第五章土的抗剪強度-網(wǎng)站內(nèi)容

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

2、則；總應(yīng)力強度指標的概念；有效應(yīng)力強度指標的概念； 【理解】影響砂土抗剪強度指標的主要因素；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粘性土抗剪強度指標的影響 計算理論及計算方法 【掌握】處于極限狀態(tài)時應(yīng)力計算；判斷一點是否處于極限狀態(tài)； 試 驗 【掌握】直剪試驗 【理解】單軸試驗；三軸試驗 三、重點內(nèi)容介紹1土的抗剪強度土的強度破壞通常是指剪切破壞，即：在某一個面上的剪應(yīng)力達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度，通常用s表示。2庫侖抗剪強度定律 1776年，法國科學(xué)家Coulomb在試驗的基礎(chǔ)上，提出土的強度計算公式，稱為庫侖抗剪強度定律，即：砂 土：

3、 （5-1a）粘性土： （5-1b）上式中：s為抗剪強度，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指標，稱為抗剪強度指標。如圖5-1所示。 由此，式（5-1）表明，當(dāng)土中某個面上的剪應(yīng)力達到其抗剪強度，即 （5-3）時，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度，即 （5-4）則不會發(fā)生剪切破壞。顯然，按強度的定義，截面上的剪應(yīng)力不可能超過其抗剪強度，即不可能有。試驗曲線如圖：圖5-1 庫侖強度定律3摩爾庫侖強度理論及土中一點的極限平衡方程公式（5-1）給出了土沿某一個給定的面發(fā)生剪切破壞的條件。實際應(yīng)用中，常需判斷土中一點是否破壞

4、。但在同一點處，不同的作用面上的作用力不同，若其中某一個面上的切向力、法向力滿足了式（5-1），則認為該點發(fā)生了剪切破壞，并稱該點處于極限平衡狀態(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度定律結(jié)合，即可建立處于極限狀態(tài)時的應(yīng)力條件。圖5-2 對應(yīng)于不同狀態(tài)的莫爾圓如圖5-2所示：（1）應(yīng)力圓與強度包線相離，即剪應(yīng)力 ，該點處于彈性狀態(tài)。（2）應(yīng)力圓與強度包線在A點相切，即 ，該點處于極限平衡狀態(tài)；應(yīng)力圓稱為極限應(yīng)力圓。（3）應(yīng)力圓與強度包線相割，即，該點處于破壞狀態(tài)。在實際的受力狀態(tài)中，當(dāng)時，已發(fā)生剪切破壞，故這種應(yīng)力狀態(tài)不可能在土體的實際受力狀態(tài)中出現(xiàn)。圖5-3 極

5、限平衡狀態(tài)時的莫爾圓由圖5-3可得到，當(dāng)土中一點發(fā)生剪切破壞（或說處于極限平衡狀態(tài)）時，該點的應(yīng)力應(yīng)滿足 (5-5a)這就是MohrCoulomb強度理論表達式。上式還可等價地寫為 (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抗剪強度試驗土的抗剪強度指標可由抗剪強度試驗求得。抗剪強度試驗 直接剪切試驗儀器：直剪儀。方法：用34個相同的土樣，采用不同的垂直壓力，測得34組(s、tmax)的數(shù)據(jù)，繪制s-s 曲線，由此求得抗剪強度指標c 、j值。圖5-4 直剪試驗成果圖直剪試驗的主要

6、優(yōu)點是儀器簡單，操作方便，卵石土、礫石土等對大顆粒土的試驗容易實現(xiàn)。缺點是：剪切過程中土樣的剪切面在不斷縮小，而計算剪應(yīng)力時我們假設(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，而這對飽和土的抗剪強度是有重要影響的。 單軸壓力試驗（無側(cè)限抗壓強度試驗）儀器：應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀 圖5-5無側(cè)限抗壓強度試驗 圖5-6 飽和粘土的單軸試驗試驗原理：通過轉(zhuǎn)輪對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),，可作出一個極限應(yīng)力圓。只有在下述兩種特殊情況下，才能定出其強度線，從而得到其強度指標。 干硬粘性土干硬粘性土在壓壞時有

7、明顯的剪裂面，能測出裂面與垂直線的夾角。因為裂面與大主應(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于飽和軟粘土，其不排水剪強度包線為一水平線，如圖5-6所示。其相應(yīng)的強度指標為 (5-12) (5-13) 三軸壓力試驗試驗設(shè)備：三軸剪切儀。試驗時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 三軸試驗常規(guī)加壓過程 通常，由一個試件顯然無法確定出土的強度線（或抗剪強度指標），因此需用多組試件，對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，作為土的強度線，同時可定出土的抗剪強度指標和，如圖5-8所示。圖5-8 強度包線5砂土的抗剪強度 砂土的強度來源 砂土強度與緊密度的關(guān)系密實砂土，剪應(yīng)力隨剪位移先增加到峰值，隨后下降到一個穩(wěn)定值，即剩余強度。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、 影響砂土強度的因素6粘性土的抗剪強度 粘性土的強度來源 三軸壓力試驗在三軸試驗時，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，按試驗過程中土樣的排水情況，常規(guī)三軸試驗可分為不固結(jié)不排水試驗（UU試驗）、固結(jié)不排水試驗（CU試驗）、固結(jié)排水試驗（CD試驗）。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）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隨著初始圍壓的增加而增大，即施加不同的圍壓，只會使得極限Mohr圓平移，而圓的直徑始終是保持不變，即總應(yīng)力強度線為一條水平線，如圖5-10所示。其相應(yīng)的強度指標為 (5-14) (5-15)圖5-10 不排水剪 固結(jié)不排水剪（CU試驗）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度線。固結(jié)不排水試驗的強度指標記為、。 固結(jié)排水剪（CD試驗）在對土樣施加圍