库仑定律在地基与基础中的应用

测定土的抗剪强度的方法很多，最简单的方法是直接剪切试验，简称直剪试验。试验的主要仪器是直接剪切仪，它分为应力控制式和应变控制式两种。试验中通常采用应变控制式直剪仪，它主要由剪力盒、垂直和水平加载系统及测量系统等部分组成，如图4-1所示。剪力盒分上下盒，试验时对齐上下盒，将土样放于盒内，并在土样上、下各放一块透水石，在加压板上施加垂直压力P，则土样受到垂直压应力为σ＝P/A（A 为土样面积）。随后在下盒施加水平力（均匀旋转手轮），使土样沿上下盒的分界面处受剪，当水平力增至T 时，土样发生剪切破坏，此时的极限剪应力τ＝T/A，即是土样在垂直压应力σ作用下的抗剪强度τf。

为了了解土的抗剪强度随垂直压应力的变化规律，试验时可取4 个相同土样，在不同的垂直压应力下剪切，这样，对应于不同的垂直压应力σ1、σ2、σ3、σ4，可以得到相应的抗剪强度τf1、τf2、τf3、τf4。将试验结果绘制成τfσ关系曲线，该曲线即为抗剪强度线，如图4-2所示。

τf-σ关系曲线称抗剪强度线，其表达式为

图4-1　直接剪切仪示意图

（a）直剪仪简图；（b）试样受剪情况

图4-2　抗剪强度与垂直压应力的关系曲线

（a）无粘性土；（b）粘性土

砂土(www.xing528.com)

粘性土

式中 tgφ——抗剪强度线的斜率，称土的内摩擦系数；

φ——抗剪强度线与水平线的夹角，称土的内摩擦角，一般砂土φ＝26°～40°，粘性土φ＝13°～28°；

c——粘性土抗剪强度线的纵截距，称土的粘聚力，一般c＝20～100kPa。

式（4-1）由法国学者库伦（1733年）提出，故称为库伦定律。由此可见，土的抗剪强度由土的内摩擦力σtgφ和粘聚力c 两部分组成，φ和c 是土的抗剪强度指标。砂土一般无粘聚力，只有内摩擦力，砂土的颗粒较粗，砂粒之间的摩擦和咬合作用构成砂土的摩擦力，因此，砂土的内摩擦角φ与它的颗粒级配、密实度及含水率等因素有关。粘性土的粘聚力主要来源是土粒间的分子引力和土粒间化合物胶结。前者称为原始粘聚力，后者称固化粘聚力。原始粘聚力随土的压密，土粒间的距离减小而增大；固化粘聚力随胶结物的结晶和硬化而增强，但当土的结构破坏，固化粘聚力即消失，且不能恢复，故在地基施工开挖时，应尽可能不要扰动地基土的天然结构。

抗剪强度指标φ、c 不仅与土的性质有关，而且与测定方法有关。同一种土体在不同条件下测出的强度指标也有所不同，但同一种土用同一方法测定的强度指标基本是相同的，因此，谈到强度指标φ、c 时，应注明它的试验条件。