若在黏結土中切取一圓柱體並使其承受法向壓力 P(圖 1),圓柱體內將出現新的應力,即垂直壓應力 σ 與水平剪應力。若逐步增加壓力 P,過一段時間後圓柱體上會出現斜裂縫,隨即圓柱體發生破壞。破壞瞬間,圓柱體在壓力 P 作用下沿最小阻力的剪切面 N-N 發生剪切破壞。

圖 1。壓力對從凝聚性土中取出的圓柱體的作用
土體在破壞瞬間對作用力 P 所提供的阻力稱為土的剪切阻力,而與水平面形成最小阻力平面的傾角 α 稱為 土體最小剪切阻力平面的角度。
結合土的剪切阻力由兩個基本阻力組成:固體顆粒之間的 內摩擦,以及將固體顆粒黏結在一起的凝聚力。土壤的抗剪強度被認為等於破壞瞬間的最大剪應力,並以方程式表示
τf = c + σ tg_φ_
其中:τf 為土的剪切強度 [kp/cm2],
c 土壤黏聚力 [kp/cm3],
σ 土壤法向應力 [kp/cm3],
φ 土壤內摩擦角。
上式由法國人 Coulomb 於 1785 年提出。依此式,對於給定土壤,黏聚力 c 為常數且與法向壓力無關,而摩擦阻力 σ tg_ϕ_ 與應力 σ 正成比例。實際上,對於給定土壤,黏聚力 e 並非常數;它在某種程度上也取決於法向應力 σ,因為在該壓力作用下,包覆固體顆粒的水膜厚度減小,從而使黏聚力增加。Coulomb 公式適用於透水性土壤,在這些土壤中,在法向壓力作用下,孔隙水可無阻力被擠出,這是碎石土和砂土的情況,但不適用於黏結土,因其透水性較低,孔隙水難以排出,並在荷載 P 作用下殘留為受壓孔隙水。
土中的有效應力與中性應力

圖 2。土中的有效應力與中性應力
如果在容器底部放入一份土樣,例如乾砂,並以某種重量加載,例如重量為 W 的鉛彈,則此重量的全部載荷將由土壤的固體顆粒承受。作用於試樣表面的比壓 p0 = W/A,單位為 kp/cm3,其中 A 為試樣截面積,會使試樣沉降,即降低其孔隙率;同時也會引起試樣其他物理性質的變化,例如抗剪強度提高、壓縮模量提高等。作用於顆粒接觸面的壓力稱為 有效 或 顆粒間壓力 σ’。當完成固結,即試樣在荷載 p0 下不再沉降時,有效壓力即等於在所觀察土層深度處的總比壓。在此情況下,在圖 2 所示試樣表面下方的深度處,σ’ = W/A + hzγ,其中 γ 為試樣的容重。
然而,若將容器中的試樣改以水加載至高度 h,且水已充滿試樣的所有孔隙,則試樣上方水柱壓力 hγw(其中 γw 為水的容重)不會引起試樣沉陷與孔隙率降低,也不會提高其抗剪強度與壓縮模量。因此,靜水壓力 hγw 稱為 中性壓力。以 u 表示的中性壓力,會以各方向相同的強度透過試樣傳遞。此壓力不會導致抗剪強度增加,因為水本身並不具有任何抗剪強度。
因此,有效應力 σ’ 是經由土壤固體顆粒之間的接觸面傳遞,而中性壓力 u 則是經由孔隙中的水傳遞。若容器下部充滿一個已飽和的土樣,其體積重為 γz,而在土樣表面以上直到水位 N 的部分,容器內充滿體積重為 γw 的水,則土樣中任一點的總應力 σ 為 σ = σ’ + u.
在深度 hz 處,位於試樣表面下方的有效壓力為 σ = σ’ - u
其中 σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
因此,σ’ = hz γ’
γ’ 是浸沒於水中的土壤單位重。
土壤抗剪強度通式
如果對黏結土施加荷載 P,該荷載將引起土體沉降,並且首先在其作用下將孔隙中的空氣擠出,因此不久後孔隙中只剩下水。由於黏結土滲水性很小,水不可能立即被擠出,因此它作為受壓水留在孔隙中,並在初期承受全部外荷載 P。隨著時間推移,在荷載 P 作用下,孔隙水開始被擠出,固體顆粒逐漸靠攏,並開始承受荷載 P 的一部分。此時有 τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ 其中 σ 為荷載 P 產生的總壓力,u 為孔隙水壓力。
孔隙水壓 u 受多種因素影響,例如固結的時間歷程、土壤滲透性、土荷載大小等。土壤抗剪強度取決於孔隙水壓,並在 u=0 時最大,此時土壤發生固結。
土壤的膠體活性
土壤內部阻力要素 黏聚力 與 摩擦 可能不同,且在很大程度上取決於土壤固體顆粒的粗細以及其塑性特性。為了確定黏聚力相對於黏性土內部摩擦阻力的影響,Skempton 提出了土壤膠體活性 K_P 的概念,其以塑性指數 IP 與小於 0,002 mm 的顆粒含量(占整體質量百分比)之比來表示。據此採用下列準則(圖 3):

圖 3。 土壤的膠體活性
對於 KP < 0,75 為非活性黏土,
對於 KP = 0,75 – 1,25 為正常黏土,
對於 Kp > 1,25 的活性黏土。
隨著 KP 增加,黏聚力相對於黏性土內摩擦的影響也隨之增大。
土壤敏感性
如果在黏性土中取出直徑 3—3,4 cm、高度約 5 cm 的圓柱體,並對其施加法向荷載,則在圓柱體破壞時可得到未受擾動狀態下土壤的抗壓強度 σ__ₙ:
σn = P/A,單位 kp/cm2,
其中 A 為圓柱的橫截面。
完成試驗後,將破壞的試樣移開,並使用同一個圓筒模具重新製作相同尺寸的圓柱,且其含水量保持與前一次試驗時相同。接著在壓實後立即再次對該圓柱進行試驗,以求得擾動狀態下土體的抗壓強度 σ__ₚ.
敏感性(sensitivitet)S__ₜ 是未擾動狀態下的抗壓強度與擾動狀態下的抗壓強度之比:St = σn/σp,
根據一項準則,敏感性 S__ₜ 的評定如下:
- 對於 S__ₜ = 1 — 2,黏土靈敏度較低,
- 對於 S__ₜ = 2 — 4 為黏土的中等敏感性,
- 對於 S__ₜ = 4 — 8,黏土具有很高的敏感性,
- 對於 S__ₜ > 8 屬於過敏感黏土。
在自然界中會出現這種情況:由於機械作用,例如地震,黏土突然失去其強度,而在靜止狀態下又重新獲得強度。這一性質稱為 土的觸變性。 許多黏土在某種程度上具有觸變特性。挪威、瑞典和芬蘭曾有因觸變黏土流出而導致開挖邊坡滑動的案例,調查證實在此過程中黏土的含水量並未改變,也就是說,黏土在流出前後的含水量保持不變。