑直线在纵轴上的截距c为内粘聚力。

由库仑定律可以看出，在剪切面上的法向应力σ不变时，试验测出的φ和c值能反映出土的抗剪强度的τf大小，故称φ和c为土的抗剪强度指标。但是抗剪强度指标φ和c不仅与土的性质有关，而且与测定方法有关。

2） 土的抗剪强度的构成

库仑定律还表明，无黏性土的抗剪强度由土的内摩擦力（σtgφ）构成，而黏性土的抗剪强度则由土的内摩擦角（σtgφ）和土的内粘聚力（c）构成。土的内摩擦力包括剪切面上土粒之间的表面摩擦力和由于土粒之间的相互嵌入、联锁作用产生的粒间咬合力。粒间咬合力是指当土体相对滑动时，将嵌在其它颗粒之间的土粒拔出所需要的力。一般土越密实，颗粒越粗，其φ值越大;反之，其φ值就越小。

3）影响土的抗剪强度的因素

影响土的抗剪强度的因素是多方面的，主要为土粒的矿物成分、形状、颗粒大小与颗粒级配，土的密度，含水率，土体结构的扰动情况，有效应力。

3.抗剪强度指标的测定方法

土的抗剪强度指标φ和c是通过剪切试验测定的，剪切试验方法一般分室内试验和现场试验两类。室内试验常用的仪器有直接剪切仪、三轴压缩仪、无侧限抗压强度仪等;现场试验常用的有十字板剪切仪等。

1） 直接剪切试验

直接剪切试验，通常简称直剪试验，它是测定土体抗剪强度指标最简单的试验方法。直剪试验所用的主要仪器为直剪仪，直剪仪构造简单，土样制备安装方便，操作方法便于掌握。但该试验存在以下缺点：剪切过程中试样内的剪应变分布不均匀，应力条件复杂，但仍按均匀分布计算，其结果有误差;剪切面只能人为地限制在上下剪切盒的接触面上，而不是沿土样最薄弱的剪切面剪切;试验时不能严格控制土样的排水条件;不能量测土样中孔隙水应力;剪切过程中土样剪切面逐渐减小，且垂直荷载发生偏心，而分析计算时仍按受剪面积不变考虑。

2） 三轴剪切试验

三轴剪切试验也称三轴压缩试验，是测定土的抗剪强度的一种较为完善的试验方法。与直剪试验相比，三轴剪切试验的优点是：试样中的应力分布比较均匀;试样破坏时剪切破坏面就发生在土样的最薄弱处，应力状态比较确定;试验时还可根据工程需要，严格控制孔隙水的排出，并能准确地测定土样在剪切过程中孔隙水压力的变化，从而可以定量地获得土中有效应力的变化情况。三轴试验可供在复杂应力条件下研究土的抗剪强度特性之用。

3） 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度试验是将正圆柱形土样放在无侧限压力仪中，在无侧限压力和不排水的情况下，对它施加垂直的轴向压力，当土样剪切破坏时所能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度qu。无侧限抗压强度试验相当于在三轴剪切仪上进行围压力σ3=0的不排水剪试验。由于σ3=0，试验结果只能作出一个莫尔极限应力圆（σ1=qu，σ3=0）。对于饱和软粘土，在三轴不固结不排水的剪切条件下，测出的抗剪强度包线为一条水平线，即φu=0，故可利用无侧限抗压强度试验来测定饱和软粘土的不排水抗剪强度指标cu值。

4.十字板剪切试验

十字板剪切试验是一种原位测定土的抗剪强度的试验方法，它与室内无侧限抗压强度一样，所测得的成果相当于不排水抗剪强度。十字板剪切试验所得成果也属于不排水抗剪强度cu。

商丘（除永城市外）大部分地区上部以粉土为主，夹粉质粘土薄层，承载力特征值fak=110～130，抗剪强度指标c=7～15，φ=15～25.一般承载力越大，c﹑φ值越大。

参考文献：

[1]张书丰，陆航，沈晓伟.大范围覆土严重卸载条件下的盾构隧道保护技术研究[J].中国安全生产科学技术，2017，13（12）：167.

[2]何淼，刘恩龙，陈亚军，等.不排水条件下轴向加卸载时结构性土的力学特性探讨[J].岩石力学与工程学报，2017，36（2）：466.

（作者单位：河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院）