巖土抗剪強度指標剖析

李全軍+葛鵬+臧一平

摘要：巖土體是自然界的產物，客觀上它既是空間的也是時間的函數，有其獨特的規律可循，土體結構、含水量、土粒的礦物成分、形狀、顆粒大小與顆粒級配等都對巖土體抗剪強度產生影響；巖土體抗剪強度與粘聚力C和內摩擦角φ成線性關系；土的抗剪強度室內試驗中，儀器的種類和試驗方法以及模擬土剪切破壞時的應力和工作條件好壞，對確定強度值有很大的影響。由此確定的抗剪強度參數也有其差異性、規律性。

關鍵詞：抗剪強度；粘聚力；內摩擦角；直剪試驗；三軸剪切試驗

巖土的強度不是礦物顆粒本身的強度而是顆粒間的相互作用——主要是抗剪強度（剪切破壞），由顆粒間的內摩察力以及由膠結物和水膜的分子引力所產生粘聚力共同組成。法國科學家庫侖（Coulomb，1773）根據試驗發現，在法向應力不大時，抗剪強度與法向應力的關系近似為一條直線，這就是抗剪強度的庫侖定律。砂土抗剪強度表達式，τf=σtanφ；粘性土的抗剪強度表達式：τf=c+σtanφ[1]。

一、抗剪強度的影響因素

對于無粘性土，其抗剪強度僅僅是粒間的摩擦力，而對于粘性土其抗剪強度由粘聚力和摩擦力兩部分組成。抗剪強度摩擦力σtanφ主要來自兩個方面：一是滑動摩擦，即剪切面土粒間表面的粗糙所產生的摩擦作用；二是咬合摩擦，即由粒間互相嵌入所產生的咬合力。因此，抗剪強度的摩擦力除了與剪切面上的法向應力有關以外，還與土的原始密度、土粒的形狀、表面的粗糙程度以及級配等因素有關。抗剪強度的粘聚力C一般由土粒之間的膠結作用和電分子引力等因素所形成，因此粘聚力通常與土中粘粒含量、礦物成分、含水量、土的結構等因素密切相關。

土的顆粒越粗，形狀越不規則、表面越粗糙，φ值越大，內磨擦力越大，抗剪強度也越高。粘土礦物成分不同，其粘聚力也不同。土中含有多種膠合物，可使C增大。

土的初始密度越大，土粒間接觸較緊，土粒表面摩擦力和咬合力也越大，剪切試驗時需要克服這些土的剪力越大，內磨擦角越大；粘性土的緊密程度越大，粘聚力c值也越大。

含水量的多少，對土抗剪強度的影響也十分的明顯。土中含水量大時，會降低土粒表面上的磨擦力，使土的內磨擦角值減小；粘性土含水量增高時，會使結合水膜加厚，因而也就降低了粘聚力。

土體結構的影響：擾動情況下粘性土的天然結構被破壞，其抗剪強度就會明顯下降，因此原狀土的抗剪強度高于同密度和含水量的重塑土。

二、土的抗剪強度試驗方法、指標參數的獲取

為了近似模擬土體在現場可能受到的受剪條件，根據試驗設備條件、技術能力，目前室內測定抗剪強度的試驗方法有直接剪切試驗、三軸壓縮試驗和無側限抗壓強度試驗[2]。

直接剪切試驗是通過采用不同的加荷速度來達到排水控制的要求。因此直接剪切試驗中對應不同的加荷速度分為三種不同試驗方法——快剪、固結快剪和慢剪。

依據排水情況的不同，三軸壓縮試驗也分為三種類型：即不固結不排水剪（UU），固結不排水剪（CU）和固結排水剪（CD）；直接剪切試驗具有儀器構造簡單，操作方便的優點以及我國長期習慣采用的優勢，但它同時具有不能控制排水條件、測不出剪切過程中孔隙水壓力的變化、剪切面人為固定以及剪切面上的應力分布不均等缺點，而三軸壓縮試驗都克服了以上缺點。

三、指標（參數）間關系規律性研究

土的抗剪強度主要依靠室內試驗和原位測試確定，試驗中，儀器的種類和試驗方法以及模擬土剪切破壞時的應力和工作條件好壞，對確定強度值有很大的影響。多年的巖土工程經驗以及大量數據的統計分析表明：

（一）直剪試驗中：固結快剪得到的指標大于直接快剪。淤泥質黏土、淤泥質粉質粘土的φ值變化較大，c值略有增大；粉土的φ值和c值變化都不大，粉質黏土當IL>0.25時，φ值變化較大，c值略有增大，當IL<0.25時，φ值和c值變化都不大[3]。

（二）三軸試驗中：由于固結不排水剪（CU）在排水固結過程中排水是三軸方向的，有利于土樣充分排水固結。淤泥質黏土經充分排水固結后，土樣的密度增大，粉土狀態變為密實；因此固結不排水剪（CU）得到的抗剪強度指標均大于不固結不排水剪（UU）。淤泥質粘土固結不排水剪（CU）φ值、c值變化都較大；粉土固結不排水剪（CU）的φ值都大于不固結不排水剪（UU）的φ值，而且c值變化更大。

（三）直剪固結快剪試驗比三軸固結不排水剪試驗所得的指標均較小。直剪固結快剪的固結排水是垂直方向的，而三軸固結不排水剪（CU）的固結排水是三軸方向的，排水更充分；而且剪切方法不同，固結快剪是在水平方向施加剪應力使試樣破壞，土樣的剪損面開始是固定的；三軸固結不排水剪（CU）是在周圍有壓力的情況下垂直方向施加主應力使土樣破壞，土樣的剪損面不是固定的，故其φ值和c值均有較大變化，粉質粘土和粘土差異性較小，粉土差異最大。

（四）直剪快剪比三軸不固結不排水剪試驗所得強度指標都偏大。直接快剪的剪切面是固定的，而剪切面積隨剪切位移的增加而減小，剪應力和剪應變分布都不均勻，且不能嚴格控制排水，部分水分從剪切盒縫隙排出，使得含水率較大的試樣內摩擦角φ值偏大。而三軸（UU）試驗的剪切面是不固定的，剪切面是沿著土樣抗剪能力最弱的面破壞，剪應力和剪應變分布均勻，而且能嚴格控制排水，試驗結果更接近于土樣的實際理論值。

結語：總之，三軸固結不排水剪強度指標均大于直剪固快強度指標；直剪固快強度指標均大于直剪快剪強度指標；直剪快剪強度指標大于三軸不固結不排水強度指標。各指標的變化幅度及差異性因土質、取樣的等級、試驗工作精細密度不同而有較大的變化。

參考文獻

[1]張克恭，劉松玉.土力學[M].1版.北京：中國建筑工業出版社，2001.

[2]GB/T50123-1999，土工試驗方法標準[S].

[3]吳秀勤.不同剪切試驗數據差異性比較[J].浙江建筑，2007，24（5）；28-31.