土的抗剪強度本章主要介紹土的抗剪強度的概念莫爾_第1頁
土的抗剪強度本章主要介紹土的抗剪強度的概念莫爾_第2頁
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第4章土的抗剪強度-本章主要介紹土的抗剪強度的概念、莫爾一庫侖強度理論、土的極限平衡理論,抗剪強度指標(biāo)的確定及其影響因素等。-學(xué)習(xí)本章的目的是能根據(jù)工程實際條件選擇合適的抗剪強度指標(biāo)進行抗剪強度計算。能利用極限平衡條件分析土的平衡狀態(tài)。第一節(jié)土的強度理論與強度指標(biāo)一、 土的抗剪強度的工程意義土的抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力在外荷載作用下,土體中將產(chǎn)生剪應(yīng)力,當(dāng)土中某點的剪應(yīng)力達到土的抗剪強度時,土就沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對滑動,該點便發(fā)生剪切破壞。隨著外荷載的增大,地基中達到強度被破壞的點越來越多,最后形成一個連續(xù)的滑動面,這時建筑物的地基或土坡就會失去整體穩(wěn)定而發(fā)生土體滑動,從而造成工程事故。工程實踐和室內(nèi)試驗都證實了土是由于受剪而產(chǎn)生破壞,剪切破壞是土體強度破壞的重要特點,因此,土的強度問題實質(zhì)上就是土的抗剪強度問題。二、 莫爾-庫侖強度理論土體發(fā)生剪切破壞時,將沿著其內(nèi)部某一曲面(滑動面)產(chǎn)生相對滑動,而該滑動面上的切應(yīng)力就等于土的抗剪強度。直剪試驗可直接測定預(yù)定剪切破裂面上的抗剪強度。1776年,法國學(xué)者庫侖通過一系列土的強度實驗,于1776年總結(jié)出土的抗剪強度定律:砂土 t^=btan甲粘土tf=。tan^+c式中tf一土體破壞面上的剪應(yīng)力,即土的抗剪強度,kPa;a一剪切滑動面上的法向應(yīng)力,kPa;C一土的粘聚力,kPa;甲一土的內(nèi)摩角,(°)。C、甲合稱為土的總應(yīng)力抗剪強度指標(biāo)。若法向應(yīng)力采用有效應(yīng)力a',則可以得到如下抗剪強度的有效應(yīng)力表達式:t=a‘tan^r t=a‘tan9'+c'三、土的極限平痼理論 '1、土中一點任意斜截面上的應(yīng)力計算

a=2G1+a3)+2(a1-a3)cos2at=2G1-a3)sin2a(a-a1+a3)2+t2=(a1-at=2G1-a3)sin2a22用莫爾應(yīng)力圓可更簡便地表示與大主應(yīng)力面成a角的斜面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力,圓上一點,體上一面,轉(zhuǎn)角二倍圖4-4土中應(yīng)力狀態(tài)如圖所示。 圓上一點,體上一面,轉(zhuǎn)角二倍圖4-4土中應(yīng)力狀態(tài)sin—sin—=——ai-a3a+a+2ccot—(-—、-(a)單元體應(yīng)力;(b)摩爾應(yīng)力圓2、 土的一點任意斜面的平衡狀態(tài)地基中一點任意斜面上作用有法向應(yīng)力和剪應(yīng)力,根據(jù)斜面上剪應(yīng)力與抗剪強度的關(guān)系,可將任意斜截面分為三種狀態(tài):tVt,斜面呈穩(wěn)定狀態(tài);t=/,斜面呈極限平衡狀態(tài);t>/,斜面已發(fā)生剪切破壞,為破壞狀態(tài)。點的任意斜截面上只要有一個截面上的剪應(yīng)力超過抗剪強度,該點即破壞。3、 土中任意點的平衡狀態(tài)將莫爾應(yīng)力圓和土的抗剪強度包線繪在同一直角坐標(biāo)系上,如圖所示。相離:穩(wěn)定平衡狀態(tài)。相切:極限平衡狀態(tài)。相交:剪切破壞狀態(tài)。4?土的極限平衡條件a=atan2145。+二+2ctan45。+—a3=a1tanz[45。一—a3=a1tanz[45。一—一2ctanf45o-—I 2J5、土的極限平衡條件的應(yīng)用土的極限平衡條件常用來評判土中某點的平衡狀態(tài).當(dāng)氣V氣或b3>。3時,該點處于穩(wěn)定平衡狀態(tài);當(dāng)氣=b1f或b3=b:時,該點處于極限平衡狀態(tài);當(dāng)^>b.或。3Vb時,該點處于剪切破壞狀態(tài)。例題4-2地基中某點的大主應(yīng)力b=100/0,小主應(yīng)力b=20kPa,土的抗剪強度指標(biāo)中=200,C=10kPa。試判斷該點與大主應(yīng)力面成330度角的面是否被剪破?該點是否穩(wěn)定。解(1)計算與大主應(yīng)面成30度角的面上的法向應(yīng)力b和剪應(yīng)力t。b=—G+b)+—G-b)cos2a=2G00+20)+2(100—20)cos2x30o=80kpat=2G1—b3)Sin2a=2(100—20如n2x300=34.6kpa(2)計算與大主應(yīng)力面成30度的面上的抗剪強度t=btan9+C=80xtan20°+10=39.1kPatVt,與大主應(yīng)面成30度角的面處于穩(wěn)定狀態(tài)f計算該點處于極限平衡狀態(tài)時,b3=20kPa所對應(yīng)的大主應(yīng)力b項=b=btan—f450+—一 2J+2ctan45。+—I2J20tan—( 200)+2x10tan( 200)450+——450+——2V J2V J=69.5kPab1>氣f,該點處于剪切破壞狀態(tài)。第二節(jié)土的抗剪強度指標(biāo)的確定測定土的抗剪強度指標(biāo)的試驗方法主要有室內(nèi)剪切試驗和現(xiàn)場剪切試驗二大類,室內(nèi)剪切試驗常用的方法有直接剪切試驗、三軸壓縮試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗等,現(xiàn)場剪切試驗常用的方法主要有十字板剪切試驗。一、 直接剪切試驗1、 直剪試驗原理直接剪切試驗是測定土的抗剪強度的最簡單的方法,它所測定的是土樣預(yù)定剪切面上的抗剪強度。直剪試驗所使用的儀器稱為直剪儀,按加荷方式的不同,直剪儀可分為應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種。我國目前普遍采用的是應(yīng)變控制式直剪儀,該儀器的主要部件由固定的上盒和活動的下盒組成,試樣放在盒內(nèi)上下兩塊透水石之間,如圖所示。試驗時,由杠桿系統(tǒng)通過加壓活塞和透水石對試樣施加某一法向應(yīng)力s,然后等速推動下盒,使試樣在沿上下盒之間的水平面上受剪直至破壞,剪應(yīng)力t的大小可借助與上盒接觸的量力環(huán)測定。試驗中通常對同一種土取3?4個試樣,分別在不同的法向應(yīng)力下剪切破壞,可將試驗結(jié)果繪制成抗剪強度Tf與法向應(yīng)力。之間的關(guān)系。直剪試驗方法分類大量的試驗和工程實踐表明,土的抗剪強度指標(biāo)與土體受力后的排水固結(jié)狀況關(guān)系密切??旒???旒粼囼炇窃趯υ嚇邮┘迂Q向壓力后,立即以0.8mm/min的剪切速率快速施加水平剪應(yīng)力使試樣剪切破壞。一般從加荷到土樣剪壞只用3-5min。得到的抗剪強度指標(biāo)用剪是在對表示施加豎向壓力后,讓試樣充分排水固結(jié),待沉降穩(wěn)定后,再以0.8mm/min的剪切速率快速施加水平剪應(yīng)力使試樣剪切破壞。得到的抗剪強度指標(biāo)用C、中表示。(3)慢剪。慢剪是在對試樣施加豎向]壓力后,讓試樣充分排水固結(jié),待沉降穩(wěn)定后,以小于0.02mm/min的剪切速率施加水平剪應(yīng)力直至止試樣剪切破壞。試樣在受剪過程中一直充分排水和產(chǎn)生體積變形,得到的抗剪強度指標(biāo)用七、中表示。3:直接剪切試驗的缺點剪切面限定為上下盒之間的平面,不是沿土樣最薄弱的面剪壞;剪切過程中試樣的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜,有應(yīng)力集中情況,仍按應(yīng)力均布計算;在剪切過程中,土樣剪切面逐漸縮小,在計算抗剪強度時仍按原截面積計算;試驗時不能嚴(yán)格控制排水條件,不能測量空隙水壓力;試驗時上下盒之間的縫隙中易嵌入砂粒,使試驗結(jié)果偏大。二、 三軸壓縮試驗試驗原理:三軸剪切試驗所用土樣是圓柱形。一組試驗需3?4個試樣,分別在不同的

,此時土內(nèi)無剪應(yīng)周圍壓力下進行,試驗時,先對試樣施加均布的周圍壓力b, 、 ,此時土內(nèi)無剪應(yīng)周圍壓力下進行,試驗時,先對試樣施加均布的周圍壓力b力。然后施加軸壓增量,水平向b=b保持不變。在偏應(yīng)力b-b=Ao作用下試樣中產(chǎn)生剪應(yīng)力,當(dāng)Ab增加時,剪應(yīng)力也隨之增加,當(dāng)增到一定數(shù)值時,試樣被剪破。由土樣破壞時的七和b'所作的應(yīng)力圓是極限應(yīng)力圓。同一組土的3-4個試樣在不同的b條件下進行試驗,同理可作出3-4極限應(yīng)力圓,求出各極限應(yīng)力圓的公切線,則為該土樣的抗剪強度包線,由此便可求得土樣的抗剪強度指標(biāo)C、中的值。三軸剪切試驗方法分類不固結(jié)不排水剪(UU試驗)試樣在施加周圍壓力和隨后施加偏應(yīng)力直至剪壞的整個試驗過程中都不允許排水。UU試驗得到的抗剪強度指標(biāo)用"、中"表示,這種試驗方法所對應(yīng)的實際工程條件相當(dāng)于飽和軟粘土中快速加荷時的應(yīng)力狀況。固結(jié)不排水剪(CU試驗)在施加周圍應(yīng)力b'時將排水閥門打開,允許試樣充分排水,待固結(jié)穩(wěn)定后關(guān)閉閥門,然后再施加偏應(yīng)力,使試樣在不排水的條件下剪切破壞。CU試驗得到的抗剪強度指標(biāo)用、中。表示,其適用的實際工程條件為一般正常固結(jié)土層在工程竣工或在使用階段受到大量、快速的活荷載或新增荷載作用下所對應(yīng)的受力情況。固結(jié)排水剪(CD試驗)在施加周圍應(yīng)力及隨后施加偏應(yīng)力直至剪切破壞的整個過程中都將排水閥門打開,并給予充分的時間讓試樣中的孔隙水壓力能夠完全消散。CD試驗得到的抗剪強度指標(biāo)用'、中8表示。三軸剪切試驗的缺點°C試驗操作比較復(fù)雜,對試驗人員的操作技術(shù)要求比較高。常規(guī)三軸剪切試驗中的試樣所受的力是軸對稱的,與工程實際中土體的受力情況不太相符。三、 無側(cè)限抗壓強度試驗無側(cè)限抗壓強度試驗實際上是三軸剪切試驗的一種特殊情況,即周圍壓力b'"0的三軸剪切試驗。31.試驗原理無側(cè)限壓力儀的構(gòu)造如圖4-14所示。本試驗只適用于飽和粘性土。由于沒有施加周圍壓力,因而根據(jù)實驗結(jié)果只能作出一個極限應(yīng)力圖。其抗剪強度包線為一水平線,抗剪強度指標(biāo)為: =qx四、 十字剪切試驗 °廣歹=七是一種原位測試方法,其實驗結(jié)果與無側(cè)限抗壓強度實驗結(jié)果接近。進行十字板剪切實驗時,先把套管打到要求測試深度以上75厘米,將套管內(nèi)的土清除,再通過套管將安裝在鐵桿下的十字板壓入土中至測試深度。由地面上的扭力裝置對鐵桿施加扭矩,使埋在土中在十字板扭轉(zhuǎn),直至土體剪切破壞。破壞面為十字板所形成在圓柱面。第三節(jié)影響抗剪強度指標(biāo)的因素一、 抗剪強度的構(gòu)成砂土的抗剪強度是由內(nèi)摩阻力構(gòu)成,而粘性土的抗剪強度則由內(nèi)摩阻力和粘聚力兩個部分所構(gòu)成。-內(nèi)摩阻力包括土粒之間表面摩擦力和由于土粒之間的連鎖作用而產(chǎn)生的咬合力。-粘聚力主要包括三個方面:①范德華力,②庫侖力,③土中含有硅、鐵、碳酸鹽等物質(zhì)時,對土粒產(chǎn)生膠結(jié)作用,使土具有粘聚力。二、 影響抗剪強度指標(biāo)的主要因素土的物理性質(zhì)的影響土的礦物成分,顆粒形狀和級配的影響含水率的影響土的原始密度土的結(jié)構(gòu)孔隙水壓力的影響三、 抗剪強度指標(biāo)的選用在實際工程中,地基條件與加荷情況不一定非常明確,如加荷速度的快慢、土層的厚薄、荷載大小以及加荷過程等都沒有定量的界限值,而常規(guī)的直剪試驗與三軸試驗是在理想化的室內(nèi)試驗條件下進行,與實際工程之間存在一定的差異。因此,在選用強度指標(biāo)前需要認(rèn)真分析實際工程的地基條件與加荷條件,并結(jié)合類似工程的經(jīng)驗加以判斷,選用合適的試驗方法與強度指標(biāo)。試驗方法相對于三軸試驗而言,直剪試驗的設(shè)備簡單,操作方便,故目前在實際工程中使用比較普遍。然而,直剪試驗中只是用剪切速率的“快”與“慢”來模擬試驗中的“不排水”和“排水”,對試驗排水條件的控制是很不嚴(yán)格的,因此在有條件的情況下應(yīng)盡量采用三軸試驗方法。有效應(yīng)力強度指標(biāo)用有效應(yīng)力法及相應(yīng)指標(biāo)進行計算,概念明確,指標(biāo)穩(wěn)定,是一種比較合理的分析方法,只要能比較準(zhǔn)確地確定孔隙水壓力,則應(yīng)該推薦采用有效應(yīng)力強度指標(biāo)。當(dāng)土中的孔隙水壓力能通過實驗、計算或或其它方法加以確定時,宜采用有效應(yīng)力法。有效應(yīng)力強度指標(biāo)可用三軸排水剪三軸固結(jié)不排水剪(測孔隙水壓力)測定。不固結(jié)不排水剪指標(biāo)土樣進行不固結(jié)不排水剪切時,所施加的外力將全部由孔隙水壓力承擔(dān),土樣完全保持初始的有效應(yīng)力狀況,所測得的強度即為土的天然強度。在對可能發(fā)生快速加荷的正常固結(jié)粘性土上的路堤進行短期穩(wěn)定分析時,可采用不固結(jié)不排水的強度指標(biāo);對于土層較厚、滲透性較小、施工速度較快工程的施工期或竣工時,分析也可采用不固結(jié)不排水剪的強度指標(biāo)。4)固結(jié)不排水剪指標(biāo)土樣進行固結(jié)不排水剪試驗時,周圍固結(jié)壓力s3將全部轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力,而施加的偏應(yīng)力將產(chǎn)生孔隙水壓力。在對土層較薄、滲透性較大、施工速度較慢的工程進行分析時,可采用固結(jié)不排水剪的強度指標(biāo)。-土的抗剪強度指標(biāo)的工程數(shù)值范圍大致為:砂土的內(nèi)摩擦角變化范圍不是很大,中砂、粗砂、礫砂一般為32-40°;粉砂、細(xì)砂一般為28-36°。-粘性土的抗剪強度指標(biāo)變化范圍很大,內(nèi)摩擦角的變化范圍大致為0-30°,粘聚力則可以由小于10kPa變化到200kPa以上。本章小結(jié)本章重點掌握莫爾一一庫侖強度理論,土的極限平衡理論;正確理解抗剪強度的構(gòu)成及抗剪強度指標(biāo)的主要影響因素;學(xué)會合理地選用抗剪強度指標(biāo)及進行抗剪強度的計算。在抗剪強度的應(yīng)用方面掌握以下兩類:正確判斷地基中過某點任意面的平衡狀態(tài)T>T穩(wěn)定平衡狀態(tài)Tf=/極限平衡狀態(tài)/VT破壞狀態(tài)正確判斷地基中某點的應(yīng)力平衡狀態(tài)b1>氣(或b3Vb3)穩(wěn)定平衡狀態(tài)。f1=b1(或bf3=b3)極限平衡狀態(tài)bf1Vb1(或bf3>b3)破壞狀態(tài)試驗課(土的抗剪強度指標(biāo)的確定-直剪試驗)一、 基本原理直接剪切試驗是測定土的抗剪強度的一種常用方法。試驗的原理是根據(jù)庫侖定律,土的內(nèi)摩擦力與剪切面上的法向壓力成正比。根據(jù)剪切定律確定土的抗剪強度指標(biāo)6和c。將土制備成幾個土樣,分別在不同的法向壓力下,沿固定的剪切面直接施加水平剪力進行剪切,得其剪壞時的剪應(yīng)力,即為抗剪強度Tf,即可確定土的抗剪強度指標(biāo)6和C。

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