在土力学中,土常被看作准均匀、准各向同性的连续介质。土的强度具有拉伸强度与压缩强度有显著差别的特点。由于土是一种碎散的颗粒材料,土颗粒矿物本身具有较大的强度,不易发生破坏,而土颗粒之间的接触面相对较弱,容易发生相对滑移,因此,土的强度主要由颗粒间的相互作用力决定,而不是由颗粒矿物的强度决定。这个特点决定了土的主要破坏形式是剪切破坏,其剪切强度主要用发生剪切破坏时的黏聚力和摩擦力来表征。其次,由于土的组成包含固、液、气三相,固体颗粒与液、气两相之间的相互作用对于土的强度有很大的影响。最后,土的地质历史造成其强度的多变性、结构性和各向异性等。因此,土的强度受到其内部和外部、微观和宏观等众多因素的影响。
剪切破坏是工程中土的主要破坏形式。例如,当堤坝的边坡太陡时,要发生滑坡。滑坡就是边坡上一部分土体相对于另外一部分土体的剪切破坏。地基受过大荷载的作用,也会出现部分土体沿着某一滑裂面挤出,导致建筑物严重下沉,甚至倾倒。土体中滑裂面的产生就是由于滑动面上的剪应力达到土的抗剪强度所引起的。
抗剪强度是土的主要力学性质之一。土是否达到剪切破坏,不仅取决于其自身性质,还与所受的应力组合密切相关。这种破坏时的应力组合关系就称为破坏准则。土的破坏准则是一个十分复杂的问题。
1776年,C.-A.de库仑在挡土墙的研究中提出了抗剪强度的公式,后称为库仑公式:
(1)
式中为剪切滑裂面上的剪应力的绝对值,即土的抗剪强度;
为摩擦强度,其大小正比于法向压应力
;
为土的内摩擦角;
为土的黏聚力,又称内禀抗剪强度,为法向压应力为零时的抗剪强度。将库仑公式表示在
-
坐标中为一条直线。由库仑公式可见,无黏性土的抗剪强度与剪切面上的法向压应力成正比,其本质是土粒之间的滑动摩擦以及凹凸面间的作用所产生的摩阻力,其大小决定于土粒表面的粗糙度、土的密实度以及颗粒级配等因素。黏性土的抗剪强度还有一部分是黏聚力,它来源于土粒之间的胶结作用和静电引力等因素。
实验表明,土的抗剪强度不仅与土的性质有关,还与排水条件、剪切速率、应力状态和应力历史等诸多因素有关,其中最重要的因素是排水条件。根据有效应力原理,土体内的剪应力只能由土的骨架承担,因此,土的抗剪强度应表示为剪切破坏面上的法向有效压应力的函数,库仑公式应表示为:
(2)
式中和
分别为土的有效黏聚力、法向有效压应力和有效内摩擦角。因此,土的抗剪强度有(1)、(2)两式所示的两种表达方式,前者称为总应力法,后者则为有效应力法。试验表明,土的抗剪强度取决于土粒间的有效应力。然而,总应力在应用上比较方便,故在工程上一直沿用。
1900年,C.O.莫尔提出材料的破坏是剪切破坏,当体内任意一点在某一平面上的剪应力等于材料的抗剪强度时,材料就在该点沿该平面发生破坏;并提出,在破坏面上的剪应力,即剪切强度是该面上法向应力的函数。在土的破坏面上的抗剪强度是作用在该面上的法向压应力或有效法向压应力
的单值函数,即:
或
(3)
这个函数在-
坐标中是一条曲线,称为莫尔包络线,就是对于发生剪切破坏的点的应力莫尔圆的包络线。横坐标
破坏面上的法向压应力,纵坐标
则为该面上剪应力的绝对值。通常,土的莫尔包络线可以近似地用直线表示,这就是由库仑公式表示莫尔包络线的强度理论,称为莫尔-库仑强度理论,也称莫尔-库仑破坏准则。由于
不等于常值,因此发生剪切破坏的截面不是该点的最大剪应力截面,即不是莫尔应力圆的顶点(见图)。当任意一点的莫尔应力圆和包络线相切时,就会在切点对应的截面发生剪切破坏,反之,若该点的莫尔应力圆在包络线以内,则不会发生剪切破坏。
莫尔-库仑强度理论中假设抗剪强度只与最大、最小主应力有关,而与中主应力无关,研究者对此进行了大量的中主应力对抗剪强度影响的研究,并且企图在土力学中引进金属材料的广义米塞斯和广义特雷斯卡强度理论,但它们与土的强度性质相差很大。20世纪60年代以后,随着计算机技术的发展以及大型土木工程的兴建,关于土的应力-应变-强度-时间关系,即本构关系的研究广泛开展,人们才逐步认识到土的强度与土的应力-应变关系是密不可分的。土的破坏是土受力变形的一个阶段;并进一步认识到除剪切强度以外,还有拉伸强度、断裂及与孔隙水压力有关的土破坏问题。这样,一些与土的本构模型相适应的强度准则也相继被提出。不少学者也力图从微观机理上研究土的强度并建立强度理论,以及探索原状土、非饱和土、区域性土和老黏土等的强度问题。土的强度一直是土力学的一个主要研究课题。