土力學(xué) 土的抗剪強度

1、引 言從圖5.1的工程實例出發(fā)，闡述土體的破壞是剪切破壞，土體的強度問題實質(zhì)是土的抗剪強度問題，因為土顆粒之間的聯(lián)結(jié)強度遠(yuǎn)小于顆粒之間的強度，所以對土的抗剪強度進(jìn)行研究。土的抗剪強度成果的應(yīng)用：（1） 地基承載力與地基穩(wěn)定性；（2） 土坡穩(wěn)定性；（3） 支擋結(jié)構(gòu)的土壓力。(a)土體滑坡 (b) 擋土墻 (c)地基失穩(wěn)圖5.1 土體破壞示意圖§ 5.1 摩爾庫侖強度理論一、物理模型NFQWRqNFmaxQWRd圖5.2 物體滑動示意圖1Q>0，物體有滑動的趨勢；2Q=Fmax，極限平衡狀態(tài)。由物理學(xué)知識可得Fmax=mNFmax=Ntgd即m=tgd，d稱為摩擦角。除以面積得：t

2、f=stgdtf為接觸面的摩擦抗剪強度，s為正應(yīng)力。備 注采用設(shè)問法，引出本章要研究的內(nèi)容。由物理模型引出庫倫定律二、庫侖定律(Coulomb Law)圖5.3 土的強度線1776年法國科學(xué)家?guī)靵?C.A Coulomb)總結(jié)土的破壞現(xiàn)象和影響因素，提出土的破壞公式為：式中 S代表抗剪強度(shear strength)；c土的粘聚力(cohesion)；土的內(nèi)摩擦角(internal friction angle)；作用在剪切面上的有效法向應(yīng)力。圖5.4 土中一點的極限應(yīng)力圓三、土中一點應(yīng)力極限平衡注 意：(1) 破裂面不發(fā)生在最大剪應(yīng)力作用面上。為什么？請思考。(2) 破裂面與大主應(yīng)力作用

3、面夾角為。四、判斷土中一點是否破壞1. t< S時，土不會被破壞，t= S時，土被剪壞；2. 根據(jù)應(yīng)力極限平衡判斷；3. 剪切面的應(yīng)力偏角；4. 僅憑某一截面上的應(yīng)力，無法判斷一點是否處于彈性應(yīng)力狀態(tài)。五、典型例題講解已知土中某點的最大、最小主應(yīng)力s1=300kPa，s3=100kPa，土的抗剪強度指標(biāo)c=10kPa，試判斷該點所處的應(yīng)力狀態(tài)。備 注只有t £S？土的抗剪強度是否為定值？參數(shù)c、值如何確定？黑板板書推導(dǎo)極限平衡方程，告訴學(xué)生記憶該方程的方法。采用設(shè)問發(fā)，啟發(fā)學(xué)生，引出判斷土中一點是否破壞的方法。講解時注意采用多種方法進(jìn)行判斷。§ 5.3 抗剪強度試驗室

4、內(nèi)測定土的抗剪強度指標(biāo)的常用方法：直接剪切試驗(direct shear test)、單軸壓力試驗(unconfined compressive strength test)、三軸壓力試驗(triaxial compression test)。一、 直接剪切試驗儀器1. 儀器簡介直剪儀簡圖2. 試驗原理測得34組試驗可得(s1，S1), (s2，S2), (s3，S3), (s4，S4)，在st中描點并近似可連成一直線，即得強度線，此線得截距即為c，傾角為j。3. 評價優(yōu)點：儀器簡單，操作方便；能用于土樣的大剪切應(yīng)變；如果把剪切盒尺存放大，就可用于大土樣。缺點：（1）剪切面上的應(yīng)力非常復(fù)雜，并

5、非想象的那樣均勻；（2）剪切過程中，剪切面不斷減小，與假定的定值不符；（3）不能控制孔隙水壓力。二、軸壓試驗1. 單軸壓力試驗（1） 干硬粘性土，壓壞時有明顯的剪裂面；（2） 飽和粘土，加壓時孔隙水來不及排出，剪切面上的有效壓力為0，強度線為水平線。單軸壓力試驗不能用于不滿足上述條件的粘性土和難于制備土樣的砂土。備 注實驗室實驗時，剪切盒的上、下盒哪個移動？簡介在Excel電子表格中如何進(jìn)行直剪試驗的數(shù)據(jù)處理和繪圖。圖干硬粘性土單軸壓力試驗 圖 飽和粘土單軸壓力試驗2. 三軸壓力試驗（1） 儀器簡介圖 三軸壓力室示意圖（2） 加壓程序先加圍壓，維持圍壓不變，施加垂直壓力至土樣破壞；圍壓和垂直壓

6、力都加到一定值后，垂直壓力保持不變，減小圍壓至土樣被剪壞。（3） 試驗方法不排水剪或快剪；固結(jié)不排水剪或固結(jié)快剪；排水剪或慢剪。（4） 評價三軸試驗的主要優(yōu)點：在于能控制孔隙水，從工程實際出發(fā)，采用不同的排水條件，以求得與實際情況相近似的土的抗剪強度。備 注只有一個極限應(yīng)力圓如何確定抗剪強度參數(shù)？結(jié)合儀器構(gòu)造介紹試驗方法。§ 5.4 應(yīng)力路徑(stress path)及其影響一、概念 應(yīng)力路徑：土體中的應(yīng)力隨外力的變化而演變的途徑。對加荷過程中土體內(nèi)某點，其應(yīng)力狀態(tài)的變化可在應(yīng)力坐標(biāo)圖中以應(yīng)力點的移動軌跡來表示，這種軌跡稱為應(yīng)力路徑。以某一特定截面上的應(yīng)力來表示。特定截面：剪裂面或最

7、大剪應(yīng)力面。表示法：總應(yīng)力(total stress)路徑和有效應(yīng)力(effectives stress)路徑二、S線、Kf線K0線K0固結(jié)為無側(cè)向變形固結(jié)若有效應(yīng)力路徑與K0線平行，則土樣在該應(yīng)力路徑下的側(cè)向應(yīng)變?yōu)榱?；若有效?yīng)力路徑的傾角大于K0線的b角，則土樣發(fā)生側(cè)向膨脹；若有效應(yīng)力路徑的傾角小于K0線的b角，則土樣發(fā)生側(cè)向收縮。三、結(jié)論由于土體的變形和強度不僅與受力的大小有關(guān)，更重要的還與土的應(yīng)力歷史有關(guān)，土的應(yīng)力路徑可以模擬土體實際應(yīng)力歷史，因此應(yīng)力路徑對探討土的應(yīng)力應(yīng)變和強度都具有十分重要的意義。§ 5.5 砂土的抗剪強度(shear strength)一、砂土的強度試驗和

8、強度機理1 強度試驗強度線為通過原點的直線。2 強度機理構(gòu)成砂土抗剪強度的三部分： 砂粒表面的滑動摩擦是抗剪強度的主體； 顆粒相互間的咬合作用，產(chǎn)生于密砂中； 當(dāng)砂土結(jié)構(gòu)受到剪切破壞后，顆粒重新排列，要消耗一部分剪切能。緊砂松砂tftdtf松tf緊二、砂土強度與緊密度的關(guān)系緊砂松砂dev膨脹收縮圖 砂土剪應(yīng)力與剪位移的關(guān)系 圖 砂土體積變化和剪位移的關(guān)系1. 緊砂在受剪時會產(chǎn)生體積膨脹即剪脹(dilatancy)；2. 松砂在受剪時會產(chǎn)生體積收縮即剪縮；3. 砂土在剪切過程中是否出現(xiàn)剪脹或剪縮，主要取決于它的初始孔隙比e0。三、影響砂土強度的因素1. 顆粒礦物成分、顆粒形狀和級配2. 沉積條件

9、3. 試驗條件4. 其它因素備 注介紹“假粘聚力”概念。砂土在什么情況下會發(fā)生剪脹？設(shè)問法引出顆粒形狀和級配、沉積條件及試驗條件對強度的影響。§5.6 粘性土的抗剪強度一、粘性土強度的來源顆粒間的凝聚力、克服剪脹作功所需付出的力、顆粒間的摩擦力。二、與應(yīng)力歷史(stress history)的關(guān)系正常固結(jié)粘土：沒有剪脹，凝聚力??；超固結(jié)粘土：發(fā)生剪脹，凝聚力很高。二者強度特征不同。三、與排水條件有關(guān)（1）不排水剪或快剪強度(quick shear test) 試驗方法排水管閥門關(guān)閉，土樣的含水量和體積是不變的，極限應(yīng)力圓的直徑不變。stcu圖5.13 飽和黏土不排水剪試驗強度指標(biāo) j

10、u= 0 ； cu= 注意：ju = 0，并不意味著土不具有摩擦強度，因為剪切面上存在有效應(yīng)力就應(yīng)該有摩擦強度，只不過是這種試驗方法，摩擦強度隱含于粘聚強度內(nèi)，兩者難以區(qū)分。（2）固結(jié)不排水剪或固結(jié)快剪強度(consolidated quick shear test) 試驗方法室內(nèi)加圍壓下充分固結(jié)，使孔隙壓力消散，在關(guān)閉排水閥，并進(jìn)行垂直加壓直到破壞。 強度指標(biāo) 正常固結(jié)粘土：ccu=0 ; jcu=10° 20°；有效應(yīng)力強度線的j大于總應(yīng)力強度線的jcu；對于超固結(jié)粘土ccu ¹ 0 ; jcu> 0。j>jcu，c<ccu。備 注對比砂土，

11、介紹粘性土強度來源。為什么ju= 0？stj'cuf'cu總應(yīng)力圓jcuf'cu圖正常固結(jié)粘性土固結(jié)不排水剪試驗（3）排水剪或慢剪(slow shear test)強度 試驗方法在整個過程中，排水管一直打開，在圍壓和垂直壓力下充分固結(jié)。 強度指標(biāo) 工程分析中，往往運用有效強度指標(biāo)，如采用慢剪來測定這些強度指標(biāo)，則太費時間，常采用固結(jié)快剪。jddds'tcdjdddstcujcuddCD試驗 ddCU試驗 ddUU試驗 dd圖慢剪試驗圖 正常固結(jié)飽和粘土三種試驗結(jié)果的強度包線四、工程應(yīng)用中抗剪強度指標(biāo)的選擇試驗條件應(yīng)與工程實際條件一致，主要影響因素為：土層的厚度、土層的滲透性及施工速度的快慢。（1）一般工程問題，采用總