土的抗剪強(qiáng)度

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第5章 土的抗剪強(qiáng)度5.1概述土的抗剪強(qiáng)度是指土體對(duì)于外荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極限抵抗能力。當(dāng)土中某點(diǎn)由外力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度時(shí),土體就會(huì)發(fā)生一部分相對(duì)于另一部分的移動(dòng)，該點(diǎn)便發(fā)生了剪切破壞。工程實(shí)踐和室內(nèi)試驗(yàn)都驗(yàn)證了建筑物地基和土工建筑物的破壞絕大多數(shù)屬于剪切破。例如堤壩、路堤邊坡的坍滑(圖5.1a)，擋土墻墻后填土失穩(wěn)(圖5.1b)建筑物地基的失穩(wěn)(圖5.1c)，都是由于沿某一些面上的剪應(yīng)力超過(guò)土的抗剪強(qiáng)度所造成。因此土的抗剪強(qiáng)度是決定地基或土工建筑物穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。所以研究土的抗剪強(qiáng)度的規(guī)律對(duì)于工程設(shè)計(jì)、施工和管理都具有非常重要的理論和實(shí)際意義。由于

2、土的抗剪強(qiáng)度是巖土的重要力學(xué)性質(zhì)之一，本章主要講述敘述土抗剪強(qiáng)度的基本概念、土地抗剪強(qiáng)度的基本理論、土的抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法及土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的應(yīng)用。5.2土的抗剪強(qiáng)度的基本理論5.2.1直剪試驗(yàn)土的抗剪強(qiáng)度可以通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定。直剪試驗(yàn)是其中最基本的室內(nèi)試驗(yàn)方法。直剪試驗(yàn)使用的儀器稱直剪儀。按加荷方式分為應(yīng)變式和應(yīng)力式兩類。前者是以等速推動(dòng)剪切盒使土樣受剪，后者則是分級(jí)施加水平剪力于剪力盒使土樣受剪。目前我國(guó)普遍應(yīng)用的是應(yīng)變式直剪儀如圖5.2所示。試驗(yàn)開(kāi)始前將金屬上盒和下盒的內(nèi)圓腔對(duì)正，把試樣置于上下盒之間。通過(guò)傳壓板和滾珠對(duì)土樣先施加垂直法向應(yīng)力=p/F(F-土樣的截面積)，然后再

3、施加水平剪力T，使土樣沿上下盒水平接觸面發(fā)生剪切位移直至破壞。在剪切過(guò)程中，隔固定時(shí)間間隔，測(cè)讀相應(yīng)的剪變形，求出施加于試樣截面的剪應(yīng)力值。于是即可繪制在一定法應(yīng)力圖4.3直剪試驗(yàn)曲線a)剪應(yīng)力-剪切伴移關(guān)系；b)抗剪強(qiáng)度-法向應(yīng)力關(guān)系條件下，土樣剪變形與剪應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖5.3a)。5.2.2土的抗剪強(qiáng)度規(guī)律整理剪切試驗(yàn)的資料，當(dāng)剪應(yīng)力-剪切位移曲線出現(xiàn)峰值時(shí)(圖5.3a)，取峰值剪應(yīng)力為破壞時(shí)的剪應(yīng)力f(即抗剪強(qiáng)度)；當(dāng)無(wú)峰值時(shí)可取對(duì)應(yīng)于剪切位移=4mm時(shí)的剪應(yīng)力作為f。同一種土的幾個(gè)不同土樣分別施加不同的垂直法向應(yīng)力做直剪試驗(yàn)都可得到相應(yīng)的剪應(yīng)力-剪切位移曲線(圖5.3a)，根據(jù)這些曲

4、線求出相應(yīng)于不同的法向應(yīng)力試樣剪壞時(shí)剪切面上的剪應(yīng)力f。在直角坐標(biāo)-關(guān)系圖中可以作出破壞剪應(yīng)力的連線(圖5.3b)。在一般情況下，這個(gè)連線是線性的，稱為庫(kù)倫強(qiáng)度線。見(jiàn)式(5.1a)、式(5.2b)。砂性土 (5.1a)粘性土 (5.1b)式中：c土的粘聚力(kPa)，圖5.3b中的-直線在縱軸上的截距；土的內(nèi)摩擦角，即-直線與橫軸上的夾角；tg直線的斜率。公式(5.1)就是土體的強(qiáng)度規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在18世紀(jì)七十年代由庫(kù)侖(Coulomb,C.A)砂土的摩擦試驗(yàn)后得出的，所以也稱庫(kù)侖定律。它表明在一定的荷載范圍內(nèi)土的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力之間呈直線關(guān)系，其中c、被稱為土的強(qiáng)度指標(biāo)。5.2.3 土

5、的極限平衡條件1)土中一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)圖4.4莫爾圓表示一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)在自重與外荷作用下土體(如地基)中任意一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)于平面應(yīng)力問(wèn)題，只要知道應(yīng)力分量即x、z和xz，即可確定一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于土中任意一點(diǎn)，所受的應(yīng)力又隨所取平面的方向不同而發(fā)生變化。但可以證明，在所有的平面中必有一組平面的剪應(yīng)力為零,該平面稱為主應(yīng)力面。其作用于主應(yīng)力面的法向應(yīng)力稱為主應(yīng)力。那么，對(duì)于平面應(yīng)力問(wèn)題，土中一點(diǎn)的應(yīng)力可用主應(yīng)力1和3表示。1稱為最大主應(yīng)力，3稱為最小主應(yīng)力。由材料力學(xué)可知當(dāng)土中任一點(diǎn)的應(yīng)力x、z、xy為已知時(shí)，主應(yīng)力可以由下面的應(yīng)力轉(zhuǎn)換關(guān)系得出：主應(yīng)力平面與任意平面間的夾角由下式得出：角的轉(zhuǎn)

6、動(dòng)方向與摩爾應(yīng)力圓圖上的一致。2)土的極限平衡狀態(tài) 根據(jù)庫(kù)侖定律和試驗(yàn)作出的庫(kù)侖強(qiáng)度線，可以看出，如果已知土中某點(diǎn)任意平面上作用著法向應(yīng)力以及剪應(yīng)力，則由與抗剪強(qiáng)度f(wàn)對(duì)比可知： 當(dāng)f (在破壞線以下)表示該點(diǎn)處于穩(wěn)定狀態(tài)=f (破壞線以上) 表示該點(diǎn)處于極限平衡狀態(tài)f(在破壞線上方)表示該點(diǎn)已經(jīng)剪切破壞圖4.5不同應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的摩爾圓由此可見(jiàn)，如果把代表土中某點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)所畫的摩爾應(yīng)力圓，與該土的庫(kù)倫強(qiáng)度線畫在同一個(gè)-坐標(biāo)圖中，可知當(dāng)摩爾應(yīng)力圓與庫(kù)侖強(qiáng)度線不相交時(shí)，表明通過(guò)該點(diǎn)的任意平面上的剪應(yīng)力都小于土的抗剪強(qiáng)度，故不會(huì)發(fā)生剪切破壞(5.5中之c圓)，也即該點(diǎn)處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相割時(shí)

7、，表明該點(diǎn)土體已經(jīng)破壞(圖5.5中之a(chǎn)圓)。事實(shí)上該應(yīng)力圓所代表的應(yīng)力狀態(tài)是不存在的。當(dāng)應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相切時(shí)即為土體瀕于剪切破壞的極限應(yīng)力狀態(tài)，稱為極限平衡狀態(tài)，與強(qiáng)度線相切的應(yīng)力圓稱為極限應(yīng)力圓(圖5.5中之b圓)，切點(diǎn)A的坐標(biāo)是表示通過(guò)土中一點(diǎn)的某一切面處于極限平衡狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力條件。這就是說(shuō)通過(guò)庫(kù)侖定律與摩爾應(yīng)力圓原理的結(jié)合可以推導(dǎo)出表示土體極限平衡狀態(tài)時(shí)主應(yīng)力之間的相互關(guān)系式或應(yīng)力條件。3)土的極限平衡條件 在圖5.6中，根據(jù)極限應(yīng)力圓O1與強(qiáng)度線f=c+tg相切于A點(diǎn)的幾何關(guān)系，由直角三角形ABO1中得到，通過(guò)三角函數(shù)間的變換關(guān)系最后可以得到土中某點(diǎn)處于極限平衡狀態(tài)時(shí)主應(yīng)力之間的關(guān)系式

8、(式5.5a、式5.5b)： (5.5a) (5.5b)公式(5.3)至(5.5)可以用來(lái)判斷土體中一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。5.3抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)的方法有室內(nèi)試驗(yàn)和野外試驗(yàn)等，室內(nèi)最常用的是直剪試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)等。野外試驗(yàn)有原位十字板剪切試驗(yàn)等。5.3.1直接剪切試驗(yàn)直剪試驗(yàn)基本原理與方法已知前述，在直接剪切試驗(yàn)中，不能兩側(cè)孔隙水壓力，也不能控制排水，所以只能一總應(yīng)力法來(lái)表示土的抗剪強(qiáng)度。但是為了考慮固結(jié)程度和排水條件對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，根據(jù)加荷速率的快慢將直剪試驗(yàn)劃分為塊剪、固結(jié)快剪和慢剪三種試驗(yàn)類型。1).快剪。豎向壓力施加后立即施加水平剪力進(jìn)行剪切，使土樣在3-5

9、分鐘內(nèi)剪壞。由于剪切速度快，可認(rèn)為土樣在這樣短暫時(shí)間內(nèi)沒(méi)有排水固結(jié)或者說(shuō)模擬了“不排水”剪切情況。得到的強(qiáng)度指標(biāo)用cq、q表示；2).固結(jié)快剪。豎向壓力施加后，給以充分時(shí)間使土樣排水固結(jié)。固結(jié)終了后施加水平剪力，快速地(約在35min內(nèi))把土樣剪壞，即剪切時(shí)模擬不排水條件。得到的指標(biāo)用ccq、cq表示； 3).慢剪。豎向壓力施加后，讓土樣充分排水固結(jié)，固結(jié)后以慢速施加水平剪力，使土樣在受剪過(guò)程中一直有充分時(shí)間排水固結(jié)，直到土被剪破，得到的指標(biāo)用cs、s表示。由上述三種試驗(yàn)方法可知，即使在同一垂直壓力作用下，由于試驗(yàn)時(shí)的排水條件不同，作用在受剪面積上的有效應(yīng)力也不同，所以測(cè)得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)也不同

10、。在一般情況下，scqq。上述三種試驗(yàn)方法對(duì)粘性土是有意義的，但效果要視土的滲透性大小而定。對(duì)于非粘性土，由于土的滲透性很大，即使快剪也會(huì)產(chǎn)生排水固結(jié)，所以常只采用一種剪切速率進(jìn)行“排水剪試驗(yàn)。直剪試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是儀器構(gòu)造簡(jiǎn)單，操作方便，它的主要缺點(diǎn)是：不能控制排水條件；剪切面是人為固定的，該面不一定是土樣的最薄弱的面；剪切面上的應(yīng)力分布不均勻的。因此，為了克服直剪試驗(yàn)存在的問(wèn)題，后來(lái)又發(fā)展了三軸壓縮試驗(yàn)方法，三軸壓縮儀是目前測(cè)定土抗剪強(qiáng)度較為完善的儀器。5.3.2三軸壓縮試驗(yàn)1)試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)方法三軸壓縮試驗(yàn)使用的儀器為三軸剪力儀(也稱三軸壓縮儀)，其核心部分是三軸壓力室，它的構(gòu)造見(jiàn)圖5.8。此

11、外，還配備有：（a）軸壓系統(tǒng), 即三軸剪切儀的主機(jī)臺(tái)，用以對(duì)式樣施加軸向附加壓力，并可控制軸向應(yīng)變的速率:（b）側(cè)壓系統(tǒng), 通過(guò)液體(通常是水)對(duì)土樣施加周圍壓力；（c）孔隙水壓力測(cè)讀系統(tǒng)，用以測(cè)量土樣孔隙水壓力及其在試驗(yàn)過(guò)程中的變化。試驗(yàn)用的土樣為正圓柱形，常用的高度與直徑之比為2-2.5。土樣用薄橡皮膜包裹，以免壓力室的水進(jìn)入。試樣上、下兩端可根據(jù)試樣要求放置透水石或不透水板。試驗(yàn)中試樣的排水情況由排水閥B控制(圖5.8)。試樣底部與孔隙水壓力量測(cè)系統(tǒng)相接，必要時(shí)藉以測(cè)定試驗(yàn)過(guò)程中試樣的孔隙水壓力變化。試驗(yàn)時(shí)，先打開(kāi)閥門A，向壓力室壓入液體，使土樣在三個(gè)軸向受到相同的周圍壓力3，此時(shí)土樣中

12、不受剪力。然后再由軸向系統(tǒng)通過(guò)活塞對(duì)土樣施加豎向壓力q，此時(shí)試樣中將產(chǎn)生剪應(yīng)力。在周圍壓力3不變情況下，不斷增大q，直到土樣剪壞。其破壞面發(fā)生在與大主應(yīng)力作用成面f=45°+的夾角處。這時(shí)作用于土樣的軸向應(yīng)力1=3+q，為最大主應(yīng)力，周圍壓力3為最小主應(yīng)力。用1和3可繪得土樣破壞時(shí)的一個(gè)極限應(yīng)力圓。若取同一種土的3-4個(gè)試樣，在不同周圍壓力3下進(jìn)行剪切直得到相應(yīng)的1，便可繪出幾個(gè)極限應(yīng)力圓。這些極限應(yīng)力圓的公切線，即為抗剪強(qiáng)度包線。它一般呈直線形狀，從而可求得指標(biāo)c、值(圖5.9)。若在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)孔隙水測(cè)讀系統(tǒng)分別測(cè)得每一個(gè)土樣剪切破壞時(shí)的孔隙水壓力的大小就可以得出土樣剪切破壞

13、時(shí)有效應(yīng)力1=1-u，3=3-u，繪制出相應(yīng)的有效極限應(yīng)力圓如圖4-10，根據(jù)有效極限應(yīng)力圓，即可求得有效強(qiáng)度指標(biāo)、c。2)三軸試驗(yàn)方法根據(jù)土樣固結(jié)排水條件的不同，相應(yīng)于直剪試驗(yàn)三軸試驗(yàn)也可分為下列三種基本方法：(1) 不固結(jié)不排水剪(UU)：先向土樣施加周圍壓力3，隨后即施加軸向應(yīng)力q直至剪壞。在施加q過(guò)程中，自始至終關(guān)閉排水閥門不允許土中水排出，即在施加周圍壓力和剪切力時(shí)均不允許土樣發(fā)生排水固結(jié)。這樣從開(kāi)始加壓直到試樣剪壞全過(guò)程中土中含水量保持不變。這種試驗(yàn)方法所對(duì)應(yīng)的實(shí)際工程條件相當(dāng)于飽和軟粘土中快速加荷時(shí)的應(yīng)力狀況(2) 固結(jié)不排水剪(CU)試驗(yàn)：試驗(yàn)時(shí)先對(duì)土樣施加周圍壓力3，并打開(kāi)排

14、水閥門B，使土樣在3作用下充分排水固結(jié)。然后施加軸向應(yīng)力q，此時(shí)，關(guān)上排水閥門B，使土樣在不能向外排水條件下受剪直至破壞為止。三軸“CU”試驗(yàn)是經(jīng)常要做的工程試驗(yàn)，它適用的實(shí)際工程條件常常是一般正常固結(jié)土層在工程竣工時(shí)或以后受到大量、快速的活荷載或新增加的荷載的作用時(shí)所對(duì)應(yīng)的受力情況。(3) 固結(jié)排水剪(CD)試驗(yàn)：在施加周圍壓力3和軸向壓力q的全過(guò)程中，土樣始終是排水狀態(tài)，土中孔隙水壓力始終處于消散為零的狀態(tài)，使土樣剪切破壞。這三種不同的三軸試驗(yàn)方法所得強(qiáng)度、包線性狀及其相應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)不相同，其大致形態(tài)與關(guān)系如圖5.11所示。三軸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)的三種試驗(yàn)方法在工程實(shí)踐中如何選用是個(gè)比較復(fù)雜的

15、問(wèn)題，應(yīng)根據(jù)工程情況、加荷速度快慢、土層厚薄、排水情況、荷載大小等綜合確定。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)不易透水的飽和粘性土，當(dāng)土層較厚，排水條件較差，施工速度較快時(shí)，為使施工期土體穩(wěn)定可采用不固結(jié)不排水剪。反之，對(duì)土層較薄，透水性較大，排水條件好，施工速度不快的短期穩(wěn)定問(wèn)題可采用固結(jié)不排水剪。擊實(shí)填土地基或路基以及擋土墻及船閘等結(jié)構(gòu)物的地基，一般認(rèn)為采用固結(jié)不排水剪。此外，如確定施工速度相當(dāng)慢，土層透水性及排水條件都很好，可考慮用排水剪。當(dāng)然，這些只是一般性的原則，實(shí)際情況往往要復(fù)雜得多，能嚴(yán)格滿足試驗(yàn)條件的很少，因此還要針對(duì)具體問(wèn)題作具體分析。5.4土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與主要影響因素圖4.11不同排水條件下的

16、強(qiáng)度包線與強(qiáng)度指標(biāo)1)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和是通過(guò)試驗(yàn)得出的。它們的大小反映了土的抗剪強(qiáng)度的高低。tg=f為土的內(nèi)摩擦系數(shù)，tg則為土的內(nèi)摩擦力，通常由兩部分組成。一部分剪切面上顆粒與顆粒接觸面所產(chǎn)生的摩擦力；另一部分則是由顆粒之間的相互嵌入和聯(lián)鎖作用產(chǎn)生的咬合力。粘聚力c是由于粘土顆粒之間的膠結(jié)作用。結(jié)合水膜以及分子引力作用等引成的，按照庫(kù)侖定律，對(duì)于某一種土，它們是作為常數(shù)來(lái)使用的。實(shí)際上，它們均隨試驗(yàn)方法和土樣的試驗(yàn)條件等的不同而發(fā)生變化，即使是同一種土，、c值也不是常數(shù)。2)影響土的抗剪強(qiáng)度的因素影響土的抗剪強(qiáng)度的因素是多方面的，主要的有下述幾個(gè)方面。(1)土粒的礦物成份

17、、形狀、顆粒大小與顆粒級(jí)配土的顆粒越粗，形狀越不規(guī)則，表面越粗糙，越大，內(nèi)摩擦力越大，抗剪強(qiáng)度也越高。粘土礦物成份不同，其粘聚力也不同。土中含有多種膠合物，可使c增大。(2)土的密度土的初始密度越大，土粒間接觸較緊，土粒表面摩擦力和咬合力也越大，剪切試驗(yàn)時(shí)需要克服這些土的剪力也越大。粘性土的緊密程度越大，粘聚力c值也越大。(3)含水量土中含水量的多少，對(duì)土抗剪強(qiáng)度的影響十分明顯。土中含水量大時(shí)，會(huì)降低土粒表面上的摩擦力，使土的內(nèi)摩擦角值減小；粘性土含水量增高時(shí)，會(huì)使結(jié)合水膜加厚，因而也就降低了粘聚力。(4)土體結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)情況粘性土的天然結(jié)構(gòu)如果被破壞時(shí)，其抗剪強(qiáng)度就會(huì)明顯下降，因?yàn)樵瓲钔恋目辜?/p>

18、強(qiáng)度高于同密度和含水量的重塑土。所以施工時(shí)要注意保持粘性土的天然結(jié)構(gòu)不被破壞，特別是開(kāi)挖基槽更應(yīng)保持持力層的原狀結(jié)構(gòu)，不擾動(dòng)。(5)孔隙水壓力的影響根據(jù)有效應(yīng)力原理，作用于試樣剪切面上總應(yīng)力等于有效應(yīng)力與孔隙水壓力之和?？紫端畨毫τ捎谧饔迷谕林凶杂伤希粫?huì)產(chǎn)生土粒之間的內(nèi)摩擦力，只有作用在土的顆粒骨架上的有效應(yīng)力，才能產(chǎn)生土的內(nèi)摩擦強(qiáng)度。因此，土的抗剪強(qiáng)度應(yīng)為有效應(yīng)力的函數(shù)，庫(kù)倫公式應(yīng)改為，然而，在剪切試驗(yàn)中試樣內(nèi)的有效應(yīng)力(或孔隙水壓力)將隨剪切前試樣的固結(jié)程度和剪切中的排水條件而異。因此，同一種土，如試驗(yàn)條件不同，那么，即使剪切面上的總應(yīng)力相同，也會(huì)因土中孔隙水是否排出與排出的程度，亦即

19、有效應(yīng)力的數(shù)值不同，使試驗(yàn)結(jié)果的抗剪強(qiáng)度不同。因而在土工工程設(shè)計(jì)中所需要的強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)方法必須與現(xiàn)場(chǎng)的施工加荷實(shí)際相符合。目前，為了近似地模擬土體在現(xiàn)場(chǎng)可能受到的受剪條件，而把剪切試驗(yàn)按固結(jié)和排水條件的不同分為不固結(jié)不排水剪，固結(jié)不排水剪和固結(jié)排水剪三種基本試驗(yàn)類型。但是直剪儀的構(gòu)造卻無(wú)法做到任意控制土樣是否排水。在試驗(yàn)中，便通過(guò)采用不同的加荷速率來(lái)達(dá)到排水控制的要求，即采用快剪、固結(jié)快剪和慢剪三種試驗(yàn)方法。5.5 土的強(qiáng)度特性 5.5.1 砂性土的強(qiáng)度特性 1）砂土的內(nèi)摩擦角 由于砂土的透水性強(qiáng)，它在現(xiàn)場(chǎng)的受剪過(guò)程大多相當(dāng)于固結(jié)排水剪情況，由固結(jié)排水剪試驗(yàn)求得的強(qiáng)度包絡(luò)線一般為通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的

20、直線，可表達(dá)為 (5.24)式中：d固結(jié)排水剪求得的內(nèi)摩擦角。 砂土的抗剪強(qiáng)度將受到其密度、顆粒形狀、表面粗糙度和級(jí)配等因素的影響。對(duì)于一定的砂土來(lái)說(shuō)，影響抗剪強(qiáng)度的主要因素是其初始孔隙比(或初始干密度)。初始孔隙比愈?。?即土愈緊密)則抗剪強(qiáng)度愈高，反之，初始孔隙比愈大(即土愈疏松)則抗剪強(qiáng)度愈低。此外，同一種砂土在相同的初始孔隙比下飽和時(shí)的內(nèi)摩擦角比干燥時(shí)稍小(一般小20左右)。說(shuō)明砂土浸水后強(qiáng)度降低。幾種砂土在不同密度時(shí)的內(nèi)摩擦角典型值見(jiàn)表4-1。2）砂土的應(yīng)力軸向應(yīng)變體變砂土的初始孔隙比不同，在受剪過(guò)程中將顯示出非常不同的性狀。松砂受剪時(shí)，顆粒滾落到平衡位置排列得更緊密些，如圖4-15

21、(a)所示，所以它的體積縮小，把這種因剪切而體積縮小的現(xiàn)象稱為剪縮性；反之，緊砂受剪時(shí)，顆粒必須升高以離開(kāi)它們?cè)瓉?lái)的位置而彼此才能相互滑過(guò)，從而導(dǎo)致體積膨賬。如圖4-15(b)所示，把這種因剪切而體積膨脹的現(xiàn)象稱為剪脹性。然而，緊砂的這種剪脹趨勢(shì)隨著周圍壓力的增大、土粒的破碎而逐漸消失。在高圍壓下，不論砂土的松緊如何，受剪都將剪縮。 圖4-16表示同一種砂土，在相同的圍壓作用下，由于初始孔隙比的不同受剪時(shí)的應(yīng)力軸向應(yīng)變體變得全過(guò)程。從圖中可以看出隨著軸向應(yīng)變的增加，松砂的強(qiáng)度逐漸增大；應(yīng)力軸向應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變硬化型，它的體積則逐漸減小。但是，緊砂的強(qiáng)度達(dá)一定值后，隨著軸向應(yīng)變的繼續(xù)增加強(qiáng)度反而減

22、小，應(yīng)力一軸向應(yīng)變關(guān)系最后呈隨應(yīng)變軟化型，它的體積開(kāi)始時(shí)稍有減小，繼而增加，超過(guò)了它的初始體積。既然砂土在低圍壓下由于初始孔隙比的不同，剪破時(shí)的體積可能小于初始體積，也可能大于初始體積，那么，可以想象，砂土在某一初始孔隙比下受剪，它剪破時(shí)的體積將等于初始體積，這一初始孔隙比稱為臨界孔隙比。圖4-17為不同圍壓下砂土的初始孔隙比與剪破時(shí)體變的關(guān)系曲線。由圖可見(jiàn)，砂土的臨界孔隙比將隨周圍壓力的增加而減小。飽和砂土在低圍壓下受剪時(shí)，如果不允許它的體積發(fā)生變化，即進(jìn)行不排水剪試驗(yàn)，則密實(shí)的砂為了抵消受剪時(shí)的剪脹趨勢(shì)，將通過(guò)土樣內(nèi)部的應(yīng)力調(diào)整，即產(chǎn)生負(fù)孔隙水壓力，使有效圍壓增加，以保持試樣在受剪階段體積

23、不變。所以，在相同初始周圍壓力下，由固結(jié)不排水剪試驗(yàn)測(cè)得的強(qiáng)度要比固結(jié)排水剪試驗(yàn)的高。反之松砂為了抵消受剪時(shí)的體積縮小趨勢(shì)，將產(chǎn)生正孔隙水壓力，使有效圍壓減小，以保持試樣在受剪階段體積不變。所以，在相同初始周圍壓力下，由固結(jié)不排水剪試驗(yàn)測(cè)得的強(qiáng)度要比固結(jié)排水剪試驗(yàn)的低。3)砂土的殘余強(qiáng)度 如前所述，同一種砂土在相同的周圍壓力作用下，由于其初始孔隙比不同在剪切過(guò)程中將出現(xiàn)不同的應(yīng)力一應(yīng)變特征。松砂的應(yīng)力一應(yīng)變曲線沒(méi)有一個(gè)明顯的峰值，剪應(yīng)力隨著剪應(yīng)變的增加而增大，最后趨于某一恒定值；密實(shí)的砂的應(yīng)力應(yīng)變曲線有十個(gè)明顯的峰值，過(guò)此峰值以后剪應(yīng)力便隨剪應(yīng)變的增加而降低，最后趨于松砂相同的恒定值，如圖4-

24、18所示。這一恒定的強(qiáng)庫(kù)通常稱為殘余強(qiáng)度或最終強(qiáng)度，以f表示。密實(shí)砂的這種強(qiáng)度減小被認(rèn)為是剪位移克服了土粒之間的咬合作用之后，砂土結(jié)構(gòu)崩解變松的結(jié)果。 4）砂土的液化 液化被定義為任何物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體的行為或過(guò)程。對(duì)于大多數(shù)砂土來(lái)說(shuō)，當(dāng)試樣受剪時(shí)，一般都能在短時(shí)間內(nèi)排水固結(jié)。因而，砂土的抗剪強(qiáng)度相當(dāng)于固結(jié)排水剪或慢剪試驗(yàn)的結(jié)果，但是對(duì)于飽和疏松的粉細(xì)砂，當(dāng)受到突發(fā)的動(dòng)力荷載時(shí)，例如地震荷載，一方面由于動(dòng)剪應(yīng)力的作用有使體積縮小的趨勢(shì)，另一方面由于時(shí)間短來(lái)不及向外排水，因此就產(chǎn)生了很大的孔隙水壓力。按有效應(yīng)力原理，無(wú)粘性土的抗剪強(qiáng)度應(yīng)表達(dá)為由上式可知，當(dāng)動(dòng)荷載引起的超靜孔隙水應(yīng)力u 達(dá)到時(shí)，則有效

25、應(yīng)力=0，其抗剪強(qiáng)度f(wàn)=0，這時(shí)，無(wú)粘性土地基將喪失其承載力，土坡將流動(dòng)塌方。 5.5.2 粘性土的強(qiáng)度特性 1）應(yīng)力歷史的影響 粘性土的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)比無(wú)粘性土復(fù)雜，天然沉積的粘土就更復(fù)雜。想對(duì)原狀土的強(qiáng)度特性有正確的了解，也就非常困難。飽和粘土試樣的抗剪強(qiáng)度除受固結(jié)程度和排水條件影響外，在一定程度上還受它的應(yīng)力歷史的影響。在三軸試驗(yàn)中，如果試樣現(xiàn)有固結(jié)壓力c等于或大于該試樣在歷史上曾受到過(guò)的最大固結(jié)壓力則試樣是正常固結(jié)的；如果試樣現(xiàn)有固結(jié)壓力c小于該試樣在歷史上曾受到過(guò)的最大固結(jié)壓力，則該試樣是屬于超固結(jié)的。正常固結(jié)和超固結(jié)試樣在受剪時(shí)將具有不同的強(qiáng)度特性。對(duì)于同一種土，超固結(jié)土的強(qiáng)度大于正常固結(jié)土的強(qiáng)度。 2）粘性土的殘余強(qiáng)度 超固結(jié)粘土在剪切試驗(yàn)中有與密實(shí)砂相似的應(yīng)力一應(yīng)變特征，當(dāng)強(qiáng)度隨著剪位移達(dá)到峰值后，如果剪切繼續(xù)進(jìn)行，隨著剪位移繼續(xù)增大，強(qiáng)度顯著降低，最