摘要：土的抗剪强度指标c、φ值，是土体的重要力学性质指标，并在公路、铁路、机场、港口、隧道和工业与民用建筑方面得到广泛应用，常用到挡土墙、桩板墙、斜坡稳定以及地基基础等各种工程设施的设计中，例如土压力计算、斜坡稳定性评价、滑坡推力计算，铁路和公路软土地基的稳定性、地基承载力的计算等等。而直接剪切试验是测定土的抗剪强度指标最常用的一种试验方法。它的优点是具有仪器设备简单、操作方便等。
关键词：抗剪强度；直接剪切；工程应用
土的强度是指一部分土体相对于另一部分土体滑动时的抵抗力，实质上就是土体与土体之间的摩擦力。对于抗剪强度，它是指土体受抗剪切破坏作用时具有的极限能力，数值与剪切破坏发生时的剪应力相等；对于剪切面，它是指土体发生剪切破坏时，在某一面上产生的，和剪切方向完全相同的位移。
土的抗剪强度，首先决定于它本身的性质，即土的组成，土的状态和土的结构，这些性质又与它形成的环境和应力历史等因素有关；其次还决定于它当前所受的应力状态。它是由颗粒之间的内摩擦角及由胶结物的束缚水膜的分子引力所产生的粘聚力两个参数组成。
按常用的试验仪器可将剪切试验分为直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验和十字板剪切试验四各。但直接剪切试验是测定土的抗剪强度的一种常用方法，可提供地基强度计算和稳定分析所需的土的抗剪强度参数，内摩擦角和粘聚力。
1、直接剪切试验
1.1试验仪器与基本原理
直剪试验所使用的仪器称为直剪仪，按加荷方式的不同，直剪仪可分为应变控制式和应力控制式两种，前者是以等速水平推动试样产生位移并测定相应的剪应力；后者则是对试样分级施加水平剪应力，同时测定相应的位移。目前常用的是应变控制式直剪仪（图1）。
试验时，垂直压力由杠杆系统通过加压活塞和透水石传给土样，水平剪应力则由轮轴推动活动的下盒施加给土样。土体的抗剪强度可由量力环测定，剪切变形由百分表测定。在施加每一级法向应力后，匀速增加剪切面上的剪应力，直至试件剪切破坏。
图1 应变控制式直剪仪示意图
将试验结果绘制成剪应力和剪切位移的关系曲线（见图2）。一般地，将曲线的峰值作为该级法向应力下相应的抗剪强度τf。
图2 剪应力与剪切位移关系曲线
变换几种法向应力σ的大小，测出相应的抗剪强度τf。在σ-τ坐标上，绘制曲线，即为土的抗剪强度曲线，也就是莫尔-库伦破坏包线，如图3所示。
无粘性土 粘性土
图3抗剪强度与垂直压力关系曲线
1.2库仑定律
当法向应力发生的变化较小时，对于抗剪强度，它和法向应力之间的关系与直线相类似，此即为库仑定律。
对于无粘性土，其抗剪强度可采用以下公式计算：
（1）
对于粘性土，其抗剪强度可采用以下公式计算：
（2）
式（1）、（2）中，
表示抗剪强度，单位：kPa；
表示法向压力，单位：kPa；
表示内摩擦系数；
表示内摩擦角，单位：°；
表示内聚力，单位：kPa；
表示内摩擦力。
从库伦定律可知，抗剪强度主要由两部分组成，分别为内摩擦力与内聚力；内摩擦力和法向应力为正比关系，比值即为
；内摩擦角与内聚力均可对抗剪强度予以表征。
对于无粘性土，其内聚力为零，内摩擦角由土粒粗糙度及交错排列决定，当粗糙度较大时，棱角和密实度就越大，使内摩擦系数明显增大。而对于粘性土，其内聚力主要由土粒连结程度决定[1]。
1.3试验方法分类
为了在直剪试验中能尽量考虑实际工程中存在的不同固结排水条件，通常采用不同加荷速率的试验方法来近似模拟土体在受剪时的不同排水条件，由此产生了三种不同的直剪试验方法，即快剪、固结快剪和慢剪。
（1）快剪。快剪试验是在土样上下两面均贴以腊纸，在加法向压力后即施加水平剪力，使土样在3~5分钟内剪坏，由于剪切速率较快，得到的抗剪强度指标用cq、φq表示。
（2）固结快剪。固结快剪是在法向压力作用下使土样完全固结。然后很快施加水平剪力，使土样在剪切过程中来不及排水，得到的抗剪强度指标用ccq、φcq表示。
（3）慢剪。慢剪试样是先让土样在竖向压力下充分固结，然后再慢慢施加水平剪力，直至土样发生剪切破坏。使试样在受剪过程中一直充分排水和产生体积变形，得到的抗剪强度指标用cs、φs表示。
2.工程中常见的强度问题
（1）土作为土工结构物的稳定性问题
如人工筑成的路堤，土坝的边坡以及天然土坡等的稳定性问题。
（2）土作为工程结构的环境的问题
即土压力问题。这和边坡稳定问题有直接联系，若边坡较陡不能保持稳定，又由于场地或其他条件限制而不允许采用平缓边坡时，就可以修筑挡土墙来保持力的平衡。这类工程问题如挡土墙、桥台、地下隧道等。
（3）土作为建筑物的地基问题，即地基承载力的问题。
随着我国现代化建设过程中，建筑物荷载越来越大，地基承载力确定就变的至关重要。建筑物因土方面的原因产生的事故，其一部分为沉降较大，或发生差异沉降，而另一部分为土体强度破坏。从土工建筑物角度讲，其因土方面的原因产生的事故，以后者为主。此外，就事故灾害性而言，强度问题远比沉降重要，产生的危害性也较大且影响范围广。对于土体的破坏，一般以剪切破坏为主，故对土强度特性进行的分析研究，实际上就是探究其抗剪强度。
综上所述，土的抗剪强度是工程地基设计中必须考虑的因素，因为它决定了地基发生破坏的极限强度。因此，在岩土工程中，必须根据土体类型，通过试验确定土的抗剪强度，以此为保证地基结构安全提供可靠参考依据。
参考文献
[1]黄繁昌,曾雪松,吴彬.不同含水率下黏土抗剪强度指标与标准贯入击数相关分析[J].中国勘察设计,2017(05):90-93.
作者简介
魏妙萍，女，1991年，汉族，广东梅州市人，本科，助理工程师，研究方向：地质实验测试（土工实验）。
论文作者:魏妙萍
论文发表刊物:《基层建设》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/11
标签：强度论文; 应力论文; 内聚力论文; 粘性论文; 位移论文; 压力论文; 地基论文; 《基层建设》2019年第2期论文;