第五章土的抗剪強(qiáng)度-網(wǎng)站內(nèi)容

1、第五章 土的抗剪強(qiáng)度一、內(nèi)容簡(jiǎn)介土的抗剪強(qiáng)度指土體抵抗剪切破壞的極限能力，其數(shù)值等于剪切破壞時(shí)滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力?？辜魪?qiáng)度是土的主要力學(xué)性質(zhì)之一，研究土的抗剪強(qiáng)度重要目的是判別土是否達(dá)到剪切破壞狀態(tài)。在本章中將介紹土的抗剪強(qiáng)度與極限平衡原理、土的剪切試驗(yàn)方法。二、基本內(nèi)容和要求1基本內(nèi)容（1）土的抗剪強(qiáng)度概念。（2）庫侖抗剪強(qiáng)度定律。（3）摩爾應(yīng)力圓。（4）土中一點(diǎn)的極限平衡及MohrCoulomb準(zhǔn)則。（）土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。 （）影響砂土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的主要因素。 （）排水條件對(duì)粘性土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響。2基本要求 概念及基本原理 【掌握】土的抗剪強(qiáng)度；土的極限平衡狀態(tài)；MohrCoulomb準(zhǔn)

2、則；總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)的概念；有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)的概念； 【理解】影響砂土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的主要因素；前期固結(jié)壓力；正常固結(jié)；超固結(jié)；三種不同排水條件對(duì)粘性土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響 計(jì)算理論及計(jì)算方法 【掌握】處于極限狀態(tài)時(shí)應(yīng)力計(jì)算；判斷一點(diǎn)是否處于極限狀態(tài)； 試 驗(yàn) 【掌握】直剪試驗(yàn) 【理解】單軸試驗(yàn)；三軸試驗(yàn) 三、重點(diǎn)內(nèi)容介紹1土的抗剪強(qiáng)度土的強(qiáng)度破壞通常是指剪切破壞，即：在某一個(gè)面上的剪應(yīng)力達(dá)到了該面所具有的抵抗剪切破壞的極限能力。這一極限能力稱為土的抗剪強(qiáng)度，通常用s表示。2庫侖抗剪強(qiáng)度定律 1776年，法國(guó)科學(xué)家Coulomb在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出土的強(qiáng)度計(jì)算公式，稱為庫侖抗剪強(qiáng)度定律，即：砂 土：

3、 （5-1a）粘性土： （5-1b）上式中：s為抗剪強(qiáng)度，為破壞面上的法向應(yīng)力，為土的粘聚力，為土的內(nèi)摩擦角，它們是反映土的抗剪能力的兩個(gè)指標(biāo)，稱為抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。如圖5-1所示。 由此，式（5-1）表明，當(dāng)土中某個(gè)面上的剪應(yīng)力達(dá)到其抗剪強(qiáng)度，即 （5-3）時(shí)，土體沿該面發(fā)生剪切破壞。若剪切面上的剪應(yīng)力小于沿截面上的抗剪強(qiáng)度，即 （5-4）則不會(huì)發(fā)生剪切破壞。顯然，按強(qiáng)度的定義，截面上的剪應(yīng)力不可能超過其抗剪強(qiáng)度，即不可能有。試驗(yàn)曲線如圖：圖5-1 庫侖強(qiáng)度定律3摩爾庫侖強(qiáng)度理論及土中一點(diǎn)的極限平衡方程公式（5-1）給出了土沿某一個(gè)給定的面發(fā)生剪切破壞的條件。實(shí)際應(yīng)用中，常需判斷土中一點(diǎn)是否破壞

4、。但在同一點(diǎn)處，不同的作用面上的作用力不同，若其中某一個(gè)面上的切向力、法向力滿足了式（5-1），則認(rèn)為該點(diǎn)發(fā)生了剪切破壞，并稱該點(diǎn)處于極限平衡狀態(tài)。由于莫爾圓反映了不同作用面上的法向力和切向力，因此它與上述庫侖強(qiáng)度定律結(jié)合，即可建立處于極限狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力條件。圖5-2 對(duì)應(yīng)于不同狀態(tài)的莫爾圓如圖5-2所示：（1）應(yīng)力圓與強(qiáng)度包線相離，即剪應(yīng)力 ，該點(diǎn)處于彈性狀態(tài)。（2）應(yīng)力圓與強(qiáng)度包線在A點(diǎn)相切，即 ，該點(diǎn)處于極限平衡狀態(tài)；應(yīng)力圓稱為極限應(yīng)力圓。（3）應(yīng)力圓與強(qiáng)度包線相割，即，該點(diǎn)處于破壞狀態(tài)。在實(shí)際的受力狀態(tài)中，當(dāng)時(shí)，已發(fā)生剪切破壞，故這種應(yīng)力狀態(tài)不可能在土體的實(shí)際受力狀態(tài)中出現(xiàn)。圖5-3 極

5、限平衡狀態(tài)時(shí)的莫爾圓由圖5-3可得到，當(dāng)土中一點(diǎn)發(fā)生剪切破壞（或說處于極限平衡狀態(tài)）時(shí)，該點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)滿足 (5-5a)這就是MohrCoulomb強(qiáng)度理論表達(dá)式。上式還可等價(jià)地寫為 (5-5b)或 (5-5c)相應(yīng)地，剪切破壞面上的應(yīng)力為 (5-6) (5-7)此外，破壞面與大主應(yīng)力面的夾角為 (5-8)與小主應(yīng)力面的夾角則為 (5-9)4抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)可由抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)求得?？辜魪?qiáng)度試驗(yàn) 直接剪切試驗(yàn)儀器：直剪儀。方法：用34個(gè)相同的土樣，采用不同的垂直壓力，測(cè)得34組(s、tmax)的數(shù)據(jù)，繪制s-s 曲線，由此求得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c 、j值。圖5-4 直剪試驗(yàn)成果圖直剪試驗(yàn)的主要

6、優(yōu)點(diǎn)是儀器簡(jiǎn)單，操作方便，卵石土、礫石土等對(duì)大顆粒土的試驗(yàn)容易實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是：剪切過程中土樣的剪切面在不斷縮小，而計(jì)算剪應(yīng)力時(shí)我們假設(shè)剪切面的大小是不變的。剪切面上的應(yīng)力分布非常復(fù)雜，假定為定值，有較大的誤差。（直剪儀無法控制土樣孔隙水壓的大小，而這對(duì)飽和土的抗剪強(qiáng)度是有重要影響的。 單軸壓力試驗(yàn)（無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)）儀器：應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀 圖5-5無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) 圖5-6 飽和粘土的單軸試驗(yàn)試驗(yàn)原理：通過轉(zhuǎn)輪對(duì)圓柱形試樣施加垂直軸向壓力，直至土樣產(chǎn)生剪切破壞；根據(jù),，可作出一個(gè)極限應(yīng)力圓。只有在下述兩種特殊情況下，才能定出其強(qiáng)度線，從而得到其強(qiáng)度指標(biāo)。 干硬粘性土干硬粘性土在壓壞時(shí)有

7、明顯的剪裂面，能測(cè)出裂面與垂直線的夾角。因?yàn)榱衙媾c大主應(yīng)力作用方向的夾角，如圖5-5所示。故可求出內(nèi)摩擦角 (5-10)土樣破壞時(shí)有，則根據(jù)極限平衡方程，可得 (5-10)或 (5-11) 飽和粘性土不排水剪對(duì)于飽和軟粘土，其不排水剪強(qiáng)度包線為一水平線，如圖5-6所示。其相應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)為 (5-12) (5-13) 三軸壓力試驗(yàn)試驗(yàn)設(shè)備：三軸剪切儀。試驗(yàn)時(shí)可采用兩種加載方法：一種是液壓加上后保持不變，而逐漸加大豎向壓力，直至試樣發(fā)生剪切破壞，其應(yīng)力變化過程如圖5-7（a）所示。另一種是先施加液壓，再由活塞施加的豎向壓力，之后該豎向壓力保持不變，而逐漸減小液壓至試樣破壞，如圖5-7（b）所示。(

8、a) (b)5-7 三軸試驗(yàn)常規(guī)加壓過程 通常，由一個(gè)試件顯然無法確定出土的強(qiáng)度線（或抗剪強(qiáng)度指標(biāo)），因此需用多組試件，對(duì)不同試件采用不同的液壓，這樣才能得到大小不同的極限應(yīng)力圓，其公共包線往往是曲線，為方便起見，將其近似地取為直線，作為土的強(qiáng)度線，同時(shí)可定出土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和，如圖5-8所示。圖5-8 強(qiáng)度包線5砂土的抗剪強(qiáng)度 砂土的強(qiáng)度來源 砂土強(qiáng)度與緊密度的關(guān)系密實(shí)砂土，剪應(yīng)力隨剪位移先增加到峰值，隨后下降到一個(gè)穩(wěn)定值，即剩余強(qiáng)度。松砂的剪應(yīng)力隨剪位移增加而增大，其最大值與緊砂的剩余強(qiáng)度基本相等。其原因與砂土在剪切過程中孔隙體積變化有關(guān)，緊砂剪脹，松砂剪縮。如圖圖5-9 砂土的剪脹和剪縮

9、 影響砂土強(qiáng)度的因素6粘性土的抗剪強(qiáng)度 粘性土的強(qiáng)度來源 三軸壓力試驗(yàn)在三軸試驗(yàn)時(shí)，加載過程分為兩部分：一是施加于土樣的圍壓（靜水壓力），二是施加的豎向壓力。若在施加圍壓的過程中通往土樣的排水管是打開的，并使孔隙水充分排出，就稱為固結(jié)的（Consolidated），否則即為不固結(jié)的（Unconsolidated）。同樣，若在豎向荷載作用時(shí)排水管是打開的，孔隙水可充分排出，就稱之為排水的（Drainged），否則為不排水的（Undrainged）。這樣，按試驗(yàn)過程中土樣的排水情況，常規(guī)三軸試驗(yàn)可分為不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU試驗(yàn)）、固結(jié)不排水試驗(yàn)（CU試驗(yàn)）、固結(jié)排水試驗(yàn)（CD試驗(yàn)）。此外，若土樣所

10、受初始固結(jié)壓力小于土樣的前期固結(jié)壓力，稱為超固結(jié)土；若土樣所受初始固結(jié)壓力大于土樣的前期固結(jié)壓力，稱為正常固結(jié)土。 不排水剪（UU試驗(yàn)）在施加圍壓及豎向荷載的過程中，與土樣連通的排水管閥門始終是關(guān)閉的，土中的孔隙水始終無法排出，因此作用在剪切破壞面的有效法向壓力不會(huì)隨著初始圍壓的增加而增大，即施加不同的圍壓，只會(huì)使得極限Mohr圓平移，而圓的直徑始終是保持不變，即總應(yīng)力強(qiáng)度線為一條水平線，如圖5-10所示。其相應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)為 (5-14) (5-15)圖5-10 不排水剪 固結(jié)不排水剪（CU試驗(yàn)）排水管閥門打開，土樣在圍壓作用下發(fā)生固結(jié)。待這一固結(jié)過程完成后，關(guān)閉閥門，然后施加豎向荷載，豎向荷載逐步增大直至土樣發(fā)生破壞，可得到極限Mohr圓。另選土樣并改變初始圍壓，又可得到不同直徑的極限Mohr圓，由這些圓可確定出土樣的強(qiáng)度線。固結(jié)不排水試驗(yàn)的強(qiáng)度指標(biāo)記為、。 固結(jié)排水剪（CD試驗(yàn)）在對(duì)土樣施加圍