如果在黏性土中切取一个圆柱体并使其承受法向压力 P(图 1),圆柱体内将出现新的应力,即竖向压应力 σ 和水平剪应力 。如果逐步增大压力 P,经过一段时间后,圆柱体上会出现斜裂缝,紧接着圆柱体就会破坏。在破坏时,圆柱体在压力 P 作用下,沿最小阻力剪切面 N-N 被剪断。

图 1。压力对从黏性土中取出的圆柱体的作用
圆柱体在破坏瞬间对力 P 作用所提供的土体阻力称为土体抗剪阻力,而与水平面成角 α 的最小阻力平面之倾角称为 土体最小抗剪阻力平面角。
胶结土的抗剪阻力由两个基本阻力组成:颗粒之间的 内摩擦,以及把固体颗粒结合在一起的黏聚力。土的抗剪强度被认为等于破坏瞬间的最大剪应力,并用公式表示
τf = c + σ tg_φ_
其中:τf 为土的抗剪强度 [kp/cm2],
c 土的黏聚力 [kp/cm3],
σ 土的正应力 [kp/cm3],
φ 土的内摩擦角。
上面的公式由法国人 Coulomb 于 1785 年提出。按照这一公式,对于给定土体,黏聚力 c 是常数,并且与法向压力无关,而摩擦阻力 σ tg_ϕ_ 与应力 σ 正比。实际上,黏聚力 e 对于给定土体并非常数,它在一定程度上也取决于法向应力 σ,因为在该压力作用下包围固体颗粒的水膜厚度减小,从而使黏聚力增加。Coulomb 公式适用于可渗透土,在法向压力作用下孔隙水可无阻力被挤出,这对砾石土和砂土是适用的,但对黏结土并不适用,因为黏结土渗透性差,孔隙水难以排出,并在荷载 P 作用下以受压孔隙水的形式滞留。
土中的有效应力与中性应力

图 2。土中的有效应力和中性应力
如果我们把一份土样放在容器底部,例如干砂,并用某种荷载对其施压,例如重为 W 的铅丸,则该重量的全部荷载将由土体固体颗粒承担。作用于试样表面的比压 p0 = W/A,单位为 kp/cm3,其中 A 为试样截面积,会引起试样沉降,即孔隙率降低,但也会使试样的其他物理性质发生变化,例如抗剪强度提高、压缩模量增大等。颗粒之间接触面上所承受的压力称为 有效 或 颗粒间压力 σ’。当固结完成,即试样在荷载 p0 作用下停止沉降时,有效压力等于所考察土层深度处的总比压。在这种情况下,在图 2 所示试样表面以下的深度处,σ’ = W/A + hzγ,其中 γ 为试样的容重。
然而,如果我们将容器中的试样不再用铅丸而改用水填至高度 h,并使其充满试样的所有孔隙,则试样上方水柱压力 hγw(其中 γw 为水的容重)不会引起试样沉降和孔隙率降低,也不会提高其抗剪强度和压缩模量。因此,静水压力 hγw 称为 中性压力。用 u 表示的中性压力通过试样向各个方向以相同强度传递。这种压力不会引起抗剪强度的增加,因为水本身没有任何抗剪强度。
因此,有效应力 σ’ 通过土中固体颗粒之间的接触面传递,而孔隙水压力 u 则通过孔隙中的水传递。若容器下部填充有饱和土样,其容重为 γz,而在样品表面以上直到 N 水位处容器内充满了容重为 γw 的水,那么样品内任一点的总应力 σ 将为 σ = σ’ + u.
在深度 hz、样品表面以下处,有效压力为 σ = σ’ - u
其中 σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
因此,σ’ = hz γ’
γ’ 是浸没于水中的土体的容重。
土体抗剪强度的一般方程
如果对黏结土施加荷载 P,该荷载将引起土体沉降,起初在其作用下孔隙中的空气被挤出,很快孔隙中只剩下水。由于黏结土的渗水性很小,水不能立即被排出,因此它作为受压孔隙水留在孔隙中,并在开始时承担全部外荷载 P。随后,在荷载 P 作用下,孔隙水开始被挤出,固体颗粒发生靠拢,此时它们承担荷载 P 的一部分。于是有 τf =c + (σ - u) tg_ϕ, 其中 σ 为荷载 P 产生的总压力,u 为孔隙水压力。
孔隙水压力 u 取决于多种因素,如固结的时间过程、土体渗透性、土荷载大小等。土的抗剪强度取决于孔隙水压力,当 u=0 时最大,此时土体发生固结。
土壤的胶体活性
土体内摩阻要素 黏聚力 和 摩擦 可以不同,并且在很大程度上取决于土中固体颗粒的粗细以及其塑性特征。为确定黏聚性土体中黏聚力相对于内摩擦阻力的影响,Skempton 引入了土体胶体活性 K_P 的概念,它由塑性指数 IP 与小于 0,002 mm 的颗粒含量(占全体重量百分比)之比表示。据此采用如下判据(图 3):

图 3。 土壤的胶体活性
对于 KP < 0,75 的为非活性黏土,
对于 KP = 0,75 – 1,25,为正常黏土,
对于 Kp > 1,25 的活性黏土。
随着 KP 的增大,黏聚力相对于黏性土内部摩擦的影响增大。
土壤敏感性
如果在黏性土中取出一个直径 3—3,4 cm、高度约 5 cm 的圆柱体,并对其施加法向荷载,那么在圆柱破坏时,我们将得到原状土的抗压强度 σ__ₙ:
σn = P/A,单位为kp/cm2,
其中 A 为圆柱体的横截面。
试验结束后,将破碎的试样移开,并用同一圆筒模具重新制成相同尺寸的圆柱体,同时保持其含水量与前一次试验时相同。然后在成型后立即对该重新制得的圆柱体重复试验,从而得到扰动状态下土体的抗压强度 σ__ₚ.
敏感性(sensitivitet)S__ₜ 是未扰动状态下抗压强度与扰动状态下抗压强度之比:St = σn/σp,
根据某一判据,敏感性 S__ₜ 评定如下:
- 对于 S__ₜ = 1 — 2,黏土的敏感性较低,
- 对于 S__ₜ = 2 — 4,黏土具有中等敏感性,
- 当 S__ₜ = 4 — 8 时,黏土的敏感性很高,
- 对 S__ₜ > 8 的土体来说是过敏感黏土。
在自然界中会出现这样的情况:由于机械作用,例如地震,黏土会突然失去其强度,而在静止状态下又重新获得这种强度。这种性质称为 土的触变性。许多黏土在一定程度上具有触变特性。挪威、瑞典和芬兰曾有因触变黏土流出而导致开挖边坡滑动的案例,经检测证实,在这一过程中黏土的含水量没有变化,即流出前后黏土含水量保持恒定。